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采用激光干涉仪实现数控机床 高精度直线度测量的数据处理问题 ■ 文／天津市检测技术研究所 天津市质量监督检验站第１ ２站高育强 作为天津市技术监督局计量认证及审查认可． 并获得了天津市技术监督局颁发的产品监督检验站 授权证书的质量监督部门，我站主要负责各类机床 端点拟合法 最小二乘法 端点拟合法是定义直线度基准线上的首、尾 及附件等六大类产品的检验工作。其中．数控机床 数据点。于是全部误差就是相对首尾连线划出的 是机床类的主导产品，而对于机床几何精度检验中 （参见图１）。这种方法与上述的直线度定义并不严 的关键项：线性运动的直线度，传统的测量手段（平 格一致．但有些用户喜欢这种方法，特别是用于直 尺、指示器、精密水平仪、角尺等）已远远不能适 线度误差的校正，因为坐标轴上的两个基准点很 应机床制造技术突飞猛进的发展的需要，由此诞生 容易确定。 Ｒ＾ ＳＴＲ ＧＨＴｌＩＥＳ：Ｄ闰＿Ａ 了采用激光干涉仪实现数控机床高精度直线度测量 ． ＴＰＵＥ ＳＴＰ刖ＧＨＴＮＩＥ：Ｓ ＥＮＤ Ｐ ｃｌＩＮＴ Ｆ盯 的方法。 我站于２００４年购买了英国Ｒｅｎｉｓｈａｗ （雷尼绍） 公司生产的ＭＬ１ ０ ＧＯＬＤ激光干涉仪及相关的直线度 测量组件．可实现短程：０．１～４．０ｍ（分辨率：０．０１ ｍ）、长程：１～３０ｍ（分辨率：０ １ ｍ）的测量． 真正实现数控机床高精度直线度测量。笔者通过日 量数据处理的一些经验介绍给大家。 图１端点拟合法分析 最小二乘法提供了一种更加严谨、准确的直线 到该线的距离之平方和为最小（沿和纵坐标或Ｙ轴 常检测使用以及积累的测量经验，将有关直线度测 度基准的定义。在该方法中，基准线被定义为数据点 任何坐标轴的直线度误差都可被定义为两条平 平行的方向测量，参见图２）。 行线之间的距离，它包容了坐标轴上的所有测量数 据，并且和坐标轴的总方向平行。 ＴＲＵＥ ＳＴＲＡ ＨＴＮＥＳＳ ＬＥ￣＊ＳＴ Ｓ０Ｕ４ＲＥ Ｓ ＦＩＴ 用激光干涉仪系统采集的原始直线度数据， 一 般不可能完全”平行于坐标轴总方向”（Ｐａｒａｌｌｅｌ ｔｏ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｄｉ ｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｘｉｓ），而激光光束的坐标轴 人工去除斜率误差能大大减少激光光束与理论直线 度基准线间的调准误差，但不能彻底消除，因此就需 要按理论基准拟合原始数据。 图２：最小二乘法分析 Ｒｅｎｉ ｓｈａＷ直线度分析软件是通过”直线度分析 Ｒｅｎｉ ｓｈａＷ直线度分析软件提供了确定理论直线 和表示菜单”进行访问的。 度基准线的两种选择，以便确定沿给定坐标轴的直 该菜单既可访问短距离直线度数据库也可访问 线度误差。这两个选项是： 长距离直线度数据库（分析子程序是共用的）．它与 ２００６年第０４期数控机床市场 维普资讯 http://www.cqvip.com
文件的存取方式无关。 此图中： 适用的直线度数据分析和／或显示的”图形种 ａ）上图表示“正向”测量的平均直线度误差及 类”选项如下： Ｂｓ舢Ｒｅｖｅｒｓａｌ ＣｒＵｅｔ ＢＳ舢Ａｃｃｕｒａｃｙ ＢＳ舢Ｓｔ．ｅＵｓｔＣｅｌＴａｂｌｅ 两■靖挂 量小＝嬲圭 ●直奠分析 蝗睦平行度 同转平行度 ＹＤＩ２６１７直■蛐 膏矗ｈａｗ＾Ｉ Ｉ Ｒ—电ｈ●ｗ ＿＿譬ｔＩｃ＿Ｔａｂｌｅ Ｔｒｅｎｄ＾ｒｌ牺ＰＩａｔ 所有秘曲■ 打印曩■蠢量 造几次童量 田 谩麓扑蕾啊寰 打印峨曩ｌ壕糍 ｌ｜｝找■定分析方法 端点拟合法分析数据的表示取决于是单向还是双 向数据采集。单向数据的表示为一个图形（参见图３）。 ；ｌ ’ ‘ ’～ ～一… ． 图３端点拟合分析（单向数据） 由直线度平均误差线及上、下各－３ ｏ偏差带（标 准偏差）：而双向数据的表示是三重图（参见图４）。 图４端点拟合分析（双向数据） 数控机床市场２００６年第０４期 上、下３ ｏ误差带，用”正向”平均值作端点拟合的 基准： ｂ）中图表示”反向”测量的平均直线度误差及 上、下３ ｏ误差带，用“反向“平均值作端点拟合的 基准： Ｃ）下图表示用一共用端点重新计算两个平均值 （指上述两个平均值）的图形，该共同端点是根据全 部数据的平均值得到的。该图形中也有３ ｏ误差带， 其值是每个点的（＋３ ｏ）最大值和（－３ ｏ）最小值， 它与行程方向无关。 最小二乘法数据的表示取决于数据采集是单向 方式还是双向方式，但一般来讲，单向和双向测量所 采用的数据分析方法略有不同，对于单向数据采集 来讲，在每单个测回都要进行最／Ｊ￣－－乘法分析，其平 均值是从这些单个测回的最小二乘法得出的（参见 图５） 图５最小二乘法分析（单向数据） 而对双向数据采集来讲， 是在平均原始数据上 进行最小二乘法， 然后每个测量行程都要依据该相 关基准拟合， 以建立平均直线度误差（参见图６）。 图６最小二乘法分析（双向数据） 维普资讯 http://www.cqvip.com
两种分析方法的差别是很小的．但确实会得 到略微不同的分析结果。这种不同在图形上的反 映并不明显．但比较最小二乘法数据表便可看出 差别来。 值得注意的是 当打印数据表格时．所有的“正 向“测量都为奇数序号 而所有的 反向 测量都 为偶数序号。因此 在单向测量循环的表格中．偶 数测量行程均为０。 下文是统计分析图形数据下方方框内的参数术 语说明： Ａ）（直线度）精度 它是相对的最大值（ ＋３ ｏ）和最小值（ 一３ ｏ） 之差．与行程方向无关。 即：Ａ＝［（叉＋３ ｏ）ｍａｘ一（ 一３ ｏ）ｍｉｎ］ Ｂ）单向重复精度 在一个行程方向 （两者任一） 上任意给定点 （ ＋３ ｏ）和（ 一３ ｏ）之间的最大差值。 即：Ｕｒｅｐ＝［（ ＋３ ｏ）ｉ一（ 一３ ｏ）ｉ］ｍａｘ 此式中．（ ＋３ ｏ）ｉ和（ 一３ ｏ）ｉ必须都是从 同一方向取的数值。 ｃ）双向重复精度 它是在双向行程上的任意给定点上（ ＋３ ｏ）和 （ 一３ ｏ）间的最大值； 即：Ｂｒｅｐ＝［（叉＋３ ｏ）ｊ一（ 一３ ｏ）ｊ］ｍａｘ 此式中 （ ＋３ ｏ）ｊ和（ 一３ ｏ）ｊ的值可从不 同的行程方向获得。 Ｄ）平均反向误差 它是两个行程方向上直线度平均误差之平均误 差值。 即：ＭＲＶ＝Ｉ／ｎ∑（ ｉ ｆ一 ｉ ｌ） Ｅ）倾斜误差 它是用于数据采集的激光光束和由数据分析确 定的直线度基准之间的角度调准误差。 Ｆ）直线度误差 它是偏离直线度平均误差之最大和最小偏差之 和． 直线度平均误差依用数据分析确定的直线度基 准线得出。 即：直线度误差＝ｌ ｍａｘ Ｊ＋ｌ ｍｉｎ ｌ 原始直线度数据 实际直线度数据一端点拟合 图７：全部数据图形（原始数据） ｔ”＿－－－＿ｎｍ＿■■ ’ ： 蕤茧 ＼ ＼ 三！ — 苎型！ 壹！ 『ｉ ＝： ＝一■０，…● － 图８：全部数据图形（端点拟合数据） 图９：全部数据图形（最小二乘数据） ２００６年第０４期 数控机床市场
