数控机床误差测量与补偿

数控机床误差测量与补偿

摘要：本文在分析数控加工误差来源及分类的基础上，明确了几何误差的性质、产生原因及在各类误差源中所占的比重，着重介绍了用激光干涉测量法的测量原理及特点并对其两种不同的测量

方法进行比较，最后进行误差试验，得到补偿效果。

abstract： based on the analysis of the source and classification of nc maching error， this paper clears the nature of the geometric error， the causes and its proportion in all kinds of error sources. the principle and characteristics of laser interferometry is emphatically introduced and the two different methods are compared. at last， the error measurement is conducted to get compensation efffect.

关键词：数控机床；几何误差；误差测量；误差补偿

key words： nc machine tools；geometric error；error measurement；error compensation

中图分类号：tg659 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2013）22-0017-02

1 数控机床误差分析

1.1 误差的来源数控机床的误差来源比较复杂。机械加工的误差主要来源于机床、加工过程和检测等三个方面。如：①床身、主轴、立柱、导轨、旋转轴等机床零部件在制造过程中引入的尺寸误

差及装配过程中引入的装配误差；②机床在负载下的变形及机床结构的力变形引起的定位误差；③伺服跟随系统引起的误差。④具体工况中振动、湿度、温度、气流等因素引起的环境误差及检测误差等[1][2]，图1为数控机床的主要误差来源。

1.2 误差的分类根据误差的性质、误差的来源以及误差的时间特性不同，可以将误差分为以下类型：①按其性质可分为：系统误差和随机误差。②按其来源可分为：几何误差、切削力误差、热误差和控制误差、检测误差等。③按其发生的时间特性可分为：静态误差和动态误差[3-5]。

2 激光干涉仪测量原理

目前，国内外用来检测数控机床几何误差的工具有很多，常见的有一维球列测量法：球柄仪测量法、正交光栅测量法和激光干涉测量法，其中激光干涉测量法用途较广。

2.1 单频激光干涉仪目前激光干涉仪应用较多的为单频激光干涉仪和双频激光干涉仪。图2为单频激光干涉仪原理图，激光器1发出的激光束，经镀有半透明银箔层的分光镜5将光分为两路，一路折射进入固定不动的棱镜4，另一路进入可动棱镜7。经棱镜4和7反射回来的光重新在分光镜5处汇合成相干光束，此光束又被分光镜分成两路，一路进入光电元件3，另一路经棱镜8射至光电元件2。

由于分光镜5上镀有半透明半反射的金属膜，所产生的反射光和折射光的波形相同，但相位上有变化，适当调整光电元件3和2的

位置，使两光电信号相位差90°。工作时两者相位超前或滞后的关系取决于棱镜7的移动方向，当工作台6移动时棱镜7也移动，则干涉条纹也跟着移动，每移动过一个干涉条纹，光电信号变化一个周期。如果采用4倍频电子线路细分，采用波长λ=0.6328μm的氦氖激光为光源，则一个脉冲信号相当于机床工作台的实际位移量■×■λ=0.08μm。单频激光干涉仪工作时受环境影响较大，放大器会出现零点漂移现象。

2.2 双频激光干涉仪激光管从磁场内射出两束方向相反、振幅相同但频率不同的左、右旋圆偏振光，频率为f1和f2，如图3所示。经分光镜m1后，一部分光束射入光电元件d1作基准频率f基（f基=f2-f1）；另一部分光束在分光镜m2的a处，经滤光器处理频率为f2的光束变为线偏振光f2，折射到棱镜m3后反射到分光镜m2的b处。

频率为f1的光束经滤光器变为线偏振光f1，折射到棱镜m4后反射到分光镜m2的b处，在b处两光束产生相干光束。若m4移动，则反射光的频率产生多普勒效应，其频差称为多普勒频差±δf。在b处频率为f′=f1±δf的反射光与频率为f2的反射光汇合，射入光电元件d2，得到测量频率f测=f2-（f+±δf1）的光电流，经过放大器后f测与f基的光电流同时进入计算机，计算频差值±δf，算出棱镜m4的速度v和距离l。

δf=■（1）

v=■，dl=vdt （2）

l=■vdt=■■δfdt=■n （3）

双频激光干涉仪的优点：

①其接收信号为交流值，不存在零点漂移等问题。②利用计数器用来计算频差的变化，激光强度和磁场变化对其不产生影响。③空气湍流不影响测量精度。

3 基于激光干涉仪的数控机床误差补偿实验

对两块标准试件（如图4所示），通过采用双频激光干涉仪和数控加工中心进行误差补偿实验，检验补偿效果。

两块标准试件的尺寸大小在不同条件下的结果如表1所示，数控加工中心误差补偿效果明显。

4 总结

本文在分析数控加工误差来源及分类的基础上，明确了几何误差的性质、产生原因、发生的时间特性及在各类误差源中所占的比重，进一步明确了以几何误差为研究对象的必要性及现实性。针对两种常用的激光干涉仪介绍了其测量原理及特点并进行比较。最后用一台renisawml10双频激光干涉仪vmc850数控加工中心进行误差测量，以对后续的误差补偿提供准确的数据，得到预期的补偿效果。参考文献：

[1]shih-ming wang， measurement methods for the position error of a multi-axis machine[j].tools manufacture，1999（39）：16-25.

[2]刘焕牢，数控机床几何误差和误差补偿关键技术[j].机械工