数控机床误差检测及其误差补偿技术研究

使用Renishaw激光干涉仪和高精度位移传感器实现了机床线性定位误差和主轴热误差的测量。通过补偿机床螺距和丝杠间隙误差,实现了机床线性定位误差的补偿。同时,使用PMAC控制卡对数控系统的G代码指令进行了实时修改,实现了机床主轴热误差的实时补偿。分析补偿后的机床,发现机床的加工精度得到了很大提高,表明该补偿效果明显。     

雷尼绍公司主要产品介绍

1激光干涉仪雷尼绍（RENISHAW）公司激光干涉仪可对机床、三坐标测量机及定位装置进行高精度的精度校正。与其他世界名牌激光干涉仪一样，可按标准测量各项几何特性，如线性位置精度、重复定位精度、角度、直线度、垂直度、平行度及平面度等。其分辨率为0．001μm，在0～40℃范围内测量精度为±1．1×10－6，线性测量速度达1m／s，最长测距80m。其便携性好，可使用笔记本式计算机，用户接口方便，软件丰富，价格具有竞争性。除常规功能外，本激光干涉仪还具有许多选择功能，如：自动螺距误差补偿（适用大多数控系统），机床动态特性测量…     

雷尼绍(RENISHAW)的产品

1 激光干涉仪 雷尼绍(RENISHAW)公司激光干涉仪可对机床、三坐标测量机,印刷线路板钻床及定位装置进行高精度的精度校正。可完成按标准测量各项几何特性,如线性位置精度,重复定位精度、角度、对角线、直线度、垂直度、平行度及平面度等。但其性能指标高,分辨率达0.001μm,在0℃～40℃车间工作环境下测量精度达±1.1ppm,线性测量速度达1m/s,最     

利用三光束激光干涉仪评估纳米平台的移动性能

纳米位移传感器多集成在纳米平台的平行移动柔性机构中,通过闭环控制回路来实现纳米级的平台移动精度,本文介绍了利用具有亚纳米分辨率的三光束单频激光干涉仪校正纳米级电容式线性移动平台位移的工作,阐述了校正测试系统的布局以及线位移和角度位移的校正测试原理.通过实验成功地对移动线位移320 μm的纳米平台进行了校正,实验数据表明...     

长跨度孔系直径与同轴度误差测量系统

针对飞机铰链件长跨度、小直径孔系的直径和同轴度误差高精度测量问题,研制了基于光电传感器的综合测量系统。多功能测头中的直流电机驱动自定心机构确定孔截面测量位置,光电编码器记录电机有效转动量,通过与标准环规进行比较间接测量各孔直径。以激光作为准直基准,安装在多功能测头前端的PSD检测激光光斑位置以确定各孔截面中心坐标,并进而评定出孔系的同轴度误差。使用该测量系统完成了孔系直径测量试验和PSD光斑检测线性及重复性试验。试验结果表明,与三坐标测量机测量结果相比,孔径测量相对误差小于10μm,PSD光斑位置检测重复性误差小于13μm,具备了较高的检测精度。     

电容式位移传感器的线性度标定与不确定度评定

由于光刻投影物镜装调中电容传感器的线性度指标不能够满足位移调节精度的需求,本文提出了一种提高电容传感器测量线性度的方法。该方法采用压电驱动器提供位移进给;采用高精度激光测长干涉仪校准电容传感器的线性度,提供位移反馈以保证运动控制精度。采用高阶曲线拟合方法得到拟合系数对传感器线性度进行在线标定;对标定实验中的环境、安装、机构以及控制等进行不确定度分析与评定以保证电容传感器的线性度测量精度;最后进行电容传感器线性度的标定实验。实验结果表明:本文提出的线性度标定方法能够减小各误差项对于测量结果的影响,标定后传感器线性度由0.047 14%提高至0.004 84%,近一个数量级,并且线性度重复性较高,重复性偏差为0.38nm,全行程内线性度的合成不确定度为5.70nm,能够满足光刻物镜中位移控制精度的需求。     

半导体双波长透射式红外干涉仪的研制及应用

采用635nm波长半导体可见光激光和10.5μm波长半导体红外激光作为干涉光源,设计了635nm和10.5μm双波段共光路透射式红外干涉仪,实现了可见光波段干涉测试与红外光波段干涉测试共光路,且双光路共用可见光对准。双波段共用机械式相移系统,并采用635nm测试光分段驻点标定10.5μm测试时相移器的长行程误差。研制的双波长红外干涉仪系统的红外测试精度达到PV优于0.05λ,RMS优于0.02λ,系统重复性RMS优于0.001λ。采用该干涉仪测试口径为400mm×400mm,离轴量为800mm的离轴非球面,得到边缘最大偏差值为21.9μm,能够实现大口径离轴非球面从粗磨到精磨高精度加工面形的全过程干涉测试。     

表面粗糙度对激光位移传感器测量精度的影响和补偿

激光非接触测量方法已被广泛应用于在机测量加工件,而被测工件表面粗糙度和测量距离对位移传感器精度的影响则少有研究。本文针对位移变化时不同参数的表面粗糙度对工件测量精度的影响,分析激光位移传感器测量表面粗糙度时的误差产生原理,设计了结合粗糙度和位移两项影响因素的误差测量实验,获得了激光干涉仪和激光位移传感器的位移数据。以激光干涉仪数据为基准计算出误差值,进而拟合获得误差模型。实验结果表明,经误差模型补偿后,测量精度提高到±7μm,较高地提升了测量精度,在机床在机测量上有一定应用价值。     

直线运动机构三维角误差同步测量方法研究

基于标准阶梯量块参数测量结果,提出了一种三维角度(偏摆、滚转、俯仰)同步在线测量方法,用于直线运动系统运动角误差的快速测量。该系统使用线激光传感器实现阶梯量块参数的实时采集,建立阶梯量块各参数与三维角度变化的数学模型。结合标定后的精密转台,完成系统测量稳定性及重复性的验证,将测量值与理论模型比较,确定±30°范围内的测量误差不超过1%。采用实验与软件计算相结合的方法完成角度测量分辨力的确定,结果显示标定后角度分辨率为0.001°。最后,利用本系统完成三维移动平台Z轴3项运动角误差的同步测量,测量结果验证了本系统具有简单、实用及高效的特点。     

集成激光位移传感器和编码器的曲面仿形测头研究

为实现对大量程自由曲面的高精度仿形测量,提出了一种利用闭环运动控制技术集成激光位移器和线性编码器的新方法。采用线性编码器和精密线性机构以及运动控制卡组成Z向位移量伺服随动系统,步进电机自动调整激光位移传感器位置使其工作在中心范围(95～105mm)内,线性机构位移量可由线性编码器测量得到,自由曲面的起伏变化可通过激光位移传感器和线性编码器的输出而得到。与激光位移传感器进行了线性度、示值误差以及重复性等精度参数对比实验,结果表明系统在扩大测量范围的同时具备较高的测量精度。     

激光位移传感器在自由曲面测量中的应用

以点激光位移传感器(HL-C211BE)为对象,研究它在自由曲面测量中的应用。针对激光位移传感器因测点倾角代入的测量误差,提出了一个可以量化的倾角误差模型。基于直射式点激光三角法原理,分析了激光光路的几何关系,从会聚光斑光能质心发生的偏移推导出倾角误差模型。随后,用高精度激光干涉仪和正弦规对激光位移传感器进行校对实验,并用误差模型对测量结果进行补偿。结果显示,补偿后激光位移传感器的测量精度得到明显提高。对一非球面凸透镜进行了实验测量,得到了自由曲面测点倾角的计算方法,并用倾角误差模型修正了测量数据。实验结果表明,量化的倾角误差模型可以将激光位移传感器的测量误差控制到小于10μm,满足激光位移传感器在自由曲面测量中应用的要求。     

机床定位误差中的热误差分离与实验

提出一种从机床定位误差数据中分离出热误差的新方法.设计了由双频激光干涉仪、温度传感标签与接收器等组成的热误差测试系统,可实现热误差温度信号的无线智能检测和热变形信号的非接触高精度采集;从机床冷态开始,来回循环测量定位误差并记录热敏测点温度值;对各循环内的前后测点定位偏差做插值、相减、平均等处理,再与冷态下的平均定位误差相减分离得到热误差.在2515龙门加工中心上进行了实验,数据处理不仅可得到定位偏差、重复精度、回程误差等6个几何精度指标,还分离出测量范围内各个测点的热误差,其最大值为9.67μm;最小二乘法建模结果表明热误差的建模精度在[-2.60μm-2.28μm]之间,建模精度平均值为0.73μm.     

高精度保偏光纤拍长测试

基于光相干域偏光测试技术,提出了一种高精度的保偏光纤拍长测试方法,实现了不同结构、不同尺寸保偏光纤的拍长测试。阐述了光相干域偏光测试技术原理并推导出测量方程;以迈克尔逊干涉仪为基础建立了测试系统并采用调制解调技术实现了信号的高精度检测。实验结果表明,系统的测量精度为0.01 mm。在此系统上进行了测试精度和重复性研究并对不同结构和尺寸的八种保偏光纤进行了实际测量,拍长测量精度和重复性均优于0.01 mm。     

解析机床定位误差测量及补偿

美国光动公司在CIMT2007推出了新型的用于机床定位误差测量及补偿的迷你激光测量系统,并举办了以“三维体积定位误差的测量及补偿”为主题的技术讲座,美国光动公司总裁王正平博士与到会观众就光动公司的最新产品以及机床定位误差测量技术上的问题进行了深入交流。王正平博士介绍道,20年以前,机床的最大定位误差为丝杆的螺距误差及丝杆的热膨胀误差,而今机床的主要误差已转变成了垂直度误差和直线度误差。为了达到高的机床三维空间定位精度,机床上所有误差(包括3个位移误差、6个直线度误差和3个垂直度误差)都必须得测量与补偿,而采用传统的激光干涉仪测量直线度和垂直度误差比较困难且费时费钱,通常需要停机数日和有经验的行家进行测量。美国光动公司已开发的新型革命性激光矢量测量技术(美国专利6,519,043,2/Il/2003)专门用于机床三维体积定位误差测量。这种测量方法仅需数小时就可以完成传统激光干涉仪几天的工作,并可达到更高的精度和更小的公差。为了深入地说明问题,王正平博士以意大利JOBS S.P.A公司为例说明了光动公司干涉仪的优势。该公司自上世纪80年代以来一直在制造三轴和五轴高速线性马达驱动的标准机床,两年前JOBS开始采用光...     

六自由度测试系统

本文所描述的测试系统基于激光全息分光技术和激光干涉测长技术,同时测定目标物体六个自由度的偏差。采用激光漂移补偿技术建立了稳定的激光束基准,采用磁光调制技术减小光强不稳定等因素对滚转角测量精度的影响,实现了多自由度较高精度的准直。实验表明,在激光光源距靶标１ｍ时,该系统σ重复性误差：线位移小于４μｍ,角位移小于４″,整个系统结构简单,测量效率高。     

基于双光束激光干涉仪的微动平台六维位姿测量建模与误差分析

为解决微动平台末端六维位姿的高精度测量问题,研究基于双光束激光干涉仪的位姿测量方法。利用空间正交布置的三台双光束激光干涉仪,测量微动平台上3个待测平面的线位移和角位移,通过测量系统的数学模型计算得到微动平台的六维位姿。建立了测量系统的数学模型,设计了高精度的简化求解方法,分析了各系统误差对测量结果精度的影响,为建立微动平台高精度位姿测量系统提供了理论基础,并成功应用于实际微动平台的标定。     

干涉测距系统中的光程定位

提出一个由定位干涉仪和测量干涉仪两部分组成的光纤干涉距离测量系统,并采用标准长度光纤实现量程倍增以增大测量范围。文中重点讨论了用准单色光源脉冲电流调制干涉实现光程定位的方法及其精度,通过理论分析和仿真实验可知,定位重复性误差优于±1μm.     

激光角度干涉仪测量精度的几个影响因素

激光角度干涉仪是高精度的角度测量仪器,但是其测量精度受到诸多因素的影响。本文讨论了激光角度干涉仪的一些误差来源并介绍了减小这些误差影响的方法。     

基于平面光栅的机床几何误差测量与辨识

几何误差是影响数控机床准静态精度的重要因素,针对几何误差测量、辨识问题,提出基于平面光栅的面—线机床空间几何误差辨识方法。依据多体系统理论和齐次坐标变换方法建立了三轴数控机床21项几何误差元素与3项误差向量之间的映射关系;规划了3个相互垂直的平面内的测量路径和辨识方案,通过单轴运动和两轴联动的形式可连续测量每个平面内的5条直线,进而依次确定垂直度、俯仰和偏摆误差、定位及直线度误差、滚转误差,减少了多次安装过程中安装误差累积对测量结果的影响;通过基于面—线法的21项几何误差测量和辨识实验,并与基于激光干涉仪测量辨识结果对比显示,平面光栅测量结果与激光干涉测量结果的空间误差向量最大偏差为2.4μm,平均偏差为0.77μm,验证了该方法对辨识机床精度是准确、有效的。     

计算机辅助测试超精密车床位置精度

介绍了一种超精密车床位置精度的计算机辅助测试系统,它利用激光干涉仪在线检测超精密车床伺服工作台线性定位精度.该系统利用了系统原有的控制装置和笔者自行研制的与激光干涉仪的接口电路,通过数控编程实时对工作台的静态和动态位置精度进行检测,并分析了本系统的测量精度.