摘要：用激光干涉法丈量誤差的原理，通過計(jì)算機(jī)控制的誤差補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)數(shù)控機(jī)床的定位誤差進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種方法可以大幅度進(jìn)步數(shù)控機(jī)床的定位精度。
關(guān)鍵詞：激光干涉；數(shù)控機(jī)床；定位誤差；誤差補(bǔ)償

1　前言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床和加工中心作為新一代的工作母機(jī)，在機(jī)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(duì)數(shù)控機(jī)床的精度提出了更高的要求，定位誤差是影響數(shù)控機(jī)床加工精度、產(chǎn)生加工誤差的主要因素。因此，對(duì)數(shù)控機(jī)床的定位精度進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)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(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行檢測(cè)和補(bǔ)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(chǎng)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(dòng)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(hào)，由接收器5接收為參考信號(hào)；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(dòng)反射鏡8，可動(dòng)反射鏡8以速度ｖ移動(dòng)時(shí)，由于多普勒效應(yīng)產(chǎn)生差頻Δｆ，這時(shí)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(huì)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(hào)，丈量信號(hào)與參考信號(hào)的差值即為多普勒頻率差Δｆ。計(jì)數(shù)器在時(shí)間ｔ內(nèi)計(jì)取頻率為Δｆ的脈沖數(shù)Ｎ相當(dāng)于在ｔ區(qū)間內(nèi)對(duì)ｆ積分，即：

故丈量間隔ｌ為

ｌ=(λ/2)Ｎ

式中　Ｎ--累計(jì)脈沖數(shù)
λ--激光波長(zhǎng)
ｃ--光速

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

3　數(shù)控機(jī)床定位誤差補(bǔ)償系統(tǒng)

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

圖2　數(shù)控機(jī)床定位誤差補(bǔ)償系統(tǒng)

當(dāng)機(jī)床低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，計(jì)算機(jī)通過誤差丈量接口按一定的位移間距對(duì)雙頻激光干涉儀測(cè)出的誤差數(shù)據(jù)采樣處理，并發(fā)出相應(yīng)的補(bǔ)償信號(hào)；通過誤差補(bǔ)償接口將誤差傳給數(shù)控機(jī)床的ＣＮＣ系統(tǒng)，由數(shù)控機(jī)床完成相應(yīng)的補(bǔ)償。這樣每到一個(gè)補(bǔ)償點(diǎn)，計(jì)算機(jī)便發(fā)出一次補(bǔ)償信號(hào)，由數(shù)控機(jī)床進(jìn)行一次補(bǔ)償，直到行程終點(diǎn)。

但是，上述逐點(diǎn)誤差補(bǔ)償一般只適用于低速運(yùn)動(dòng)的情況，當(dāng)機(jī)床處于高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于系統(tǒng)響應(yīng)速度跟不上機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，使誤差補(bǔ)償系統(tǒng)不穩(wěn)定以致于不能正常工作。根據(jù)機(jī)床高速運(yùn)動(dòng)時(shí)一般不進(jìn)行加工這一特點(diǎn)，可按如下方法來設(shè)計(jì)高速補(bǔ)償軟件。當(dāng)機(jī)床從低速變?yōu)楦咚龠\(yùn)動(dòng)時(shí)，通過軟件補(bǔ)償系統(tǒng)脫離補(bǔ)償狀態(tài)，即在高速運(yùn)動(dòng)期間不進(jìn)行誤差補(bǔ)償；機(jī)床回到低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，計(jì)算機(jī)算出高速運(yùn)動(dòng)期間機(jī)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(yùn)動(dòng)時(shí)再進(jìn)行逐點(diǎn)補(bǔ)償[2]。

為進(jìn)一步進(jìn)步補(bǔ)償精度，在確立補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)可對(duì)補(bǔ)償點(diǎn)間距進(jìn)行細(xì)分，細(xì)分可由硬件電路實(shí)現(xiàn)。

圖3　數(shù)控機(jī)床定位誤差補(bǔ)償曲線

4　實(shí)例

對(duì)一臺(tái)型號(hào)為ＹＣＭ-ＶＭＣ-65Ａ的加工中心的的Ｘ軸定位誤差進(jìn)行檢測(cè)，補(bǔ)償前后誤差曲線如圖3所示。補(bǔ)償前其Ｘ軸定位誤差曲線為Ａ，最大誤差為57 6μｍ，經(jīng)過補(bǔ)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(cè)和補(bǔ)償數(shù)控機(jī)床的定位誤差是一種較為實(shí)用的方法，可以明顯地進(jìn)步數(shù)控機(jī)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(jī)床的加工質(zhì)量。

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

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