前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的数控机床定位精度测量实验浅析，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要：高精端立业对产品的加工精度要求逐渐提高。数控机床的定位精度直接影响产品的加工精度。文中对定位精度常用的测量技术方法进行了阐述，给出激光干涉法测量定位精度是当前普遍采用的方法的结论。对激光干涉仪的应用领域进行了分析；以激光干涉仪测量某新研发的多轴联动数控机床的定位精度为例，开展了实验介绍与分析。
关键词：数控机床；定位精度；测量；实验综述
1概述
当前各行各业随着制造业的快速发展，对产品精度的要求越来越高，尤其是在高端、精端产业中，对产品的加工精度要求从精密加工到超精密加工，不断提高到目前的优于0.03um的纳米加工。产品加工精度好坏的一个很重要因素是数控机床的定位精度CNCPA（ComputerNumericalControlMachinesPositionalAccuracy）。CNCPA是指所测机床运动部件在数控系统控制下运动时所能达到的位置精度[1]。该精度会对机床切削精度产生重要影响，特别在加工孔隙时，会影响到孔距误差。因此在机械制造加工领域，对数控机床定位精度进行测量实验具有重要的意义。
2定位精度测量方法
2.1一维球列法
天津大学李书和[2]较早地提出了采用一维球列法对机床定位精度进行检测。以X轴的定位精度测量为例，将球心距高精度标定好的一维球列固定在工作台上,使其与X轴平行，将三维电容传感器固定在机床的主轴上。启动X轴直线运动，测量一维球列的各球心坐标,测量的机床坐标与标定的球心距之差就是机床的定位误差。该测量方法的特点是制作一维球列的方法简单，不必将各球心严格的控制在一条直线上；价格较低，性价比高，可以直接或间接测量除机床定位精度以外的其他21项机床几何误差，以及可以同时测量X、Y、Z方向的误差。图1所示的测量示意图为一维球列法。
2.2平面正交光栅法
平面正交光栅法是20世纪末出现的测量技术[3]。其工作原理是光栅读数头和光栅圆盘做相对运动时产生较大的莫尔条纹，通过检测较易测量的莫尔条纹的位移测量出实际光栅不易直接检测的微小位移[4]。其特点是测量范围大，可以测量平面内的参数，测量的精度较高，但是价格也较为昂贵。图2所示的测量示意图为平面正交光栅法。
2.3激光干涉法
激光干涉法是以激光的干涉性为基础进行测量的。利用激光作为长度基准，对数控设备（加工中心、三坐标测量机等）的位置精度（定位精度、重复定位精度等）、几何精度（俯仰扭摆角度、直线度、垂直度等）进行精密测量[5]。其特点是测量速度快、精度高、价格高。激光法测量示意图如图3所示。
3激光干涉仪的应用
胡安继等[6]采用激光干涉法，利用激光干涉仪分光镜和旋转镜的组合，巧妙地解决了斜导轨数控机床倾斜轴检测难题。通过光栅式尺位移传感器对机床运动位置补偿，将机床运动定位精度提高近10倍，极大的提高了数控机床加工性能。江弥峰[7]通过激光干涉仪精度补偿，可以大大提升数控车床Z轴的定位精度和重复定位精度。贾平平[8]利用激光干涉仪对X轴连接杆的变形量进行了测量，根据测量结果进行了结构的重新设计，实现了精度补偿及测量的稳定。蒋兴兴[9]认为激光干涉仪是目前有效测量数控机床螺距误差和反向间隙的仪器设备。从现有的研究成果来看，较为普遍的测量方法是采用激光干涉法来对机床定位精度进行测量。虽然设备价格高，但其操作较简单，测量速度快，数据处理方便。同时，国内大力推动校企合作，加深产学交融，使得高校、科研院所拥有的昂贵激光干涉仪可以方便地为企业所用，即提高了国有资产的使用效率，也为企业节省了大量的成本。下面就以激光干涉仪测量某新研发的多轴联动数控机床的定位精度为例，阐述测量实验的过程及数据分析。
4基于激光干涉仪的机床位置精度测量
4.1实验目的
（1）了解激光干涉仪等精密检测仪器的基本工作原理及应用方法。（2）了解激光干涉仪的测量范围。（3）了解激光干涉仪的组成。（4）掌握基于激光干涉仪进行数控机床位置精度测量的操作方法。
4.2实验条件
检测对象为某新型六轴联动数控机床的X轴定位精度。检测仪器为激光干涉仪一台（型号为雷尼绍XL-80）。该设备可以产生非常稳定的激光光束，线性测量精度在整个环境范围内精度为±0.5ppm。测量环境见表1。
4.3实验原理
机床定位精度和重复定位精度属于线性测量，激光干涉仪线性测量原理如图4所示。激光发射器做为光源发出的光束射入干涉镜组，然后光束被分成两路。一路由干涉镜组的分光镜分配到干涉镜组的线性反射镜上（光束垂直于原来的光束路径），进而被反射回激光发射器，该反射光束与原始光束路径平行，做为参考光束，测量时保持不动；另一路则直接通过干涉镜组的分光镜进入后方的线性反射镜，并被反射回激光发射器，该反射光束也与原始光束路径保持平行，做为测量光束。在进行精度测量时，干涉镜组安装在固定台上保持静止不动，后方的线性反射镜组被安装在被测轴上，沿线性轴移动。由于光的干涉现象，两路光束的光程会随着被测机器位置误差的变化产生差异，该差异在干涉条纹上表现为条纹数量的变化。激光干涉器的内部组件可以检测出这些干涉条纹的数量，并乘以光束波长的一半，从而得到测量的长度，并将这些测量值与定位系统上的数值进行比较，最终获得精度误差。测量系统搭建如图5所示。系统从左到右依次为计算机运行激光校准软件平台、XC-80环境补偿器、XL-80激光发射器和光学镜组。由于光束波长与空气折射率有关，会随着空气的气温、压力、温度等发生变化，因此在测量时加入了环境补偿器，对上述环境参数的变化进行实时地补偿，以期消除测量误差获得更加精确的测量精度。
4.4实验步骤
（1）启动数控机床，将主轴置于测量轴移动方向的近端极限位置。（2）在机床主轴合适位置固定线性反射镜，注意固定位置应选在振动源较少的位置。（3）在工作台上固定干涉镜组件，肉眼使之与线性反射镜相互平行，间隔小于10mm，且尽可能保持高度相同。（4）开启激光干涉仪，等待5分钟左右，激光指示灯逐个变为绿色后即为稳定状态，可以进行测量。调整主机的左右移动调整旋钮、左右偏摆旋钮和俯仰旋钮，以及三脚架，使激光头发射的激光与干涉镜组和反射镜组处于一条直线上，经过几次调整，使得仪器在近端到远端的全量程范围内接收信号指示灯全部为绿色且信号稳定，此时仪器的测量精度最高。（5）设置软件测量参数。机床定位精度测量需要设置的参数主要包括：测量轴的移动行程、移动初始点和停止点、数据采集的间距、运行次数等。如表2所示。（6）将机床定位测量的运行代码输入控制器，测量前准备完成。测量时机床的运行程序也可通过数据采集软件CARTOCapture3.0自动生成数控G代码；将G代码拷入机床，进行机床精度测量的运行操作。（7）软件中点击采集，启动机床程序时行数据采集测量。（8）测量结束后运用CARTOExplore3.0软件进行自动数据分析，见表3和图6。
4.5实验结果分析
雷尼绍激光干涉仪自带数据分析软件，导入采集数据，选择测量标准，进行结果分析。从表3和图6中可以得出，该机床在测量的范围内被测轴轴线的双向定位精度为14.6μm，正向方向的轴线定位精度为11.7μm，反向轴线单向定位精度为14.3μm。利用这些数值对机床的加工路径进行补偿，使机床加工精度达到最优。实际测量时需要注意光学镜组的安装位置，尤其是线性反光镜的位置。由于线性反光镜是移动镜组，所以当机床运行时产生的微小振动都会对其测量误差带来较大的波动，且采集点的误差随机性很大，这必然会给机床定位补偿带来不确定性，进而使得加工精度不能保证。
5结论
5.1用激光干涉法对数控机床进行定位精度测量已经成为目前普遍采用的方法。
5.2激光干涉仪的使用范围广泛，不仅仅用于数控机床定位精度的测量，且其测量软件功能强大，提供了各种标准的数据分析结果，曲线图等。
5.3通过对激光干涉仪测量机床定位精度的实验阐述，可以看出其实验原理简单，仪器操作易掌握，测量精度和测量效率高。
作者:白琨 田一鸣 单位:合肥学院先进制造工程学院
