以激光向量技術(shù)進(jìn)行三維空間定位誤差測量與補償
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I. 簡(jiǎn)介
CNC機床可由包含直線(xiàn)位移誤差、直線(xiàn)度誤差、角度誤差及彈性誤差的空間定位準確度來(lái)測得CNC機床的性能或準確度。然而這些誤差的測量相當復雜且耗時(shí)，針對這些原因，一些國際標準如ISO 230-6及ASME B5.54[1]建議以體對角線(xiàn)位移測量來(lái)作空間性能的快速檢驗，這是因為體對角線(xiàn)對于所有的誤差組成相當靈敏，因此當誤差超過(guò)規范，就沒(méi)有足夠的資料能夠來(lái)鑒別誤差源及作補償。
近年來(lái)，由光動(dòng)公司所發(fā)展出新的激光向量技術(shù)[2,3]，可利用激光位移量尺（LDDM）針對這些包含三項位移誤差、六項直線(xiàn)度與三項垂直度誤差的空間誤差來(lái)做測量。使用這項激光向量測量技術(shù)，已在亞崴型號為FV-1000的立式切削中心測量得到相關(guān)數據。
II. 體對角線(xiàn)位移測量
體對角線(xiàn)位移測量方式被建議用來(lái)作機器定位及幾何準確度的快速檢驗。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，類(lèi)似于激光直線(xiàn)位移測量，取代了激光光束在軸向的指向，而是作體對角線(xiàn)方向的指向，固定反射鏡在主軸上，并沿著(zhù)體對角線(xiàn)方向移動(dòng)主軸，從零點(diǎn)位置開(kāi)始，并使三軸沿著(zhù)對角線(xiàn)方向以增量同動(dòng)到新的位置，則位移誤差可被測得。沿著(zhù)對角線(xiàn)任一位置的準確度是依據三軸的定位準確度來(lái)決定，這準確度包含直線(xiàn)度誤差、角度誤差及垂直度誤差。因此體對角線(xiàn)位移測量是一種機器驗證的良好方法，但并沒(méi)有足夠的信息可以來(lái)鑒別誤差源。
III. 向量或分段對角線(xiàn)測量
新的向量測量方法或分段對角線(xiàn)測量方法不同于傳統的方法，因為各軸的是分開(kāi)移動(dòng)的，且定位誤差是在每次X軸、Y軸及Z軸各自移動(dòng)后采集，基于這個(gè)理由，可采集到三倍多的資料，同時(shí)定位誤差因為各軸各自移動(dòng)，可分離出來(lái)，這些采集到的資料可當作各軸沿著(zhù)對角線(xiàn)位移的投影來(lái)作處理。
一般的體對角線(xiàn)位移測量，標靶軌跡是直線(xiàn)，并且以角方鏡來(lái)作標靶，因此只能容許較小的側向位移。向量方法，變成分別沿著(zhù)X軸、Y軸及Z軸作移動(dòng)，重復這些動(dòng)作直到對角線(xiàn)的相對端點(diǎn)。激光干涉儀是單光束激光，并以平面鏡當作標靶，注意到當以平面鏡當作標靶時(shí)，當移動(dòng)平行平面鏡時(shí)，激光光束并不會(huì )被遮斷及改變與光源的距離，所以測量不會(huì )受到影響。因此可測量激光方向的移動(dòng)及容許較大的標靶側向移動(dòng)。
IV. 亞崴機器上的測量
測量在亞崴型號FV-1000的立式切削中心上進(jìn)行，FV-1000是針對高速模具加工所設計，具強化肋的厚鋼鐵結構，提供機器較佳的剛性及防止任何可能影響切削準確度的彎曲或扭轉。門(mén)柱是一體成形鑄造可以符合較大的切削性能及吸收振動(dòng)，門(mén)柱鎖在床臺頂部以確保最佳準確度的調校與垂直度，并可符合最大的剛性。機器工作空間是1050mm乘上600mm乘上540mm，控制器為Fanuc 18M。
V. 激光向量方法、測量與補償
1. 激光測量系統
激光校驗系統為激光都普勒位移量尺（LDDM），由美國光動(dòng)公司所制造，型號為MCV-500。它是新一代應用都普勒效應的單光束激光干涉儀，此系統具調整鏡，容易操控激光光束到對角線(xiàn)方向。
在機器移動(dòng)部的標靶為一75×100mm的平面鏡，空氣溫度及壓力可被測得并可補償機器的熱膨脹，自動(dòng)資料采集，誤差分析及自動(dòng)產(chǎn)生補償表，這些皆在光動(dòng)公司LDDM版本2.50的窗口軟件上執行。
2.架設與調校
應用激光向量方法，機器可沿著(zhù)四條體對角線(xiàn)進(jìn)行測量，激光頭固定于機器床臺上，并使用調整鏡來(lái)調校激光光束使其平行對角線(xiàn)，平面鏡則固定于主軸上，并使其表面與激光光束垂直，如圖1所示，機器可設計工件程序使主軸由起始端點(diǎn)到相對端點(diǎn)移動(dòng)。
亞崴立式切削中心外觀(guān)及激光在床臺與平面鏡在主軸上的分段對角線(xiàn)測量架設照片
測量資料會(huì )由LDDM的窗口軟件在每次機器停止或各單軸移動(dòng)后自動(dòng)采集，誤差資料由LDDM軟件分析，而每一軸的誤差會(huì )自動(dòng)計算，應用這些誤差亦可自動(dòng)產(chǎn)生誤差補償表，在此次試驗中，機器不具任何誤差補償、具節距誤差補償、具空間誤差補償的這幾筆測量資料皆會(huì )被采集到。
4. 測量結果
機器在不具任何補償時(shí)的體對角線(xiàn)位移誤差如圖2所示，其中對角線(xiàn)的方向以對角線(xiàn)的正向或反向增量表示。
不具任何補償的四條體對角線(xiàn)位移誤差，總誤差為110mm
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