激光干涉仪在几何误差软件补偿技术上的实践
本帖最后由 szzhongtu5 于 2022-4-6 09:16 编辑本文原载于《内蒙古教育》，作者：广东省工商高级技工学校 温剑艺
摘要：本文介绍了三轴立式数控铣床几何误差的检测方法、建模理论、软件补偿技术，利用中图仪器SJ6000 激光干涉仪在不改变机床的硬件的前提下对 ZXK-32D 三轴立式数控铣床的几何误差进行测量、建模，实施误差补偿，验证几何误差软件补偿技术。
零件的制造、设备安装和保养及长时间运行零件间的相互摩擦造成的磨损等导致机床几何误差产生，是加工精度降低的主要因素。为了提高机床的加工精度，需要对机床进行几何误差补偿。有研究表明，数控机床在温度变化影响不大的情况下几何误差较为稳定，因此，提高机床精度可采取误差补偿的方式。对于误差的产生、检测和补偿国内外很多学者进行了深入的研究分析 , 并在各自的理论基础上分别建立了数控机床几何误差运动数学模型和误差辨识模型 , 为误差补偿的研究实践提供了方向。
一、三轴立式数控铣床几何误差检测方法
机床的几何误差是机床结构系统的误差，即为几何误差，包括机床各部件工作表面的几何形状和相互位置误差、零件尺寸误差和装配误差。三轴立式数控铣床几何误差理论上可达21种。从目前认可的研究结果来看，误差辨识方法主要有几类 : 单项误差直接测量、综合误差测量和间接测量法。
（一）单项误差直接测量法
单项误差直接测量法是利用相关测量仪器依据测量基准 , 对数控机床的各项几何误差逐一测量 , 即可得到分离的单项几何误差参数，适用于一些传统的检测量具。例如，可利用电子水平仪测量数控机床的剩余转角误差 ，可利用激光干涉仪装置测量数控铣床的直线性误差。
（二）综合误差测量参数辨识法
综合误差测量参数辨识法是采用“数学辨识模型 + 特定点空间位置误差”测量机床在运行正常的情况下出现的误差，并获得单项误差数据。综合误差辨识是先通过数学建模 , 然后基于模型对其测量点的综合误差进行分离辨识 , 从而间接 得到机床各项几何误差离散值。
二、三轴立式数控铣床几何误差的建模理论
按认可的观点，误差建模是三轴数控铣床误差测量、误差补偿的关键。根据多体系统运动学理论和拓扑结构理论， 把三轴立式数控铣床结构建立结构示意图（如图１所示）和抽象的拓扑结构图（如图２所示），可以以立柱、床身（固 定轴１）为基础建立2个分支和3个运动轴，两个分支终端是工件４和刀具６。
三、几何误差软件补偿技术
几何误差软件补偿技术是一种直接作用于机床的误差补偿方法，通过对数控机床加工指令进行修改达到提高加工精度、减少几何误差的目的。目前，数控机床几何误差补偿多采取软件补偿的方法，分数控程序算法修正和控制器修正。控制器补偿可分为嵌入软件和参数修正。数控程序算法修正是指将程序在数控加工环节和后处理环节中的处理，数控程序补偿可分为后处理器和数控指令修正。
三轴立式数控铣床是通过数控指令控制刀具的切削运动。基于多体系统理论，采取软件补偿的方法对数控指令进行实时修正，实时调整刀具中心运动提高加工精度。几何误差补偿软件补偿可分为仿真模块、建模模块、补偿模块、测量模块四部分，其原理是通过误差补偿软件修改数控指令，用修正后的数控指令驱动数控机床，调整刀具中心运动轨迹，减少刀尖实际位置与理论位置之间的误差，提高加工精度。其中，仿真模块是利用 UG、CAXA 等软件可快速、直观对比补偿前后程序的仿真效果 ；建模模块是通过设置一系列的参数（如机床切削参数、刀具尺寸、设置坐标系等）实现三轴数控机床误差模型的建立 ；补偿模块是依据测量的误差数据和误差补偿模型补偿或者修正导入数控程序的误差 ；测量模块是通过检测获取原始数据，包括 X 轴几何误差、Y 轴几何误差、Z 轴几何误差、垂直几何误差。
四、激光干涉仪测量与建模
激光干涉仪测量一般属于一维的准静态测量方法。激光干涉仪可在较快的位移速度下测量较大的距离，测量精度高， 一般为 0.1μm，可用于检测直线度、垂直度、俯仰与偏摆、平面度、平行度等几何误差。激光干涉仪稳定性好，抗干扰能力强，能对测量数据进行自动处理，适合在一般车间条件下使用。
本次使用的中图仪器 SJ6000 激光干涉仪不仅能自动测量机器的误差，还能通过 RS232 接口自动对其线性误差进行补偿，比通常的补偿方法节省了大量时间，避免了手工计算和 手动数控键入而引起的操作者误差。同时还可选用被测轴上的补偿点数，使机床达到zui佳精度。另外操作者无需具有机床参数及补偿方法的知识。激光干涉仪 , 可以对 X、Y、Z 三轴进行分别测量，可以测得滚动、偏摆、俯仰以及位置度误差。操作如下 ：
X 轴测量 ：固定 Y 轴和 Z 轴，X 轴从 A0 点移动到 A 点， 测取数值。
Y 轴测量 ：固定 X 轴和 Z 轴，Y 轴从 B0 点移动到 B 点， 测取数值。
Z 轴测量 ：固定 X 轴和 Y 轴，Z 轴从 C0 点移动到 C 点， 测取数值。
五、软件补偿技术的应用
ZXK-32D 三轴立式数控铣床曾经被洪水浸泡，同时维护保养跟不上，长久使用后精度明显降低。本次实验旨在尝试提高数控铣床精度，在不改变机床的硬件的前提下，对其进行建模测量和实施误差补偿，分别比较验证软件补偿前后加工数据，以判断软件补偿技术是否有效。
ZXK-32D 型三轴立式数控铁床（广州数控机床有限公司） 的基本参数为 ：工作台面积(宽×长 )320mm×900mm ；型槽（槽数 - 槽宽 × 槽距）3-14×100 ；工作台承载工件重量 300kg ；工作台左右行程（X 向）550mm ；工作台前后行程 （Y 向）320mm ；主轴箱上下行程（Z 向）300mm ；主轴端面距工作台面距离 50~350mm ；主轴中心线至立柱导轨面距离 300mm ；主轴锥孔MT4 主轴电机功率 1.5/2.2KW ；主轴转速范围 (6 级 ) 265~1815 r.p.m ；进给速度 1~1500 mm/min ；快速移动速度３m/min；线性坐标的定位精度 X/Y/Z：0.04/0.03/0.03 mm ；线性坐标的重复定位精度 X/Y/Z ：0.02/0.015/0.015 mm。
综合考虑各种因素，本次三轴数控铣床的几何误差的设备使用中图仪器 SJ6000 激光干涉仪采用直接测量法。试验零 件如图3所示，具体毛坯参数：200mm×200mm×30mm，铝。零件加工中的具体参数为 ：直柄键槽铣刀 Φ10mm，三轴数控铣床主轴转速 1000 r/min，切削进给速度为 80 mm/min。在 进行零件加工的时候，为了降低切削力误差造成影响，前后两次零件的试切均选择小切削量低速进给的加工方法。
直线度值的测量选用 DRAGON1075 型手动三坐标测量机，测量点选择如图 3 所示，工件四边直线 (1,2,3,4) 和工件 对角线（5-7,6-8）。点心偏差的测量则选取Ⅰ点中心建立一个局部坐标系，再在Ⅱ点、Ⅲ点、Ⅳ点分别测量相对位置， 在加工测量前后注意比较理想坐标值和实际测量的坐标值， 验证试验工件的相关参数，如表 2 所示。
从以上两个表格数据可以看出，数控机床在几何误差软件补偿后，机床直线加工精度和定点运动精度都得到了提高。
六、结束语
实践证明，本次将软件补偿技术应用到三轴立式数控铣床几何误差的修正中，虽然受到检测设备成本和检测补偿技术水平的限制没能从各个方面做出更详细检测和补偿，但数据结果显示，软件补偿技术能有效提高机床的加工精度。
大爱工业工程 吊炸了！哈哈 楼主知道一个网站叫安迪国际么？用度娘SO一下吧 路过，学习下 逐句地看完这个帖子以后，我的心久久不能平静，震撼啊！为什么会有如此好的帖子！我纵横网络bbs多年，自以为再也不会有任何帖子能打动我，没想到今天看到了如此精妙绝伦的这样一篇帖子。楼主，是你让我深深地理解了‘人外有人，天外有天’这句话。谢谢侬！在看完这帖子以后，我没有立即回复，因为我生怕我庸俗不堪的回复会玷污了这网上少有的帖子。但是我还是回复了，因为觉得如果不能在如此精彩的帖子后面留下自己的网名，那我死也不会瞑目的！能够在如此精彩的帖子后面留下自己的网名是多么骄傲的一件事啊！楼主，请原谅我的自私！我知道无论用多么华丽的辞藻来形容楼主您帖子的精彩程度都是不够的，都是虚伪的，所以我只想说一句：您的帖子太好看了！我愿意一辈子的看下去！这篇帖子构思新颖，题材独具匠心，段落清晰，情节诡异，跌宕起伏，主线分明，引人入胜，平淡中显示出不凡的文学功底，可谓是字字珠玑，句句经典，是我辈应当学习之典范。就小说艺术的角度而言，这篇帖子不算太成功，但它的实验意义却远远大于成功本身。正所谓：“一马奔腾，射雕引弓，天地都在我心中！”楼主真不愧为无厘界新一代的开山怪！本来我已经对这个社区失望了，觉得这个社区没有前途了，心里充满了悲哀。但是看了你的这个帖子，又让我对社区产生了希望。是你让我的心里重新燃起希望之火，是你让我的心死灰复燃，是你拯救了我一颗拨凉拨凉的心！本来我决定不会在社区回任何帖子了，但是看了你的帖子，我告诉自己这个帖子是一定要回的！这是百年难得一见的好贴啊！苍天有眼啊，让我在优生之年得以观得如此精彩绝伦的帖子！看完楼主的帖子，我的心情竟是久久不能平复，正如老子所云：大音希声，大象希形。我现在终于明白我缺乏的是什么了，正是楼主那种对真理的执着追求和楼主那种对理想的艰苦实践所产生的厚重感。面对楼主的帖子，我震惊得几乎不能动弹了，楼主那种裂纸欲出的大手笔，竟使我忍不住一次次的翻开楼主的帖子，每看一次，赞赏之情就激长数分，我总在想，是否有神灵活在它灵秀的外表下，以至能使人三月不知肉味，使人有余音穿梁，三日不绝的感受。楼主，你写得实在是太好了。我唯一能做的，就只有把这个帖子顶上去这件事了。楼主的帖子实在是写得太好了。文笔流畅，修辞得体，深得魏晋诸朝遗风，更将唐风宋骨发扬得入木三分，能在有生之年看见楼主的这个帖子。实在是我三生之幸啊。看完楼主的这个帖子之后，我竟感发生出一种无以名之的悲痛感――啊，这么好的帖子，如果将来我再也看不到了，那我该怎么办？那我该怎么办？直到我毫不犹豫的把楼主的这个帖子收藏了。我内心的那种激动才逐渐平复下来。可是我立刻想到，这么好的帖子，倘若别人看不到，那么不是浪费楼主的心血吗？经过痛苦的思想斗争，我终于下定决心，我要把这个帖子一直往上顶，往上顶！顶到所有人都看到为止遇到你之前，我对人世间是否有真正的圣人是怀疑的；而现在，我终于相信了！我曾经忘情于汉廷的歌赋，我曾经惊讶于李杜的诗才，我曾经流连于宋元的词曲；但现在，我才知道我有多么浅薄！楼主你的高尚情操太让人感动了。在现在这样一个物欲横流的金钱社会里，竟然还能见到楼主这样的性情中人，无疑是我这辈子最大的幸运。让我深深感受到了人性的伟大。楼主的帖子，就好比黑暗中刺裂夜空的闪电，又好比撕开乌云的阳光，一瞬间就让我如饮甘露，让我明白了永恒的真理在这个世界上是真实存在着的。只有楼主这样具备广阔胸怀和完整知识体系的人，才能作为这真理的唯一引言者。看了楼主的帖子，让我陷入了严肃的思考中，我认为，如果不把楼主的帖子顶上去，就是对真理的一种背叛，就是对谬论的极大妥协。因此，我决定义无返顾的顶了说的好啊！我在这个论坛打滚这么多年，所谓阅人无数，就算没有见过猪走路，也总明白猪肉是啥味道的。一看到楼主的气势，我就觉得楼主同在论坛里灌水的那帮小混蛋有着本质的差别，那忧郁的语调，那熟悉的签名，还有字里行间高屋建瓴的辞藻。没用的，楼主，就算你怎么换马甲都是没有用的，你的亿万拥戴者早已经把你认出来了，你一定就是传说中的最强ID。自从论坛改版之后，我就已经心灰意冷，对论坛也没抱什么希望了，传说已经幻灭，神话已经终结，留在论坛还有什么意思。没想到，没想到，今天可以再睹楼主的风范，我激动得忍不住就在屏幕前流下了眼泪。是啊，只要在楼主的带领下，论坛就有希望了。我的内心再一次沸腾了，我胸腔里的血再一次燃烧了。楼主的几句话虽然简单，却概括扼要，一语道出了我们苦想多年的而不可得答案的几个重大问题的根本。楼主就好比论坛的明灯，楼主就好比论坛的方向，楼主就好比论坛的栋梁。有楼主在，论坛的明天必将更好！大师的话真如“大音希声扫阴翳”，犹如”拨开云雾见青天”，使我等网民看到了希望，看到了未来！晴天霹雳，醍醐灌顶或许不足以形容大师文章的万一；巫山行云，长江流水更难以比拟大师的文才！黄钟大吕，振聋发聩！你烛照天下，明见万里；雨露苍生，泽被万方！透过你深邃的文字，我仿佛看到了你鹰视狼顾，龙行虎步的伟岸英姿；仿佛看到了你手执如椽大笔，写天下文章的智慧神态；仿佛看见了你按剑四顾，江山无数的英武气概楼主发的的图片是如此的生动，如此的令人憧憬，如此的令人神往，它用最简单而直观的形式彻底而又充分的证明了作为基础科学的平面几何学的基本原理之一：平面里的两条直线只能有一个交点。楼主用心良苦，用一个如此吸引人的标题把广大读者的注意力集中到这个帖子上面来，为的是给我国10多亿人口普及平面几何原理，丰富大家的科普知识，充实群众的大脑，提高大众的科学文化水准，早日实现四个现代化作出了不可磨灭的贡献，楼主实在是诲人不倦，精卫填海，恩比天高。楼主所具备的这种毫不利己，专门利人的精神，不正是我们当代社会所最缺乏的可贵精神吗。其人格的伟大，精神的崇高，对社会的义务感，对世界的责任感，就如同楼主对自然科学的严谨态度一样，毫无保留的表现在楼主高尚的人格中，又流淌在楼主高贵的血液里。虽然我们没有机会亲眼目睹楼主高贵的体态，但从两条短短的直线之间我们还是能够依稀隐约窥视到楼主那伟岸的身躯，他犹如我们充满迷雾的人生航程之中的一座灯塔；又好似行走在穷山恶水之间的旅人看到的一座正冒着袅袅轻烟的驿站；又好比在伸手不见五指的黑夜之中摸索前进的人们的一盏指路明灯。总而言之，你就是红灯记中铁梅手中的那一盏红灯。是你，指引了我们革命的方向；是你，指明了我们前进的道路；是你，使我们的人生方向有了新的定义。你看那两条红红的直线，它们是如此又红又专，他们有着相同的长度和斜率，却又如此不同，简直是天作之合，天衣无缝，就算是上帝和如来也不能画出那么完美的线条。它们一个指着北极星的方向，另一个则指着大熊座的方向。不需要任何的度量工具，就是这么简单的两条直线，精确无误的指着数万光年之外的天体，他们的轨迹，穿越了太阳系，穿越了黑洞，穿越了第一次宇宙大爆炸形成的星系边缘，遁入了无尽的虚空，他们是人类第一次和其他平行宇宙智慧生物沟通的桥梁；也是传递人类友谊，渴望交流的情感的一扇大门。而他们的交点更是精妙，就在我们眼前的高12，宽8象素的方框之内。如此精确的计算，难道不是楼主用心良苦的结果吗？我们难道不该为楼主这种为科普奉献青春的精神所深深感动吗？我感动的热泪盈眶，这眼泪，毛主席逝世的时候没有流，周总理逝世的时候也没有流，就算当我看到我所挚爱的lyp gg 在《射雕》里面如此真实而完美的表演所感动时我都没有流。但是这一次，我流了，而且流的无怨无悔！这眼泪不为别的，就是为了楼主的精神所感动的！一个字:值！为了我国的全民四个现代化建设，流几滴眼泪算什么？今年是我的本命年，这个帖子是我今天看到的第一个帖子，我很庆幸这是我本命年的处男贴，它无疑给了我这一年的无比的信心，使我在今年的爱情关，事业观，世界观，人生观都发生了天翻地覆的变化，我圆满了！！为此，我决心把这一个珍贵的帖子好好保存下来，刻成dvd光盘，用钛合金做成保护盒，埋在南山的最高处，每年这个时候焚香祷告，感谢楼主给我的人生指明了新的方向，让我的人生充满了新的意义。如果楼主的心愿得以实现，那我相信只要读过楼主帖子看过楼主的贴图的朋友的人生都会充满就了新的意义。难道楼主想说明的仅仅是平面几何的一个原理吗？不！楼主赋予的是广大人民渴求知识，渴望为国家四化建设而贡献的激情。今天，我们感谢楼主，感谢你的帖子，为的是明天更好的学习自然科学，更好的为祖国建设出力！只要我们循着楼主的足迹，认真学习楼主的帖子，看楼主的贴图，那我们的理想还会远吗？祖国的繁荣还会远吗？让我们一起期待着这一天吧！ 好好 学习了 确实不错 不要看不起我... 我是个好孩子 不错，支持下楼主 不要看不起我... 我是个好孩子