API激光干涉仪直线轴使用校验操作方法

API激光干涉仪直线轴使用校验操作方法
前言:由于加工条件的限制，所有滚珠丝杠螺母结构都会存在一些误差，所以当私服电机按照CNC系统指令转动足够的圈数后，反应到直线移动轴上的位置总会出现误差。

另外丝杆安装误差及导轨制造误差也会影响直线移动轴的定位误差及线性误差。

对于传统的手动测量及参数输入的反向间隙偏差与螺距误差补偿，工作量大，繁琐，容易出现计算和操作上的错误。

通过API激光干涉仪对直线轴的自动测量与自动计算，并且自动生成反向间隙偏差及螺距误差补偿表，大大减小了操作与计算上的误差，而且提高了工作的效率。

针对常见数控系统，在加工过程中存在定位精度误差的问题，在下文会对几种常见的CNC系统进行位置精度的校验，并举例说明。

一、API激光干涉仪产品介绍
1.1技术综述：
API激光干涉仪大致有一下几种：
1D激光主要测量定位误差
3D激光可以测量定位误差、直线度误差(双向)
5D/6D激光可以测量定位误差、直线度误差(双向)、偏摆角、俯仰角和滚动角
1.2技术参数
3D标准型：
1. 线性：0.5ppm .
2. 测量范围：45米(1D可选80米)
3. 线性分辨力：0.001um.
4. 直线度精度：(2.0+0.4/m)um或2%显示较大值
5. 直线度最大范围：500um
6. 温度精度：0.2摄氏度
7.湿度精度：5%
8.压力精度：1mmHg
1.3 XD Laser激光干涉仪3D标准型（套装）
标准型API XD-3D激光干涉仪系统如下表1.1
编号描述数量产地及制造商86413 激光头 1 美国API 78413 快速安装夹具 1 美国API 100125 XD电源 1 美国API 76215 电源线，125V，10A，适用于90-250交流电 1 美国API 41631 4”光学连接杆 1 美国API 98231 6”光学连接杆 1 美国API 58464 45mm光线转向镜-带有4”光学连接杆 1 美国API 18386 十字接插件 1 美国API 56211 磁力底座（50X58X55） 2 美国API 55539 以太网连接线 1 美国API
19254 水平气泡 1 美国API
97512 气象站。

包含气象站与1.5米连接电缆，含1
个空气温度传感器、1个材料温度传感器、1
个大气压传感器
1 美国API
101003 XD USB优盘、API软件与操作说明书 1 美国API 16695 校准证书 1 美国API 22886 便携箱 1 美国API 23457 L型六角扳手7件套 1 美国API 41463 1D/3D反射镜 1 美国API 表1.1 XD Laser激光干涉仪3D标准型（套装）
1.4主要特点
1. 同时测量线性定位误差、直线度误差(双轴)
2. 设计用于安装在机床主轴上的3D传感器
3. 可选的无线遥控传感器最长的控制距离可到25米
4. 可测量速度、加速度、振动等参数，并评估机床动态特性。

5. 全套系统重量仅15公斤，设计紧凑、体积小，测量机床时不需三角架
6. 集成干涉镜与激光器于一体，简化了调整步骤，减少了调整时间
1.5仪器介绍
API XD-3D激光干涉仪，一次安装能够同时测量线性轴的3个误差，包括1个位置度误差、2个直线度误差。

同一台CNC在使用API激光干涉仪只需几个小时即可完成，实际应用结果表明，节省时间可达80%左右。

该仪器体积小，重量轻，可以直接安装到机床导轨上使用方便。

二、FANUC Oi系列 CNC数控系统定位精度误差补偿
2.1螺距误差及反向间隙补偿参数介绍：
直线轴的数控精度补偿必须设定的参数有：
（1）No.1320 各轴的正向软限位。

（2）No.1321各轴的负向软限位。

（3）No.1800＃4 切削进给和快速进给是否分别进行反向间隙补偿，0：否、1：是。

（4）No.1851 各轴的切削进给反向间隙补偿量，单位μm。

（5）No.1852 各轴的快速进给反向间隙补偿量，单位μm。

（6）No.3620 各轴参考点的螺距误差补偿号码，范围：0～1023。

（7）No.3621各轴负方向最远端的螺距误差补偿号码，范围：0～1023。

（8）No.3622各轴正方向最远端的螺距误差补偿号码，范围：0～1023。

（9）No.3623各轴螺距误差补偿倍率，范围：0～100。

①注释：存在不规律现象，视设备出厂设置倍率为一倍，除去被厂商锁定的情况，下文会针对常见数设备倍率的选择做出解释。

（10）No.3624 各轴螺距误差补偿点的间距，即螺距，范围：0～99999999. （11）No.8135＃0 NPE 使用存储型螺距误差补偿，此参数可以屏蔽螺距误差功能
2.2补偿前的准备工作：
（1）查看上述所介绍的参数，用以确定机台螺距误差补偿的地址及所需测量的各轴的行程、螺距（数据采样的位置间隔），通过所需测量的行程与螺距来确定所需要采样的点数。

（2）导入测试时使用的自动采样数据程式，需要对机床进行预热，使机床达到正常使用的热平衡状态。

②注释：不同螺距，不同行程的机台自动数据采样程式时是存在区别的，但大同小异，下文会通过实例进行阐述。

（3）确定伺服电机位置环增益XYZ各轴是否相同（参数1825），βi系列电机一般情况下3000左右，αi系列电机一般5000左右。

（4）对激光干涉进行预热。

激光干涉在进行预热状态时，激光会不间断的闪烁。

通过RJ45网络通讯协议，与PC链接好后，PC此时会显示未就绪来提示，当激光干涉预热完成后，激光停止闪烁,PC页面提示路径错误，此时激光干涉仪预热完成。

（5）架设干涉仪镜组架。

通过大丸RM600立式加工中心实例程式做以下解释。

O0001 主程序名
G28G0X0. 返回X轴参考点
G91 采用增量方式进给
G4X1. 暂停1秒
G0X2.0 正方向越程2毫米
G4X1. 暂停1秒
G0X-2. 返回2毫米，此为消除起步时的反向间隙G4X4. 暂停4秒，开始第一点采样
M98P02L25 调用子程序2号程式，调用25次
G91 采用增量方式进给
G0X-2. 负方向越程2毫米
G4X1. 暂停1秒
G0X2. 返回2毫米
G4X4. 暂停4秒
M98P03L25 调用子程序2号程式，调用25次
M99 返回程序
O0002 子程序名
G91 采用增量方式进给
G0X-25. 负方向移动25毫米，此为螺距
G4X4. 暂停4秒
M99 返回程序
O0003 子程序名
G91 采用增量方式进给
G0X25. 正方向移动25毫米，此为螺距
G4X4. 暂停4秒
M99 返回程序
③注释:程序说明
程序中有关小数点部分，可视情况选择加与不加，请查看参数3401＃0。

G0X2.、G0X-2.;是X轴回原点后，先往X轴正向移动2mm，再往X轴负向移动2mm,此动作是因回原点后，机器轴会有反向间隙产生，所以设定一个消除反向间隙的动作,可以视不同情况增大移动量。

G4 X4. 是在每次移动后，将暂停4秒的指令，以方便定位时PC进行数据采集。

M98为子程序呼叫指令。

P02为呼叫子程序之代号。

L25为呼叫子程序之循环次数,25次。

M99 则是反复循环之指令。

因为机台各轴向行程都不一定，所以在所实际操作时可灵活改变程序数值。

以上程序是以X轴行程做实例，将行程换算成干涉仪定位的点数如下:
X轴行程为630mm,以25mm作为量测间距,所以就600除以25等于25点,余下5mm 部分无法进行补偿,所以所需点数将为25点。

2.3操作实例参数部分
2.3.1确定机台参数
机台参数如下:
(1)1320 +X 1.000
+Y xxxxxxxxxx
+Z xxxxxxxxxx
为各轴正向最大极限
由于在回原点后将做消除反向间隙之动作，所以最大极限要开至2mm以上。

(2)1321 –X 630.000
-Y xxxxxxxxxx
-Z xxxxxxxxxx
为各轴负向最大极限
X轴总行程为627mm，所以测试过程中无需外扩行程,即可完成消除反向间隙之动作。

(3)1851 X 出厂时补正数值
Y 略
Z 略
为各轴G01（切削进给）反向间隙补正量
在量测完数值输入完成后，再把各轴反向间隙数值输入进去（④注释：可以累加测量后的反向间隙量也可清零后再测量直接补偿进去）
(4)1852 X 出厂时补正数值
Y 略
Z 略
为各轴G00（快速定位）反向间隙补正量
在量测完数值输入完成后，再把各轴背隙数值输入进去（④注释：可以累加测量后的反向间隙量也可清零后再测量直接补偿进去）
(5)3620 X 25
Y 略
Z 略
为各轴基准点，也就是之前换算出来之点数
(6)3621 X 1
Y 略
Z 略
为各轴补尝之最小点，以倒补方法来说，最小点都是为1
(7)3622 X 26
Y 略
Z 略
为各轴最大补偿点
也就是要把第一点基准点加入，如需测25定位点，将把第一个基准点加入，之所以设定为26点。

(8)3623 X 1
Y 略
Z 略
为各轴Pitch error补偿之倍率
(9)3624 X 25.000
Y 略
Z 略
为各轴量测间距
此范例将为25mm打一点之所以设定为25.000
⑤注释:在Pitch error 补偿中都是以μm为一个单位，最大补正值为7。

大于7后将改变参数3623里的值来做补正，如补正数据表中给出的是12，则将3623改为2，对应补偿号码里应同时减小一倍的补偿量。

2.3.2机台运行与激光干涉仪架设部分
1.导入程式
这里阐述通过CF卡对程式的导入。

1）首先在MDI状态下打开参数可写保护（如图2.1），I/O通道设定为4，表示通过M-CARD进行数据交换，在插拔CF卡时尽可能使关机状态下进行。

图2.1
2）改变模式为编辑模式。

按下PROG功能键，紧接着选择列表，再按操作键之后扩展会显示出来设备选择，紧接着选择M-卡，选择F输入。

F设定为存储在CF
卡中的程序的编号，O设定为导入CNC系统中的程序编号设置好后执行导入即可。

不同的系统程序导入的方式会存在一些不同，Oi-mc与Oi-md就存在区别但大同小异,一般生产线上的干部会很熟练的对加工程式的的导入与传出，在导入程式的过程中如遇到一些问题可以随时请教，这里就不再详悉作出解释。

2.运行自动采样程式预热CNC机台
选择MEM自动运行模式，调用程式，运行程式即可，预热过程也是验证程式的过程，在运行过程中一点要注意运行中的机械坐标，是否与自己编程所想的状态运行，以免在测试过程中导致激光干涉仪部件的损坏。

3.架设预热激光干涉仪并建立数据通讯协议
1）打卡工具箱，取出激光干涉仪，牢靠固定在机床的一侧；
2）先连接气象站与网线的通讯，对于气象站只需要插好快速接口即可，对于PC 与机关干涉仪的连接网线，要选择固定的IP地址，一般为IP为192，168，0，1；3）连接电源线，打开电源开关即可；
4）待激光干涉仪光线稳定后,计算机界面会提示路径出错,（如图2.2）；
图2.2 干涉仪预热完成
此时即可架设干涉仪镜组，当光线路径满足要求后，即完成了整个准备过程,此时计算机界面如图2.3（此设备为三维测量装置）。

图2.3 预热完成状态
4. XD Laser V6.1系统的使用及常用参数介绍
1）XD Laser V6.1系统的安装
每台激光干涉仪都会带有一个优盘，在优盘里都会有安装程序、使用说明书及次台设备的检验参数。

拷贝到PC中安装应用程序即可。

2) 3D激光干涉仪的主要参数设置
图2.3为工作页面即主屏幕，我们单击XD会弹出测量设置对话框如图2.4
图2.4 测量设置对话框
1 3D：在测量设置对话框里系统选项会默认为3D；
2双向：方向为双向自动运行采样；
3机器信息：根据实际机台编号设置即可；
4起点与终点：机床测量运动的起点为测量的起点，终点为测量的终点；
5增量：即为螺距，由参数3624决定；
6触发窗口：可以根据情况进行设定，机台误差过大的情况下，可适当增大。

7运行次数：运行4次是指自动运行来回采样4次；
8驻留时间：采样信息中的驻留时间，为程序中的暂停时间，用于采样，设置必须一致；
9自动采样时间：40%为4秒中的最后40%的时间用于数据采样；
10增大与减小：激光传感器距离里的增大还是减小要根据实际情况选择，取决于激光发射器与镜组开始运行时的距离是增大还是减小；
每次测量需要改变XD系统设置，点击图2.4里的改变系统设置选项，此时会弹出XD系统设置修改选项即可，如图2.5所示
图2.5 XD系统设置
11公制：在单位精度选项里根据情况进行选择；
12激活状态：激活项，均是设备配有的选项；
13相对湿度：由于对机台误差影响很小可以忽略，设置一个估计值即可；
14膨胀系数：不同的材质是不同的，根据实际情况选择或手工设置定值即可，钢的膨胀系数为11.7：
在传感器选项里，设置测量X轴各参数，如图2.6轴的线性关系。

图2.6 测试轴的线性设置
对于未提及的其它参数可不做选择皆为默认,设置完后逐次保存即可。

5自动运行采样
逐级保存好设置会弹出对话框设置好文件名单击确定，此时会弹出是否激活
超程，激活以后会跳转到信息采样界面，如图2.7。

图2.7 数据采样设置完毕
此时运行CNC机床，待程序运行到第一个G4X4.暂停4秒时，按下循环暂停机床运
行开始第一点采样；点击如图2.7所示R进行复位，再点击S开始，等待第一点采
样完成，按下循环启动，继续运行CNC，即可完成全过程的自动采样，直到自动
保存时结束，复位CNC机台即可（MEM程序是无限循环下去的）。

2.4数据分析并进行反向间隙及螺距误差补偿
通过系统提供的数据分析，可以直接进行FANUC数控的反向间隙补偿及螺距误
差补偿。

1点击数据分析，
2打开数据，
3选择测量完成后自动保存的数据，
4点击标准，一般选择ISO230-2：1997,
5点击工具，在下拉窗口里选择误差补偿表
6在生成的线性误差补偿表对话框里，选择双向平均，以增量的方式，符号为正值进行补偿，精确位数可视情况进行更改，一般为1。

7记录下生成的螺距误差补偿数值，一一对应输入到CNC系统Pitch error数据表里即可，可能存在数值大于7的情况，这样就需要修改3623号参数。

8快速进给反向间隙补偿到1852号参数里，反向间隙补偿量为Backlash Value 里值的大小，取整数补入即可
9 XD Laser V6.1系统自动生成的螺距误差补偿值，如下表2.1红色部分数值，表示应补偿到CNC系统中的螺距误差补偿值。

Test Axis: (X)
comments: None
Axis Unit: (mm)
Error Unit: (micron)
Table Type: Bidirection
Compensation Type: Incremental
Reference Position: 0 (mm)
Compensation Start: 0 (mm)
Compensation End: -625 (mm)
Compensation Spacing: 25 (mm)
Backlash Value: 4.01729(micron) (ISO Mean B reverse error is used as default value)
Error Compensation Value
No. Axis Position
(mm)
Bidirection (micron)
0 0 0 0
1 -25 0.5 1
2 -50 -1.9 -2
3 -75 -1.
4 -1
4 -100 0.3 0
5 -125 -0.7 -1
6 -150 2.2 2
7 -175 1 1
8 -200 2 2
9 -225 2.5 3
10 -250 0.8 1
11 -275 3.4 3
12 -300 1.1 1
13 -325 2.5 3
14 -350 2.3 2
15 -375 1.3 1
16 -400 2.5 3
17 -425 1.3 1
18 -450 2.5 3
19 -475 2 2
20 -500 0.9 1
21 -525 1.4 1
22 -550 -0.1 0
23 -575 1.3 1
24 -600 -0.8 -1
25 -625 1.3 1
表2.1 螺距误差补偿数据表
10 对应CNC数控系统螺距误差补偿位置如图2.8
图2.8 CNC螺距误差补偿位置
11 API实际测量补偿前与补偿后的精度数据如下图2.9（补偿前）与2.10（补偿后）。

图2.9 补偿前的采样数据
图2.10 补偿后的数据采样信息
12 XD Laser V6.1系统对X轴补偿前与补偿后的数据，进行对比分析如下图2.11，可以明显的看出轴的位置精度提高了很多。

图2.11 补偿前后的数据比较分析
通过使用激光干涉仪进行机床系统的定位精度的误差补偿，可以很大幅度的挺高机床的加工制造性能。

三、MITSXBISHI CNC数控系统定位精度误差补偿
3.1有关螺距误差及反向间隙补偿参数介绍：
直线轴的数控精度补偿必须设定的参数有：
1、2014 +X xxxxxxxxxx
+Y xxxxxxxxxx
+Z xxxxxxxxxx
为各轴正向最大极限
由于在回原点后将做消除反向间隙之动作，之所以最大极限要加大几个毫米这是根据机台与编程的实际情况来确定的。

2、2013 –X xxxxxxxxxx
-Y xxxxxxxxxx
-Z xxxxxxxxxx
为各轴负向最大极限,由于在负方向移动时，会有反向间隙产生
X轴总行程为xxxxxxxxxx，之所以最大极限开至xxxxxxxxxx 减小几个毫米,以便消除反向间隙
3、2011 X
Y
Z
为各轴G01反向间隙补正
在量测完数值输入完成后，再把各轴反向间隙数值输入进去
4、2012 X
Y
Z
为各轴G00反向间隙补正
在量测完数值输入完成后，再把各轴背隙数值输入进去
5、4003 X
Y
Z
为各轴Pitch error为各轴原点补偿位置
6、4004 X
Y
Z
为各轴Pitch error补尝位置最小点
7、4005 X
Y
Z
为各轴Pitch erro补尝位置最大点
8、4006 为各轴Pitch erro补偿之倍率
9、4007 X
Y
Z
为各轴量测间距即为螺距补偿的距离间隔
3.2对于MITSXBISHI基本操作综述
由于三菱数控系统类似于发那科数控系统机床，这里对于机台运动的过程与XD Laser V6.1系统的使用便不在详细介绍，
1、确定实际机台内部参数的数值，根据实际情况确定测量行程及MEM运行程式。

附图3.1与图3.2 MITSXBISHI M70 需查看的参数，
图3.1 反向间隙补偿值及机台各轴行程
图3.2 螺距误差补偿参数位置设置
2、导入至CNC程式预热CNC机台（程式与第二章节发那科系统的程式大致相同稍作修改即可使用，取决于调用的次数与工作台行程的大小，还有螺距，套用程式格式即可。

）
3、架设镜组及预热激光干涉仪。

4、数据采样，采样过程与发那克数控一样，先是CNC系统运行至开始采样的第一点后，暂停CNC系统，PC侧开始采样，启动CNC系统后便会自动采样
5、修改参数，三菱数控在修改参数时类似发那科数控，先要打开保护，密码mpara。

6、生成的数据报告，同样，一一对用补偿到对用的螺距误差补偿值里，附图3.3
螺距误差补偿地址界面。

图3.3 X轴螺距误差补偿具体地址
三菱系统的螺距误差补偿应根据API Linear Error Compensation Table中的数据进行补正。

注释：1、数值取反乘以1000，然后一一对应输入到螺距误差数据；
2、API Linear Error Compensation Table打开的方式，如图2.9，点击TXT
或者点击窗口进入切换到数据表，下拉即可看到如图3.4
图3.4 API Linear Error Compensation Table
四、BROTHER数控 CNC 数控系统定位精度误差补偿
目前兄弟数控的螺距误差补偿大致可以分为两类，TS-2A与TS-2B可以归为一类，TS-2C与TS-2D可以归为一类，共同之处是间隙补偿量均是补偿脉冲当量，而对于螺距误差补偿两类存在差异，一类类似于发那科系统，另一类类似于三菱系统。

后者会有密码锁定节距误差补偿表，也就是没有密码是无法进行螺距误差补偿。

对于兄弟数控不在做具体的阐述，以下附几张图片提供参考：
1、TS-2A与TS-2B的打开参数写入界面
按下I/O进入到I/O画面，翻页便可找到，如图4.1。

图4.1 打开参数写入开关界面
2、TS-2A与TS-2B的节距误差进入窗口
按下数据库进入系统参数，第四项便是螺距误差补偿地址如图4.2。

3、进入第四项便是螺距误差补偿位置如图4.3
图4.3节距误差补偿设定位置
4、有关修改的其他参数，对于程序中的越程部分，如果修改了下图中的参数后仍无法越程，还需修改用户参数开关2里的限位。

图4.4反向间隙补偿参数与正负向限位
5、TS-2C与TS-2D螺距误差补偿进入窗口
图4.5 TS-2C与TS-2D螺距误差补偿进入密码输入窗口
6、TS-2C与TS-2D参数写入开关
图4.6 TS-2C与TS-2D参数可写参数保护开关界面
7、TS-2C与TS-2D螺距误差补偿地址，需要注意的是102号参数为1螺距误差
补偿才会生效。

图4.7TS-2C与TS-2D螺距误差补偿地址
8、TS-2C与TS-2D其他需要修改参数位置
图4.7 TS-2C与TS-2D间隙补偿参数与正负向限位
对于BROTHER数控间隙补偿量是通过脉冲当量进行补偿的，通过XD Laser V6.1系统是无法生成的，需要实际的计算。