激光干涉儀在幾何誤差軟件補償技術(shù)上的實踐

摘要：

本文介紹了三軸立式數(shù)控銑床幾何誤差的檢測方法、建模理論、軟件補償技術(shù)，利用中圖儀器SJ6000 激光干涉儀在不改變機床的硬件的前提下對 ZXK-32D 三軸立式數(shù)控銑床的幾何誤差進行測量、建模，實施誤差補償，驗證幾何誤差軟件補償技術(shù)。

零件的制造、設(shè)備安裝和保養(yǎng)及長時間運行零件間的相互摩擦造成的磨損等導致機床幾何誤差產(chǎn)生，是加工精度降低的主要因素。為了提高機床的加工精度，需要對機床進行幾何誤差補償。有研究表明，數(shù)控機床在溫度變化影響不大的情況下幾何誤差較為穩(wěn)定，因此，提高機床精度可采取誤差補償?shù)姆绞健τ谡`差的產(chǎn)生、檢測和補償國內(nèi)外很多學者進行了深入的研究分析 , 并在各自的理論基礎(chǔ)上分別建立了數(shù)控機床幾何誤差運動數(shù)學模型和誤差辨識模型 , 為誤差補償?shù)难芯繉嵺`提供了方向。

一、三軸立式數(shù)控銑床幾何誤差檢測方法

機床的幾何誤差是機床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的誤差，即為幾何誤差，包括機床各部件工作表面的幾何形狀和相互位置誤差、零件尺寸誤差和裝配誤差。三軸立式數(shù)控銑床幾何誤差理論上可達21種。從目前認可的研究結(jié)果來看，誤差辨識方法主要有幾類 : 單項誤差直接測量、綜合誤差測量和間接測量法。

（一）單項誤差直接測量法

單項誤差直接測量法是利用相關(guān)測量儀器依據(jù)測量基準 , 對數(shù)控機床的各項幾何誤差逐一測量 , 即可得到分離的單項幾何誤差參數(shù)，適用于一些傳統(tǒng)的檢測量具。例如，可利用電子水平儀測量數(shù)控機床的剩余轉(zhuǎn)角誤差 ，可利用激光干涉儀裝置測量數(shù)控銑床的直線性誤差。

（二）綜合誤差測量參數(shù)辨識法

綜合誤差測量參數(shù)辨識法是采用“數(shù)學辨識模型 + 特定點空間位置誤差”測量機床在運行正常的情況下出現(xiàn)的誤差，并獲得單項誤差數(shù)據(jù)。綜合誤差辨識是先通過數(shù)學建模 , 然后基于模型對其測量點的綜合誤差進行分離辨識 , 從而間接 得到機床各項幾何誤差離散值。

二、三軸立式數(shù)控銑床幾何誤差的建模理論

按認可的觀點，誤差建模是三軸數(shù)控銑床誤差測量、誤差補償?shù)年P(guān)鍵。根據(jù)多體系統(tǒng)運動學理論和拓撲結(jié)構(gòu)理論， 把三軸立式數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)建立結(jié)構(gòu)示意圖（如圖１所示）和抽象的拓撲結(jié)構(gòu)圖（如圖２所示），可以以立柱、床身（固 定軸１）為基礎(chǔ)建立2個分支和3個運動軸，兩個分支終端是工件４和刀具６。

三、幾何誤差軟件補償技術(shù)

幾何誤差軟件補償技術(shù)是一種直接作用于機床的誤差補償方法，通過對數(shù)控機床加工指令進行修改達到提高加工精度、減少幾何誤差的目的。目前，數(shù)控機床幾何誤差補償多采取軟件補償?shù)姆椒ǎ謹?shù)控程序算法修正和控制器修正。控制器補償可分為嵌入軟件和參數(shù)修正。數(shù)控程序算法修正是指將程序在數(shù)控加工環(huán)節(jié)和后處理環(huán)節(jié)中的處理，數(shù)控程序補償可分為后處理器和數(shù)控指令修正。

三軸立式數(shù)控銑床是通過數(shù)控指令控制刀具的切削運動。基于多體系統(tǒng)理論，采取軟件補償?shù)姆椒▽?shù)控指令進行實時修正，實時調(diào)整刀具中心運動提高加工精度。幾何誤差補償軟件補償可分為仿真模塊、建模模塊、補償模塊、測量模塊四部分，其原理是通過誤差補償軟件修改數(shù)控指令，用修正后的數(shù)控指令驅(qū)動數(shù)控機床，調(diào)整刀具中心運動軌跡，減少刀尖實際位置與理論位置之間的誤差，提高加工精度。其中，仿真模塊是利用 UG、CAXA 等軟件可快速、直觀對比補償前后程序的仿真效果 ；建模模塊是通過設(shè)置一系列的參數(shù)（如機床切削參數(shù)、刀具尺寸、設(shè)置坐標系等）實現(xiàn)三軸數(shù)控機床誤差模型的建立 ；補償模塊是依據(jù)測量的誤差數(shù)據(jù)和誤差補償模型補償或者修正導入數(shù)控程序的誤差 ；測量模塊是通過檢測獲取原始數(shù)據(jù)，包括 X 軸幾何誤差、Y 軸幾何誤差、Z 軸幾何誤差、垂直幾何誤差。

四、激光干涉儀測量與建模

激光干涉儀測量一般屬于一維的準靜態(tài)測量方法。激光干涉儀可在較快的位移速度下測量較大的距離，測量精度高， 一般為 0.1μm，可用于檢測直線度、垂直度、俯仰與偏擺、平面度、平行度等幾何誤差。激光干涉儀穩(wěn)定性好，抗干擾能力強，能對測量數(shù)據(jù)進行自動處理，適合在一般車間條件下使用。

本次使用的中圖儀器 SJ6000 激光干涉儀不僅能自動測量機器的誤差，還能通過 RS232 接口自動對其線性誤差進行補償，比通常的補償方法節(jié)省了大量時間，避免了手工計算和 手動數(shù)控鍵入而引起的操作者誤差。同時還可最大限度地選用被測軸上的補償點數(shù)，使機床達到最佳精度。另外操作者無需具有機床參數(shù)及補償方法的知識。激光干涉儀 , 可以對 X、Y、Z 三軸進行分別測量，可以測得滾動、偏擺、俯仰以及位置度誤差。操作如下 ：

X 軸測量 ：固定 Y 軸和 Z 軸，X 軸從 A0 點移動到 A 點， 測取數(shù)值。

Y 軸測量 ：固定 X 軸和 Z 軸，Y 軸從 B0 點移動到 B 點， 測取數(shù)值。

Z 軸測量 ：固定 X 軸和 Y 軸，Z 軸從 C0 點移動到 C 點， 測取數(shù)值。

五、軟件補償技術(shù)的應(yīng)用

ZXK-32D 三軸立式數(shù)控銑床曾經(jīng)被洪水浸泡，同時維護保養(yǎng)跟不上，長久使用后精度明顯降低。本次實驗旨在嘗試提高數(shù)控銑床精度，在不改變機床的硬件的前提下，對其進行建模測量和實施誤差補償，分別比較驗證軟件補償前后加工數(shù)據(jù)，以判斷軟件補償技術(shù)是否有效。

ZXK-32D 型三軸立式數(shù)控鐵床（廣州數(shù)控機床有限公司） 的基本參數(shù)為 ：工作臺面積(寬×長 )320mm×900mm ；型槽（槽數(shù) - 槽寬 × 槽距）3-14×100 ；工作臺承載工件重量 300kg ；工作臺左右行程（X 向）550mm ；工作臺前后行程 （Y 向）320mm ；主軸箱上下行程（Z 向）300mm ；主軸端面距工作臺面距離 50~350mm ；主軸中心線至立柱導軌面距離 300mm ；主軸錐孔MT4 主軸電機功率 1.5/2.2KW ；主軸轉(zhuǎn)速范圍 (6 級 ) 265~1815 r.p.m ；進給速度 1~1500 mm/min ；快速移動速度３m/min；線性坐標的定位精度 X/Y/Z：0.04/0.03/0.03 mm ；線性坐標的重復定位精度 X/Y/Z ：0.02/0.015/0.015 mm。

綜合考慮各種因素，本次三軸數(shù)控銑床的幾何誤差的設(shè)備使用中圖儀器 SJ6000 激光干涉儀采用直接測量法。試驗零 件如圖3所示，具體毛坯參數(shù)：200mm×200mm×30mm，鋁。零件加工中的具體參數(shù)為 ：直柄鍵槽銑刀 Φ10mm，三軸數(shù)控銑床主軸轉(zhuǎn)速 1000 r/min，切削進給速度為 80 mm/min。在 進行零件加工的時候，為了最大限度地降低切削力誤差造成影響，前后兩次零件的試切均選擇小切削量低速進給的加工方法。

直線度值的測量選用 DRAGON1075 型手動三坐標測量機，測量點選擇如圖 3 所示，工件四邊直線 (1,2,3,4) 和工件 對角線（5-7,6-8）。點心偏差的測量則選取Ⅰ點中心建立一個局部坐標系，再在Ⅱ點、Ⅲ點、Ⅳ點分別測量相對位置， 在加工測量前后注意比較理想坐標值和實際測量的坐標值， 驗證試驗工件的相關(guān)參數(shù)，如表 2 所示。

從以上兩個表格數(shù)據(jù)可以看出，數(shù)控機床在幾何誤差軟件補償后，機床直線加工精度和定點運動精度都得到了提高。

六、結(jié)束語

實踐證明，本次將軟件補償技術(shù)應(yīng)用到三軸立式數(shù)控銑床幾何誤差的修正中，雖然受到檢測設(shè)備成本和檢測補償技術(shù)水平的限制沒能從各個方面做出更詳細檢測和補償，但數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，軟件補償技術(shù)能有效提高機床的加工精度。