以激光向量技术进行三维空间定位误差测量与补偿

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摘要

因应今日全球制造市场的竞争，需要借助于更高准确度及更好品质的机床，因此只是校验及补偿三项位移误差（节距误差）是不足够的，如果能测得空间定位准确度，则所有三项位移误差、六项直线度误差及三项垂直度误差能被测量及补偿。

近年来，光动公司已经发展出针对包含三项位移误差、六项直线度误差及三项垂直度误差空间误差的激光向量测量技术，整个测量仅需几小时，取代了传统测量需耗费几天的时间。使用激光向量测量技术，已经于亚崴配载Fanuc 18M控制器型号为FV-1000的立式加工中心上测得其空间定位误差。在没有任何补偿条件下，空间误差为110mm，在节距误差补偿条件下，空间误差为95mm，而在空间补偿条件下，空间误差则为12.5mm，整个改善了900%，关于此项技术的操作原理、硬件架构、资料采集与处理及一些测试结果将在本篇文章中做讨论。

I. 简介

CNC机床可由包含直线位移误差、直线度误差、角度误差及弹性误差的空间定位准确度来测得CNC机床的性能或准确度。然而这些误差的测量相当复杂且耗时，针对这些原因，一些国际标准如ISO 230-6及ASME B5.54[1]建议以体对角线位移测量来作空间性能的快速检验，这是因为体对角线对于所有的误差组成相当灵敏，因此当误差超过规范，就没有足够的资料能够来鉴别误差源及作补偿。

近年来，由光动公司所发展出新的激光向量技术[2,3]，可利用激光位移量尺（LDDM）针对这些包含三项位移误差、六项直线度与三项垂直度误差的空间误差来做测量。使用这项激光向量测量技术，已在亚崴型号为FV-1000的立式切削中心测量得到相关数据。

II. 体对角线位移测量

体对角线位移测量方式被建议用来作机器定位及几何准确度的快速检验。简单来说，类似于激光直线位移测量，取代了激光光束在轴向的指向，而是作体对角线方向的指向，固定反射镜在主轴上，并沿着体对角线方向移动主轴，从零点位置开始，并使三轴沿着对角线方向以增量同动到新的位置，则位移误差可被测得。沿着对角线任一位置的准确度是依据三轴的定位准确度来决定，这准确度包含直线度误差、角度误差及垂直度误差。因此体对角线位移测量是一种机器验证的良好方法，但并没有足够的信息可以来鉴别误差源。

III. 向量或分段对角线测量

新的向量测量方法或分段对角线测量方法不同于传统的方法，因为各轴的是分开移动的，且定位误差是在每次X轴、Y轴及Z轴各自移动后采集，基于这个理由，可采集到三倍多的资料，同时定位误差因为各轴各自移动，可分离出来，这些采集到的资料可当作各轴沿着对角线位移的投影来作处理。

一般的体对角线位移测量，标靶轨迹是直线，并且以角方镜来作标靶，因此只能容许较小的侧向位移。向量方法，变成分别沿着X轴、Y轴及Z轴作移动，重复这些动作直到对角线的相对端点。激光干涉仪是单光束激光，并以平面镜当作标靶，注意到当以平面镜当作标靶时，当移动平行平面镜时，激光光束并不会被遮断及改变与光源的距离，所以测量不会受到影响。因此可测量激光方向的移动及容许较大的标靶侧向移动。

IV. 亚崴机器上的测量

测量在亚崴型号FV-1000的立式切削中心上进行，FV-1000是针对高速模具加工所设计，具强化肋的厚钢铁结构，提供机器较佳的刚性及防止任何可能影响切削准确度的弯曲或扭转。门柱是一体成形铸造可以符合较大的切削性能及吸收振动，门柱锁在床台顶部以确保最佳准确度的调校与垂直度，并可符合最大的刚性。机器工作空间是1050mm乘上600mm乘上540mm，控制器为Fanuc 18M。

V. 激光向量方法、测量与补偿

1. 激光测量系统

激光校验系统为激光都普勒位移量尺（LDDM），由美国光动公司所制造，型号为MCV-500。它是新一代应用都普勒效应的单光束激光干涉仪，此系统具调整镜，容易操控激光光束到对角线方向。

在机器移动部的标靶为一75×100mm的平面镜，空气温度及压力可被测得并可补偿机器的热膨胀，自动资料采集，误差分析及自动产生补偿表，这些皆在光动公司LDDM版本2.50的窗口软件上执行。

2.架设与调校

应用激光向量方法，机器可沿着四条体对角线进行测量，激光头固定于机器床台上，并使用调整镜来调校激光光束使其平行对角线，平面镜则固定于主轴上，并使其表面与激光光束垂直，如图1所示，机器可设计工件程序使主轴由起始端点到相对端点移动。

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图1 亚崴立式切削中心外观及激光在床台与平面镜在主轴上的分段对角线测量架设照片

3. 空间误差资料采集与分析

测量资料会由LDDM的窗口软件在每次机器停止或各单轴移动后自动采集，误差资料由LDDM软件分析，而每一轴的误差会自动计算，应用这些误差亦可自动产生误差补偿表，在此次试验中，机器不具任何误差补偿、具节距误差补偿、具空间误差补偿的这几笔测量资料皆会被采集到。

4. 测量结果

机器在不具任何补偿时的体对角线位移误差如图2所示，其中对角线的方向以对角线的正向或反向增量表示。

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图2 不具任何补偿的四条体对角线位移误差，总误差为110mm

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机器在不具任何补偿时所测得的最大对角线位移误差为110mm，同样地，机器在具节距误差补偿时的体对角线位移误差如图3所示，在此其最大位移误差为95mm，改善率为15%，而机器在具空间误差补偿时的体对角线位移误差如图4所示，其最大位移误差为12.5mm，改善率为900%。

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图3 具节距误差补偿的四条体对角线位移误差，总误差为95mm，只有较小的改善

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图4 具空间误差补偿的四条体对角线位移误差，总误差为12.5mm，改善了900%。

VI. 讨论与总结

总结前面所述，我们已在亚崴的立式切削中心上完成向量测量与空间补偿，亚崴的立式切削中心的空间定位准确度可获得改善超过900%，在此可注意到如果只作节距误差补偿，则仅改善15%，因此只作节距误差补偿是不足够的，能够同时补偿节距误差及直线度误差是相对重要的。

此外激光向量测量仅需2到4小时，大大取代了一般激光干涉仪需要20到40小时去测量的时间，激光架设相当简单，并且资料可自动采集，数据处理与补偿文件产生皆为自动，排除手动操作并减少误差，因此毋需经验丰富的工程师，机器操作者在接受训练后即可操作激光校验及校验。