一种新型激光测量仪在X-Y工作台定位误差动态测量和补偿中的应用

    随着高精密加工技术的不断发展,人们对数控机床的加工精度提出了越来越高的要求。如何方便实用地提高机床的定位精度是现在各方面都在研究的课题。而正确的测出机床的定位误差和采用合适的误差补偿方法进行定位误差的补偿是提高数控机床定位精度的关键。

    1 X-Y工作台定位误差的动态测量

    为了满足现代高精密加工定位精度的要求,高精度的位移测量方法得到了快速的发展,现在常用的测量仪器主要有高精密的长光栅、磁栅等。但长光栅由于安装等因素的影响,平行度误差较大,使测量精度降低;而磁栅由于录磁信号强度随时间的延长而不断的变弱,需要重新录磁,给使用带来了不便,在实际生产中应用不多。近年来,激光技术因其准确度高、动态响应快、测量范围大、非接触测量等优点得到了越来越广泛的应用。

    1.1 激光测量仪OFV-5000的测量原理

    该新型激光测量仪包括激光信号传感器OFV-505和测量控制器OFV-5000两部分。OFV-5000激光测量仪利用外差干涉原理来获得机械振动或瞬时运动过程的特性。利用这种干涉计,能够在示波器上产生一种高频载波信号。在进行振动测量时,用一束氦氖激光打到被测物体上,然后再散射回测量仪。由于氦激光的多普勒效应,振动物体的速度和振幅信号会变成经激光调制的频率和相位信号。在信号处理过程中选择合适的解码器可以恢复调制信号。多普勒的频率调制信号可以恢复为速度信号,相位调制信号可以重构为位移信号。两种信号产生途径的示意图如图1所示。

    1.2 X-Y工作台定位误差的动态测量原理

    X-Y工作台的定位误差是指工作台在指定输入的情况下,其输出的实际位移与理论位移之间的差值。它主要包括电机的控制误差和滚珠丝杠的螺距误差两部分,以及摩擦和热变形等影响因素产生的误差。作者通过采用伺服电机和改进控制算法提高了系统的控制精度,尽可能的减小了由于控制因素引起的系统的定位误差。因此滚珠丝杠的螺距误差就成为影响工作台定位精度主要的因素,它包括周期误差、累积误差和随机性误差三部分内容,其中累积误差又是引起定位误差最主要的因素。

    滚珠丝杠螺距误差动态测量的基本原理是用滚珠丝杠的实际螺旋线与标准螺旋线相比较的方法来获得被测滚珠丝杠的实际螺距误差。图2为动态测量丝杠螺距误差的原理示意图。于是可以得到滚珠丝杠的螺距误差为:

    式中:e为螺距误差;