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 摘要：用激光干涉法丈量誤差的原理，通過計算機控制的誤差補償系統(tǒng)對數(shù)控機床的定位誤差進(jìn)行補償，實驗結(jié)果表明這種方法可以大幅度進(jìn)步數(shù)控機床的定位精度。
關(guān)鍵詞：激光干涉；數(shù)控機床；定位誤差；誤差補償

1　前言

隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，數(shù)控機床和加工中心作為新一代的工作母機，在機械制造中已得到廣泛的應(yīng)用，精密加工技術(shù)的迅速發(fā)展和零件加工精度的不斷進(jìn)步，對數(shù)控機床的精度提出了更高的要求，定位誤差是影響數(shù)控機床加工精度、產(chǎn)生加工誤差的主要因素。因此，對數(shù)控機床的定位精度進(jìn)行檢測和補償是保證加工質(zhì)量的有效途徑。本文就是基于上述思想，利用激光干涉丈量原理，通過誤差補償系統(tǒng)對數(shù)控機床進(jìn)行檢測和補償，使其定位精度得到明顯進(jìn)步。

2　激光干涉丈量原理

激光干涉丈量原理如圖1所示。

圖1　激光干涉丈量原理圖
1 激光器；2 λ/4片；3 分光器；4 檢偏器；5 接收器；6 偏振分光器；7，8 反射鏡；9 棱鏡

將Ｈｅ-Ｎｅ激光器1置于永久磁場中，由于塞曼效應(yīng)使激光原子譜線分裂為旋轉(zhuǎn)方向相反的左右圓偏振光。設(shè)兩束光振幅相同，頻率分別為ｆ1和ｆ2(ｆ1和ｆ2相差很小)。左右圓偏振光經(jīng)λ/4片2后變成振動方向相互垂直的線偏振光。分光器3將一部分光束反射，經(jīng)檢偏器4形成ｆ1、ｆ2拍頻信號，由接收器5接收為參考信號；另一部分光束通過分光器3進(jìn)進(jìn)偏振分光器6，其中平行于分光面的頻率為ｆ2的線偏振光完全通過分光器6到達(dá)可動反射鏡8，可動反射鏡8以速度ｖ移動時，由于多普勒效應(yīng)產(chǎn)生差頻Δｆ，這時ｆ2變成(ｆ′=ｆ2+Δｆ)；而垂直于分光面的頻率為ｆ1的線偏振光完全發(fā)射到固定反射鏡7。從反射鏡7和8發(fā)射回來的兩束光到偏振分光器6的分光面會合，再經(jīng)轉(zhuǎn)向棱鏡9、偏振器10，由接收器11接收為丈量信號，丈量信號與參考信號的差值即為多普勒頻率差Δｆ。計數(shù)器在時間ｔ內(nèi)計取頻率為Δｆ的脈沖數(shù)Ｎ相當(dāng)于在ｔ區(qū)間內(nèi)對ｆ積分，即：

故丈量間隔ｌ為

ｌ=(λ/2)Ｎ

式中?。?-累計脈沖數(shù)
λ--激光波長
ｃ--光速

因此，當(dāng)移動可動反射鏡8時，可通過累計脈沖數(shù)得到丈量間隔。當(dāng)把丈量間隔與數(shù)控機床上的光柵尺讀數(shù)相減時，即可得到數(shù)控機床的定位誤差[1]。

3　數(shù)控機床定位誤差補償系統(tǒng)

數(shù)控機床定位誤差補償系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)由六部分組成：數(shù)控機床、雙頻激光干涉儀、誤差丈量接口、誤差補償接口、計算機和打印機等。圖2中，數(shù)控機床是誤差補償對象，雙頻激光干涉儀用于丈量誤差，計算機是系統(tǒng)的核心，在補償軟件的治理下，通過丈量接口可用雙頻激光干涉儀自動丈量數(shù)控機床的定位誤差，由誤差補償接口對數(shù)控機床的定位誤差進(jìn)行補償，誤差數(shù)據(jù)可通過打印機輸出。 #p#分頁標(biāo)題#e#

圖2　數(shù)控機床定位誤差補償系統(tǒng)

當(dāng)機床低速運動時，計算機通過誤差丈量接口按一定的位移間距對雙頻激光干涉儀測出的誤差數(shù)據(jù)采樣處理，并發(fā)出相應(yīng)的補償信號；通過誤差補償接口將誤差傳給數(shù)控機床的ＣＮＣ系統(tǒng)，由數(shù)控機床完成相應(yīng)的補償。這樣每到一個補償點，計算機便發(fā)出一次補償信號，由數(shù)控機床進(jìn)行一次補償，直到行程終點。

但是，上述逐點誤差補償一般只適用于低速運動的情況，當(dāng)機床處于高速運動時，由于系統(tǒng)響應(yīng)速度跟不上機床的運動，使誤差補償系統(tǒng)不穩(wěn)定以致于不能正常工作。根據(jù)機床高速運動時一般不進(jìn)行加工這一特點，可按如下方法來設(shè)計高速補償軟件。當(dāng)機床從低速變?yōu)楦咚龠\動時，通過軟件補償系統(tǒng)脫離補償狀態(tài)，即在高速運動期間不進(jìn)行誤差補償；機床回到低速運動時，計算機算出高速運動期間機床移過的位移而不進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，待系統(tǒng)恢復(fù)低速運動時再進(jìn)行逐點補償[2]。

為進(jìn)一步進(jìn)步補償精度，在確立補償點時可對補償點間距進(jìn)行細(xì)分，細(xì)分可由硬件電路實現(xiàn)。

圖3　數(shù)控機床定位誤差補償曲線

4　實例

對一臺型號為ＹＣＭ-ＶＭＣ-65Ａ的加工中心的的Ｘ軸定位誤差進(jìn)行檢測，補償前后誤差曲線如圖3所示。補償前其Ｘ軸定位誤差曲線為Ａ，最大誤差為57 6μｍ，經(jīng)過補償后，其Ｘ軸定位誤差曲線為Ｂ，最大誤差僅為6 6μｍ。

5　結(jié)束語

用激光干涉原理來檢測和補償數(shù)控機床的定位誤差是一種較為實用的方法，可以明顯地進(jìn)步數(shù)控機床的定位精度，使其工作于最佳精度狀態(tài)，從而確保數(shù)控機床的加工質(zhì)量。

[參考文獻(xiàn)]
[1]茅振華等 數(shù)控機床精度的激光干涉法測試與補償 機電工程，1999(4)：48～49
[2]劉紀(jì)茍等 機床定位誤差微處理機補償?shù)难芯?中國儀器儀表學(xué)會精密機械學(xué)會1985年學(xué)術(shù)討論會，1985(12)

作者簡介：
鐘偉弘(1967-)，女，山東平渡人，天津理工學(xué)院講師，碩士。(end)