數控機床位置精度中激光幹涉儀的測量方法探析［摘要］文章通過對ML10的結構和工作原理進行細致的研究和分析之後，結合中捷機床工作實例重點介紹瞭激光 幹涉儀在調整和改善數控機床定位精度中的作用和具體方 法，目的就是為瞭更進一步地改進和優化數控機床位置精度 中激光幹涉儀的測量方法［關鍵詞］數控機床定位；精度中激光幹涉儀；誤差補償［中圖分類號］F41 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1005-6432 (2011) 49-0069-02隨著科學技術的進一步發展，激光幹涉儀位置測量系統, 已經被廣泛地應用在半導體集成電路專用設備及精密坐標 機床中，構成2坐標和3坐標精密定位多軸運動系統具有 微米級精度的激光幹涉儀逐漸成為一種主流的機床檢驗設 備，並在機床精度調整過程中發揮著重要作用所謂定位精 度（Positional Accuracy）就是空間實體位置信息（通常為坐標）與其真實位置之間的接近程度是指零件或刀具等實際 位置與標準位置（理論位置、理想位置）之間的差距，差距越 小，說明精度越高是零件加工精度得以保證的前提1激光幹涉儀在調整機床精度中的實例分析激光幹涉儀在調整機床精度過程中的作用主要有三個 方面：檢驗機床運動軸的誤差，協助調整機床機械結構和對 誤差進行補償。
巧妙正確地使用激光幹涉儀能夠很好地解決 機床定位精度差的問題下面就以一套加工中心的全閉環改 造實例介紹具體調整方法該機床是沈陽機床廠生產的VMC1410型立式加工中心，用於小型精密零件的加工，是沈陽 機床的關鍵設備數控系統為FANUC-Oi,半閉環控制由於 使用時間較長，近期加工出的零件經常超差，因此采購瞭數 字式球柵尺，用做直接測量系統實現全閉環控制安裝好球 柵尺,經過聯機調試，機床可以正常動作1. 1檢驗機床運動軸的誤差在配備瞭合適的玻璃鏡組件後，1臺激光幹涉儀可以檢 測出1個線性軸6個自由度中的5個,分別是水平和垂直方 向的直線度、偏擺角度、俯仰角度以及線性位移（第6個自 由度為滾動，需兩臺激光幹涉儀配合才能檢測）檢驗發現,y 軸最大誤差為±7Lini,滿足精度要求;x軸誤差較大，最大誤 差超過瞭150 um；同時，定性來看，該軸在運動過程中存在俯 仰，因此該機床在機械結構（絲杠、導軌）上存在問題,需要調 整1.2借助幹涉儀調整機床的機械結構經過檢測發現，機床工作臺在全行程運動時直線度較差, 尤其在距參考點約500mm處俯仰情況最為嚴重，最大俯仰角 度超過0.1需要將兩條導軌重新刮研、校平、校直。
同 時，在檢測中還發現，當機床運動到某處靜止時，激光幹涉儀 讀數在±15 U m范圍內不停來回變化，說明工作臺肯定在擺 動此時進入數控系統的診斷界面查看系統檢測的電機工作 情況，發現電機電流一直在額定電流的40%范圍內變化（因為 機床此時靜止，正常情況電機工作電流應該在額定值的10% 以內），根據電機拖動原理，電流值跟電機的輸出力矩成正比, 這就說明電機一直在工作，整個系統處於不穩定狀態，從而 印證瞭上述結論用戶參考激光幹涉儀測定的位置，重新刮 研、校平瞭導軌，並調整瞭滾珠絲杠與絲母間的預緊力，然後 重新將機床裝配好檢測發現，電機電流處於正常狀態，運動 系統工作穩定1.3重新檢驗該坐標軸的線性誤差用激光幹涉儀軟件可以直接對檢測結果進行分析，並生 成誤差補償數據表將補償數據輸入數控系統一般有兩種方 式，手動輸入或者通過數據線自動下載到數控系統中將補 償值輸入到該系統後重新檢測,機床工作穩定，精度完全滿 足廠傢生產要求通過ISO 230-2標準分析,其定位精度為 11. 743 um,重復定位精度為7. 657 um,反向間隙為5 um進行精度檢測時，機床往復運動兩個循環試加工工件經過檢 驗也滿足該廠設計要求。
至此，這個改造維修項目全部完成, 目前該機床工作正常2激光幹涉儀組成與原理分析沈陽機床的激光幹涉儀主要由激光頭、環境補償系統、 玻璃鏡組件、機械支撐件及配套軟件組成其中激光頭是一 種He-Ne激光器，可以發出波長約為0.633 um（設為入）、並 且波長穩定的激光；玻璃組件包括分光鏡（即折射鏡）和反射 鏡;機械支撐件可以自由調整，確保光路進入測量路徑;補償 單元可以采集現場環境的大氣壓力和濕度以及機床本體的 溫度，以便將環境的影響計入檢驗結果，提高檢驗結果的準 確性在檢測過程中有兩束光返回到激光頭的回光孔中，當位 於機床的運動部件上的反射鏡隨機床從點A移動到點B時 （假設距離為L）,根據光的幹涉原理，回光孔接收到的光線會 不斷明暗交替（兩束光相位差為零時，兩束光相長幹涉，此時 最亮；相位差為180°時，兩束光相消幹涉,此時最暗）在這 個過程中激光幹涉儀能夠不斷記錄明暗交替的次數（設為 n）o明暗狀態每變化一次，就說明光走過瞭一個波長的距離, 可知光移動的距離A l=nX X機床從點A到點B移動的距離為光路移動距離的1/2L=Al/2=nX X/2這樣,激光幹涉儀軟件就能結合環境補償系數精確實時 計算出機床的移動距離。
經環境補償後,ML10激光幹涉儀的 測量精度可達土 0.7X10-6,即在lm距離內誤差不超過土 0. 7um,完全滿足數控機床的精度檢驗要求3結論此外，結合現場情況，作者認為在按以上程序調整機床 定位精度過程中還要註意以下細節：其一，註意激光幹涉儀 各個環境傳感器的擺放位置和膨脹系數的設置，否則會增大 檢測誤差例如，當反饋元件是光柵尺時，膨脹系數應設為7, 而球柵尺應設為12；材料溫度傳感器用於檢測機床本體的溫 度，應放在導軌上;大氣溫度、壓力及濕度傳感器應放在分光 鏡和反射鏡間靠近光線的地方，因為這些因素直接影響瞭激 光的波長，從而降低瞭檢測精度其二,手動往數控系統中輸 入補償數據前，要認真查閱系統相關說明書不同系統的誤 差計算方式和誤差計算起始位置不一樣，例如，FANUC-0M誤 差計算是分段增量式，而Siemens802D系統的誤差計算是絕 對式的其三，應該分別用G00和G01作為進給指令編寫機 床程序，檢測出兩個反向間隙值這是由於在不同的運動方 式和速度下，運動軸的間隙值是不一樣的例如，FANUC-0M 系統在執行G00和G01指令時,x軸的反向間隙補償參數分別 686號和535號。