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激光幹涉儀在數控機床調試驗收中的應用

2021-6-9 來源：中國航發（fā）貴州（zhōu）黎陽航空動力有限公司運行保障作者：張（zhāng）淑芳，秦雲

摘要：介（jiè）紹 Renishaw XL-80 型激光幹涉儀（yí）的基本（běn）構成和工作原理，通過對新引進（jìn）設備 ELB SMART BL10 數控緩磨的位置精（jīng）度的測量驗收、檢測結果（guǒ）評定以及螺距誤差補償，掌握激光幹涉儀在測量數控機床位置精度上的使用技巧（qiǎo），修正機床因運（yùn）輸振動或環境溫度差異造成的位置誤差，最終達到機床位置精度驗收標（biāo）準，保證數控機床的加工精度。

關鍵詞：激光幹（gàn）涉儀；位置精度；螺距誤差補償

0 引言

新機床（chuáng）到廠安裝後，因運輸過程中的（de）顛簸（bò）及環境（jìng）溫度差異等原因，會造成機床位置精度變化，產生新的定位誤差。因此新機（jī）床經安裝調試後須使用激光幹涉儀對其位置（zhì）精度進行檢測評定，必要時進行螺距誤差補償，以（yǐ）修正誤差（chà）值（zhí），達到機床驗收標準，保證（zhèng）機床加工精度要求。

1 、激光幹涉儀（yí）的組成及基本原理

Renishaw XL-80 激光幹涉儀（yí）所用激光的波長為 633 nm，且其長期波長穩定性（在真空中）高於 0.05 ppm，是可對數控備（加工中心、三座標測量機等）的位置精度（dù）（定位精度、重複定位精度（dù）等）、幾何精度（俯仰扭擺角度、直線度、垂直度等）進行精密測量的儀器。

Renishaw XL-80 激光幹涉儀基本係統包括：XL80 激光頭（帶三角架）及相應的光學器件（jiàn）。其中用於線性測量（liàng）的組（zǔ）件包括一隻分光鏡、兩隻反光鏡和（hé）兩隻用於光學準直的光靶，線性測量工作原理如圖 1 所示。激光頭發出激光（guāng）束（shù） 1 經分光鏡分成兩束光，激（jī）光束 2 經固定反光鏡反射，形成參考（kǎo）光束，激光束 3 經移動反光鏡（jìng）反射，形成測量光束，兩束光匯聚於分光鏡中相疊加彼此幹涉（shè），相位相反時形成相消幹涉（shè），產生暗條紋；相位相同時形成（chéng）相長幹涉，產生明條紋。如果（guǒ）測量光路長度改變，幹涉光束的相對相位將改變，反光鏡每（měi）移動 316.4 nm 就會出現一個明—暗—明的光強變（biàn）化循環（huán），激（jī）光幹涉儀通過接收到明暗條紋變化，經過電子細分，從而知道距離的細微和準確（què）的變化，以此來測量移動距離。

圖 1 線性測量工作原理

2、位置精度的測量

以 2019 年 8 月份新進設備 ELB SMART BL10 數（shù）控緩磨為例，其控製係統（tǒng）為 SIEMENS 840DSL，被測軸以 X 軸（zhóu）為例，檢測目的是驗收（shōu）檢（jiǎn）測，檢測項目為位置精度檢測。

（1）機床開機（jī）回零後，運行熱機程序預熱 15 min。

（2）將激光幹涉儀按布置（zhì）連線圖進行（háng）安（ān）裝連接，開啟 XL-80激光電（diàn）源（yuán），預熱約 5 min。

（3）使用光靶快速準直光束。①沿運動軸方向將工作台推離激光頭，直到光束開始移（yí）開光靶。當隻有一半的光束擊中白點時停止移動機床；②使用（yòng）三角架後方的左（zuǒ）、右（上、下）扭擺調節（jiē）小旋鈕，調（diào）整激光頭的角度偏轉（zhuǎn），使光束移動到以（yǐ）光靶白（bái）點中（zhōng）心（xīn）對稱的位置。使用三角架左右平移（垂（chuí）直升降）大旋鈕，調整激光頭，使（shǐ）光束返回光靶白點中（zhōng）心；③沿著運動軸方向繼續推離（lí）工作台（tái）。當看到激光光束移開目標位置（zhì）時再次停止。重（chóng）複②光束（shù）準直調整步驟，直（zhí）到到達軸末端。到達末端後，將工（gōng）作台（tái）移回近激光器、軸起點位置。若光束不在光（guāng）靶白點中心，則（zé）水平平移（垂直升降）激光器或通過移動（dòng）直線軸，使光束回到光（guāng）靶中心位置；④重複步驟①至③操作，直到光束在整個運（yùn）動（dòng）軸範圍內都能保持在光靶中心。

（4）編製測量運行程序。設置機床工件坐標係 G59：X0Y0 Z0，使之（zhī）與機床機械（xiè）坐標係一致；依據機床 X 軸實際測量參數，編輯測量程序 LASER_X.MPF 如下：

（5）設置激光幹涉儀（yí）線性測長軟件。進入測量向導，依次完成目標設定、采集數據（jù）啟動、標題信息、自動采集數據設定 4 個窗口的設置。其中在自動采（cǎi）集數據設定中的公差窗口及（jí）越程量大小設置，依（yī）據（jù）以往經驗，最（zuì）好設定為機床實際越程的 1/2，即（jí）公差窗口：0.5 mm，越程量大小：0.5 mm。如兩參數大於等於實際（jì）越程值（zhí），可能造成軟（ruǎn）件采集錯（cuò）誤數（shù）據或無法采集。

完成（chéng）上述設置後，進入測量界麵，先（xiān）試運（yùn）行機床，判斷數據方（fāng）向（xiàng），由於起點不為零，需先使（shǐ）用將數據手動定義到（dào）起點 100，啟動機床檢測程序（xù），進行自動采集數據。

3 、機床位置精度的評定

數據采集結束後，保存測量數據，按廠家出廠檢測標準（VDI3441 標準）進行數據分析。分析結果見圖 2，依照公司與機床廠家（jiā）簽訂的驗（yàn）收標準（zhǔn）要求（qiú），VDI3441 機（jī）床檢驗標準：定位精（jīng）度：0.004 mm；重（chóng）複（fù）定位精度：0.002 mm。初次測試結果為：定位

精度 0.0685 mm，不符合驗收標準。

圖 2 X 軸位置精度檢測結果（程序循環 1 次的測量結果）

4、螺距誤差補償

查看機床 X 軸參數 MD32700（1）=1 可知，該設備 X 軸位置精度補償方式為螺距誤差補償，補償文件為 AX1_EEC.INI。

使用激光幹涉儀數（shù）據（jù）分析軟件分析數據，點擊［1 分析數據（jù）］→［誤差（chà）補償圖表（biǎo）］，打開“誤差補償表格”窗口，設置圖表類型：均值補（bǔ）償、補償類型：絕（jué）對值、正負符號轉換（+/-）：誤差值補償間隔（gé）：25 mm（AX1_EEC.INI 文件中數（shù）據），點擊［繪製誤差補償圖表］生成補償數（shù）據。

點擊機床上［MENU SELECT］→［調試］→［係統數據］，拷（kǎo）貝 NC 數據中的軸 1 的（de）測量係統錯（cuò）誤補償（cháng）文件到 U 盤，可得補償文件（jiàn） AX1_EEC.INI；依據生成的補償數據，在計算機上修改補償文（wén）件 AX1_EEC.INI；修改機床 X 軸參數（shù） MD32700（1）=0；激活修改後的補償文件；改回 MD32700（1）=1；激活參數（shù）設置，補償（cháng）數據生效；修改機床 X 軸參數（shù） MD32450（反（fǎn）向間隙）的值，即改為（wéi）原值與補償數據中的反向間隙值的（de）和。完成數據（jù）補償後，再次啟動激光線性測長軟件，采集、分析數據，其結果（guǒ）如圖 3 所示。

圖 3 補償後 X 軸位置精度測量結果

檢測結果為定位精度：0.0019 mm 且（qiě）重複定位精度（dù）：0.0014 mm。符合公司與（yǔ）機床廠家簽訂的驗收標準要求。DI3441 機床檢驗標準為定位精度：0.004 mm 且重複定位（wèi）精度：0.002 mm。

5、結束語

激（jī）光幹涉儀是（shì）機床入廠（chǎng）最終位置精（jīng）度（dù）檢測的重（chóng）要工具，可以通過它對機床位置精度進行測量、評（píng）定及螺距誤差補償，使機床達到驗收要求標準，保證設備加工精度。此外，通過它還可以用於了解使用過程中的設備的位置精度情況，了解誤差產生的原因，修正精度誤差。激光幹涉儀作為機（jī）床調（diào）試（shì）驗收中的必備手段，將一直服務於設備檢（jiǎn）測及修理行業。

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