基于激光干涉仪的FANUC系统VMC的定位精度检测与误差补偿

数控机床定位误差的激光干涉法检测与补偿天津理工学院钟伟弘关保国摘要：用激光干涉法测量误差的原理，通过计算机控制的误差补偿系统对数控机床的定位误差进行补偿，实验结果表明这种方法可以大幅度提高数控机床的定位精度。

关键词：激光干涉；数控机床；定位误差；误差补偿1前言随着我国国民经济的飞速发展，数控机床和加工中心作为新一代的工作母机，在机械制造中已得到广泛的应用，精密加工技术的迅速发展和零件加工精度的不断提高，对数控机床的精度提出了更高的要求，定位误差是影响数控机床加工精度、产生加工误差的主要因素。

因此，对数控机床的定位精度进行检测和补偿是保证加工质量的有效途径。

本文就是基于上述思想，利用激光干涉测量原理，通过误差补偿系统对数控机床进行检测和补偿，使其定位精度得到显著提高。

2激光干涉测量原理激光干涉测量原理如图1所示。

图1激光干涉测量原理图 1 激光器；2 λ/4片；3 分光器；4 检偏器；5 接收器；6 偏振分光器；7，8 反射镜；9 棱镜将Ｈｅ-Ｎｅ激光器1置于永久磁场中，由于塞曼效应使激光原子谱线分裂为旋转方向相反的左右圆偏振光。

设两束光振幅相同，频率分别为ｆ1和ｆ2(ｆ1和ｆ2相差很小)。

左右圆偏振光经λ/4片2后变成振动方向相互垂直的线偏振光。

分光器3将一部分光束反射，经检偏器4形成ｆ1、ｆ2拍频信号，由接收器5接收为参考信号；另一部分光束通过分光器3进入偏振分光器6，其中平行于分光面的频率为ｆ2的线偏振光完全通过分光器6到达可动反射镜8，可动反射镜8以速度ｖ移动时，由于多普勒效应产生差频Δｆ，这时ｆ2变成(ｆ′=ｆ2+Δｆ)；而垂直于分光面的频率为ｆ1的线偏振光完全发射到固定反射镜7。

从反射镜7和8发射回来的两束光到偏振分光器6的分光面会合，再经转向棱镜9、偏振器10，由接收器11接收为测量信号，测量信号与参考信号的差值即为多普勒频率差Δｆ。

计数器在时间ｔ内计取频率为Δｆ的脉冲数Ｎ相当于在ｔ区间内对ｆ积分，即：故测量距离ｌ为ｌ=(λ/2)Ｎ式中Ｎ--累计脉冲数λ--激光波长ｃ--光速因此，当移动可动反射镜8时，可通过累计脉冲数得到测量距离。

激光干涉仪在机床定位精度测量中的误差分析摘要: 使用( renishaw ) 激光干涉仪对一台立式铣床的定位精度进行了测量。

在启用和关闭机床环境补偿系统的条件下, 得出了两组相差较大的实验数据。

通过对激光干涉仪在测量中的误差进行分析, 找出了定位精度变化的原因和相关数据的变化范围。

由于数控机床热变形的不稳定性和测量方法的多样性, 到现在为止, 国内还没有统一的检验通则用来评定机床的热误差大小。

目前, 用来评定机床性能的主要依据之一是机床轴线的定位精度和重复定位精度的大小。

能够用于检测数控机床几何误差的检测方法有很多:一维球列测量法、球柄仪测量法和激光干涉仪测量法等。

但在生产实践中, 考虑到检测设备对测量精度、稳定性以及通用性等要求, 国内外生产厂家都采用激光干涉仪测量法来评定数控机床的轴线定位精度大小。

在使用激光干涉仪进行线性定位误差测量时, 分光镜或反射镜之一保持静止, 另一个光学元件沿着线性轴线运动。

图1中, 分光镜静止不动, 反射镜沿着预定的方向运动。

误差分析激光干涉仪是一种高精度的计量仪器, 自身的精度很高, 但在使用时会受到环境、安装条件、机床温度和线膨胀系数不准确等诸多因素的影响, 从而降低了测量精度。

激光干涉仪在机床定位精度测量中的误差包括激光干涉仪的极限误差e1、安装误差e2 和温度误差e3 用激光干涉仪实现高精度定位主轴头和控制系统补偿的位置误差方面, 大型加工中心的定位精度要求为数百分之一毫米。

采用ML10激光干涉仪就能达到要求。

航空工程工业加工大型整体部件和大型轻合金模具都需要X轴和Y轴行程达数米的加工中心。

平面度、角度和位置精度测量ML10提供的测量范围完全能满足各种不同要求:可以测量导轨的垂直度和水平平直度,主轴头的定位精度,正交轴的角度和回转轴的定位精度。

激光干涉仪便可自动测量主轴头的位置偏差。

ML10是测量大型加工中心平直度与定位精度最好且精度最高的测量装置。

用激光干涉仪测量数控机床主轴误差新法从激光干涉仪检验的内容来看，从最初的单独测量机床各轴的位移精度，扩展到分别测量定位精度、直线度、平行度、垂直度等，再到现在使用分布体对角线测量法测量机床的三维整体性能。

FANUC系统数控车床精度的检测与补偿为了改善提高某台数控机床的位置精度，应用激光干涉仪对其定位精度和方向间隙进行了检测和补偿。

通过补偿数控机床的螺距误差最大值由原来的0.02mm降低到0.002mm。

机床的精度得到较大幅度的提高。

标签：激光干涉仪；定位精度；精度补偿1 精度检测与补偿的意义数控机床的定位精度是机床各个坐标轴在数控系统控制下达到的位置精度。

根据实测的定位精度数值，可以判断机床在加工中所能达到的最好加工精度。

同时数控机床各轴运动的准确程度，决定数控机床的定位精度，对数控加工质量至关重要。

国际标准化组织于1998年批准了“数控机床位置精度的评定”的有关标准（ISO230-2：1998）；我国制定的“数字控制机应酬位置精度的评定方法”（GB10931-89）都对其有明确的要求[2]。

现今的数控机床在检测精度时基本上都采用激光干涉仪对数控定位精度进行测量，以此来满足现今国内机床的精度要求。

在测量机床的螺距误差和进行反向间隙误差补偿时，必须要专业的人员进行操作。

2 精度检测的概念在实际中，通常对数控机床位置精度的检测和补偿主要包括直线轴定位精度、重复定位精度和反向间隙三个方面。

重复定位指的是同一个位置两次定位产生的误差。

定位精度指的是数控设备停止时实际到达的位置和要求到达的位置误差。

反向间隙是因为丝杠和丝母之间肯定存在一定的间隙，所以在正转后变换成反转的时候，在一定的角度内，尽管丝杠转动，但是丝母还要等间隙消除以后才能带动工作台运动，这个间隙就是反向间隙，但是要反映在丝杠的旋转角度上。

3 应用激光干涉仪对机床精度进行检测和补偿3.1 激光干涉仪简介激光具有高强度、高度方向性、空间同调性、窄带宽和高度单色性等优点。

目前常用来测量长度的干涉仪，主要是以迈克尔逊干涉仪为主，并以稳频氦氖激光为光源，构成一个具有干涉作用的测量系统。

激光干涉仪可配合各种折射镜、反射镜等来作线性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等测量工作，并可作为精密工具机或测量仪器的校正工作。

激光干涉仪测量数控机床位置精度摘要：激光干涉仪是一种以波长作为标准对被测长度进行测量的仪器，其主要测量功能在于线形、角度、垂直度、直线度、平面度等方面上应用，随着激光干涉仪测量技术的不断提高，测量软件的不断开发其测量范围越来越广泛，特别是在测量数控机床位置精度方面得到了广泛的应用。

数控机床位置精度，就是指一台机床的刀尖所能够达到控制系统程序设定的目标位置的能力，也是用户最为关注的技术指标及所能够满足加工精度的需求。

本文对利用激光干涉仪测量数控机床位置精度进行了论述，对测量环境、测量标准、测量前准备、测量方法等测量要素进行说明，特别对测量方法中仪器的安装调试、测量目标位置设定、数据采集移动方式、评定方法、分析数据等环节进行了详细的介绍，利用本文所述的测量方法，测量所得结果完全符合gb/t17421.2-2000技术要求。

关键词：激光干涉仪；机床位置精度；1 激光干涉仪测量原理激光器发射单一频率光束射入线性干涉镜，然后分成两道光束，一道光束（参考光束）射向连接分光镜的反射镜，而第二道透射光束（测量光束）则通过分光镜射入第二个反射镜，这两道光束再反射回到分光镜，重新汇聚之后返回激光器，其中会有一个探测器监控两道光束之间的干涉，如图1所示。

若光程差没有变化时，探测器会在相长性和相消性干涉的两极之间找到稳定的信号。

若光程差有变化时，探测器会在每一次光程变化时，在相长性和相消性干涉的两极之间找到变化信号，这些变化会被计算并用来测量两个光程之间的差异变化。

2 激光干涉仪的用途激光干涉仪是一种以波长作为标准对被测长度进行测量的仪器。

激光干涉仪是六十年代末期问世的一种新型的测量设备，由美国hp公司研制成功并于1970年投入市场，随即受到了相关行业特别是机床制造业的重视，其主要在：线形、角度、垂直度、直线度、平面度等方面上应用。

随着激光干涉仪测量技术的不断提高，测量软件的不断开发其测量范围越来越广泛，特别是在测量数控机床位置精度方面用途最为广泛。

运用激光干涉仪对数控设备进行精度补偿的方法杨娟(南京东华传动轴有限公司）摘要:数控机床精度是影响汽车零部件加工精度的一个直接原因，通过激光 干涉仪对数控机床的定位精度、重复定位精度、反向偏差进行检测和补偿，使机床达到最佳精度，从而保证产品的加工质量。

关键词：激光干涉仪数控机床定位精度反向偏差精度补偿1引言在汽车零部件加工领域，多数企业都是采用 数控设备加工零部件，数控机床精度是影响被加 工工件尺寸精度的一个直接原因。

提高工件加工 精度，首先要提高机床精度，影响数控机床精度的 主要因素为机床零部件和结构的几何误差，工件 的最终加工精度是由机床刀具与工件之间的相对 位移误差决定的。

数控机床的定位精度是指数控工 作台部件在要求的终点所达到的实际位置的精度，实际位置与理想位置之间的误差称为定位误差。

数 控机床的定位精度是评定机床性能的一项重要指 标，它决定数控机床各轴运动的准确程度。

定位精 度的检测目前主要采用激光干涉仪来进行，如测出 的定位精度超出精度误差时，可对数控机床定位精 度误差曲线进行分析，分析机床可能的误差源:机 床滚珠丝杠的螺距误差、齿条的齿距误差、编码器、滚珠丝杠轴承的端部浮动间隙、机床导轨的安装水 平等。

当这些误差源基本排除或调整到最小误差 后,如仍达不到精度要求，可进行误差补偿,使各轴 线的定位精度达到预定的目标值。

我公司的两台加工中心因精度无法满足生产 要求，进行大修后，需恢复其定位精度，本文针对使用激光干涉仪对加工中心精度补偿过程做一个介绍。

2激光干涉仪定位精度的测量原理以英国产Renishaw ML10激光干涉仪测量机 床线性定位精度为例，其测量原理如图1所示。

激 光束由ML10激光发射器产生，这一束单频激光 波长能够达到632.9906nm，在真空状态下，波长稳 定性在长时间范围内能够优于0.1pm。

当这一束激 光到达干涉镜时，它被分裂成反射光束②和发光 束③。

这两束光传播到反射镜后，都被反射到干涉 镜的同一位置，干涉镜对两个光束进行调制后，直 接把光束④传回到激光发射器中，从而使两束光 在检测器中产生干涉条纹。

激光干涉仪自动校准五轴加工中心及测量误差分析发布时间：2021-07-08T07:49:20.450Z 来源：《防护工程》2021年7期作者：汤李炳[导读] 近年来，我国的综合国力的发展迅速，激光干涉仪是用特定、稳定的激光束和波长，来测量位移的高精密测量系统。

五轴加工中心的技术含量高、精度高，用于加工复杂零件的高效率的自动化机床，除了X、Y、Z三个基本直线轴外，还有A轴转头和B轴转台。

其准确度按照国家标准和技术规范来评定，常见的如两点法、最小二乘法、VDI3441技术规范、国家标准GB10931等。

汤李炳浙江凯达机床股份有限公司浙江诸暨 311800摘要：近年来，我国的综合国力的发展迅速，激光干涉仪是用特定、稳定的激光束和波长，来测量位移的高精密测量系统。

五轴加工中心的技术含量高、精度高，用于加工复杂零件的高效率的自动化机床，除了X、Y、Z三个基本直线轴外，还有A轴转头和B轴转台。

其准确度按照国家标准和技术规范来评定，常见的如两点法、最小二乘法、VDI3441技术规范、国家标准GB10931等。

要保证加工中心的指标在要求的范围内，才能达到的最理想的加工准确度，若偏差超出范围，那么加工零件的质量就得不到有效控制。

激光干涉仪自动测量机床的误差后，可通过手动输入或连接ＲS232接口对线性误差进行自动补偿。

如此自动循环的重复测量、补偿后，可以改善加工中心的运动位置偏差，使其达到最佳状态。

本文还对影响激光干涉仪测量误差的常见因素进行了简单分析。

如激光束和镜组与数控轴保持准直(即与运动轴平行)，即余弦误差，激光束与运动轴之间没有准直造成测量值与实际值的差异;阿贝误差的存在，是因为测量方法不满足阿贝原则“测量轴线在基准轴线的延长线上”的定义;回转轴与分度器不同心或不平行引起的弧秒或正弦误差。

关键词：激光干涉仪；自动校准五轴加工中心；测量误差分析引言加速度计正在被越来越多地应用于机械制造、车辆船舶、航空航天等众多科研和工程领域。

API激光干涉仪直线轴使用校验操作方法二、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:(1No.1320 各轴的正向软限位。

(2No.1321各轴的负向软限位。

(3No.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。

(4No.1851 各轴的切削进给反向间隙补偿量,单位μm。

(5No.1852 各轴的快速进给反向间隙补偿量,单位μm。

(6No.3620 各轴参考点的螺距误差补偿号码,范围:0~1023。

(7No.3621各轴负方向最远端的螺距误差补偿号码,范围:0~1023。

(8No.3622各轴正方向最远端的螺距误差补偿号码,范围:0~1023。

(9No.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。

(10No.3624 各轴螺距误差补偿点的间距,即螺距,范围:0~99999999.(11No.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。

基于激光干涉仪的FANUC系统VMC的定位精度检测与误差补偿周丽霞;周树强;覃琴【摘要】利用英国雷尼绍公司生产的MLIO激光干涉仪，对配有FANUC 0i数控系统的立式加工中心进行误差数据采集，通过激光干涉仪配套软件绘制定位误差曲线，并生成误差补偿数据，将误差补偿数据输入FANUC 0i系统，可以显著提高机床的加工精度。

%Using Renishaw ML10 laser interferometer can measure the practice error data in FANUC 0i system VMC machine,draw the positioning accuracy error curve, and create dates of error compensation, which are interred into FANUC 0i system for improving the processing precision of CNC machine.【期刊名称】《机电工程技术》【年(卷),期】2015(000)010【总页数】4页(P94-96,122)【关键词】FANUC数控系统;激光干涉仪;误差补偿【作者】周丽霞;周树强;覃琴【作者单位】成都航空职业技术学院，四川成都610100;成都航空职业技术学院，四川成都 610100;成都航空职业技术学院，四川成都 610100【正文语种】中文【中图分类】TH17随着数控加工中心的广泛应用，对零件加工精度要求也越来越高，数控机床的精度也有了更高的要求。

为了保证加工质量，对数控机床的定位精度进行检测和补偿是最根本的，由于本文中的半闭环系统机床的定位精度主要是受到滚珠丝杠精度的影响，滚珠丝杠的精度主要受到制造误差和使用磨损的影响[1-2]，所以通过对数控机床进行定期检测，并对数控系统进行正确螺距误差补偿，来提高数控机床的加工定位精度。

利用激光干涉仪对数控直线电机进给定位误差补偿直线电机在机床进给伺服系统中的应用，近几年来已在世界机床行业得到重视。

在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与原旋转电动机传动的最大区别是取消了从电动机到工作台（拖板）之间的一切机械中间传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零。

这种传动方式被称为“零传动”。

正由于这种“零传动”方式，带来了原旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和一定优点。

提高直线电机进给系统的定位精度是实现其在数控机床应用的关键之一。

因而, 对直线电机进给定位误差进行测试和补偿是至关重要的。

激光干涉仪是国际机床标准中规定使用的检测验收数控机床定位精度的测量设备。

本文介绍了应用双频激光干涉仪测试数控直线电机进给的定位误差方法。

并利用最小二乘法分别建立定位误差的线性模型、分段线性模型、多项式模型，并对数控直线电机进给的定位误差进行补偿，研究表明采用软件补偿的方法可以较大地提高直线电机进给的定位精度。

直线电机进给定位精度测试方法直线电机进给产生定位精度误差因素很复杂，主要因素有：（1）光栅尺的制造及安装误差，光栅尺的运动部分及固定部分分别安装在进给单元的动子及定子底板上，产生一定的线性误差在所难免；（2）直线电机存在的边端效应使进给单元两端的力特性发生变化，影响进给平台制动，从而产生定位精度误差；（3）环境对定位精度误差产生的随机误差，由于没有采用隔震地基，周边环境的随机振动都会传递到进给单元及激光干涉仪，从而产生误差。

直线电机进给定位精度测试采用SJ6000 激光干涉仪测试。

SJ6000激光干涉仪是为机床检定提供了一种高精度标准,它准确度高,测量范围大(线性测长80m) , 测量速度快(4m/s) , 分辨力高(1nm) ,便携性好。

更由于SJ6000激光干涉仪具备自动线性误差补偿功能,可方便恢复机床精度。

测试方法如下：1. 安装SJ6000激光干涉仪测量系统各组件(见图1) 。

2. 在需测量的直线电机进给坐标轴线方向安装光学测量装置。