同步测量节省了机床校准时间

邓涛

常规测量数控机床位移误差的方法是静态的－－-在每次测量间隔机器要停几秒钟稳定下来，然后采集定位数据。对于小间距或长行程机床的测量，这意味着需要相当可观的停机时间。而同样的测量，采用不间断的同步数据采集，仅需几分钟。事实上，不间断的同步数据采集还可以测量更多的点，提供更多的细节且省时间。譬如，如果每25毫米间隔要停5秒钟的话，1,250毫米的轴长以及5个来回的操作需要50分钟以上的时间。
4 o' y* [7 h1 }此外，静态定位误差通常是由于几何尺寸、导轨以及结构刚性引起的。而一般不测量的动态定位误差则是由伺服参数、谐振频率以及加速度或减速度引起的。换句话说，因为机床在采集数据前停下来了，这就遗漏了伺服或动态误差。理论上轨迹精度应该可以用动态位移误差表来改进，而不是静态位移误差表。对于模具制造商来说，这一点特别重要，因为必须要保证模具腔与多种表面组成的复杂几何形状完全一致。
位移测量手段
& x; e7 T1 L- y7 s+ E; [1881年Michelson 发明了干涉仪。他后来在1907年为此获得了诺贝尔物理奖。Michelson 干涉仪用白光作光源，并用了固定和可移动的反射镜。Michelson 干涉仪通过计算干涉条纹一直被用来测量距离或比较距离。随着激光的发明，单频的氦氖激光取代了白光作为光源，并用二个角锥棱镜代替了平面镜。
单频的氦氖激光束被一分束器分成二束光，一半光束通过一可移动的角锥棱镜，另一半则反射到一固定的角锥棱镜。二反射光束回来时在分束器相遇。将所有光路精密地调准后，这二相遇的光束就相互干涉，并产生干涉条纹。用一小面积的光电探测器计数条纹。每一周期的强度变化表示可移动角锥棱镜行程的半波长。假如已知激光的波长，那么可移动角锥棱镜行程也可精确地得到。单频干涉仪的问题是对于噪声太敏感。因此，从移动中无法辨别电噪声还是增益漂移。
( r1 W5 ^+ y. s# {3 \3 G4 ]  c5 W双频的干涉仪使用一双频的氦氖激光器，将二个不同频率光束混合后产生一载波频率。因此，携带的距离信息是以交流波形式而不是直流波形式。双频干涉仪的问题是需要笨重的永磁铁以及精密的光学元件以稳定激光频率，保持偏振，并使回到激光谐振腔的散射光减到最小。由于该系统体积笨重，并有大量的光学元件，因此测量时大部分机床需要打开机床罩。
2 t) B# E  R( F/ O5 H6 j( U激光多普勒校准系统
激光多普勒校准系统使用一激光多普勒位移测量仪（LDDM），该系统结合了微波雷达技术、多普勒效应以及光学外差技术。LDDM采用了电光、光学外差工艺及相位解调器来得到移动角锥的位置信息。
LDDM是用一氦氖激光束照射一反射镜来测量位移的。当反射镜移动时被反射的激光束发生频率变化。由于被反射激光束的相位正比于反射镜的位置，因此可以测量得到位置的变化。
1 p$ F! s. j* y; ~" s对于LDDM来说，偏振及弥散光不是一个问题，也不需要精密的光学系统。镜子可以随意插入光路，简单的反射镜就可以用来反射激光束到任意的角度。
如何使用激光多普勒校准系统
要校准普通或者滚珠丝杆，在轴上放一刀片，马达驱动丝杆触发了位置传感器。例如可以用四个位置传感器来采集四套每转的数据。位置传感器送出一TTL脉冲到PCMCIA卡以触发数据采集。不间断地采集数据的关键是外部触发器和数据采集与TTL触发脉冲同步，也即同时采集数据。用四个位置传感器测得的典型的滚珠丝杆的螺距误差是每转0.2英寸。因此在超过20英寸的丝杆上每英寸可以测20个数据。在这个例子中，热膨胀误差比螺距误差小得多。
要校准数控机床的一个轴，将激光头放置在床身上，反射镜或者靶标被安置在主轴上。将激光束与常规静态的激光校准一样调整到平行与主轴。但是与通常每走一步要停5秒钟一直走到终点不同，现在将主轴调整到可以从开始一直连续移动到终点而不需要任何停止。
位置传感器可放置在滚珠丝杆上或者滚珠丝杆的转轮上。非接触的触发器固定在磁座上。触发器的刀片放置在丝杆的转轮上。转轮每转动一次，触发信号被送到PCMCIA卡以采集数据。有一些机床触发信号是来自机床的控制器或者编码器的输出。

                               
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" Q( U3 c& v& `( z) Y  E. e/ V每转4个 触发脉冲校准滚珠丝杆的示意图

                               
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实验过程
7 l: e3 [! ~# x5 S/ L用一带高数据速率PCMCIA界面卡以及外触发器的多普勒系列的激光校准系统，以每秒10,000数据速率不停地同步采集数据。大气压力传感器、空气温度传感器及材料温度传感器可以自动补偿波长变化带来的测量误差，材料的热膨胀在激光系统的标准以内。LDDM的激光头放在工作平台上，而反射镜安置在垂直加工中心的主轴上。一个非接触的触发器被固定在一磁座的杆上，而一触发刀片则固定在转轮上。
用一带有高速PCMCIA卡的笔记本电脑采集数据。用一特制的电缆将LDDM处理器的输出与PCMCIA卡连接，触发器的信号连接到LDDM处理器。在LDDM软件的主菜单中，2-D时间基数按钮是用来为数据采集设置的。可选择数据速率、时间间隔以及外触发器。最大的速度是每秒5米，最高的数据速率是每秒10,000个数据。从触发脉冲到位移读出之间的数据寿命小于100纳秒。
在实验中，二个激光头放置在Y轴方向分开4.25英寸（10.8厘米）距离。位移数据先用常规的静态数据采集方法采集，每2英寸停一下，整个行程18英寸。最大误差为 0.02英寸，反向间隙0.005英寸。
0 p( Q' y8 S9 f7 U# ~然后同样设置，而用不停顿同步外触发器采集位移数据。用0.2英寸的间隔，整个行程19英寸，走了至少5个来回采集了数据。
不停顿同步采集了二套LDDM位移数据。通过二个位移误差的差值除以分开距离，可以计算出角度误差。最大的角度误差为8.5弧秒。最大的直线读误差为0.00012英寸。
与静态采集的数据相比，同步采集的数据的结果是相似的，但具有更详细的信息。用此位移数据去补偿机床的误差，要比常规静态采集的数据补偿的结果更好。此外，使用同步数据采集可以节省时间，特别是对于小间隔或大型机床的测量更是如此。
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