常規(guī)測(cè)量數(shù)控機(jī)床位移誤差的方法是靜態(tài)的——在每次測(cè)量間隔機(jī)器要停幾秒鐘穩(wěn)定下來(lái)，然后采集定位數(shù)據(jù)。對(duì)于小間距或長(zhǎng)行程機(jī)床的測(cè)量，這意味著需要相當(dāng)可觀的停機(jī)時(shí)間。而同樣的測(cè)量，采用不間斷的同步數(shù)據(jù)采集，僅需幾分鐘。事實(shí)上，不間斷的同步數(shù)據(jù)采集還可以測(cè)量更多的點(diǎn)，提供更多的細(xì)節(jié)且省時(shí)間。譬如，如果每25毫米間隔要停5秒鐘的話，1,250毫米的軸長(zhǎng)以及5個(gè)來(lái)回的操作需要50分鐘以上的時(shí)間。
此外，靜態(tài)定位誤差通常是由于幾何尺寸、導(dǎo)軌以及結(jié)構(gòu)剛性引起的。而一般不測(cè)量的動(dòng)態(tài)定位誤差則是由伺服參數(shù)、諧振頻率以及加速度或減速度引起的。換句話說(shuō)，因?yàn)闄C(jī)床在采集數(shù)據(jù)前停下來(lái)了，這就遺漏了伺服或動(dòng)態(tài)誤差。理論上軌跡精度應(yīng)該可以用動(dòng)態(tài)位移誤差表來(lái)改進(jìn)，而不是靜態(tài)位移誤差表。對(duì)于模具制造商來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)特別重要，因?yàn)楸仨氁ＷC模具腔與多種表面組成的復(fù)雜幾何形狀完全一致。
位移測(cè)量手段
1881年Michelson 發(fā)明了干涉儀。他后來(lái)在1907年為此獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。Michelson 干涉儀用白光作光源，并用了固定和可移動(dòng)的反射鏡。Michelson 干涉儀通過(guò)計(jì)算干涉條紋一直被用來(lái)測(cè)量距離或比較距離。隨著激光的發(fā)明，單頻的氦氖激光取代了白光作為光源，并用二個(gè)角錐棱鏡代替了平面鏡。
單頻的氦氖激光束被一分束器分成二束光，一半光束通過(guò)一可移動(dòng)的角錐棱鏡，另一半則反射到一固定的角錐棱鏡。二反射光束回來(lái)時(shí)在分束器相遇。將所有光路精密地調(diào)準(zhǔn)后，這二相遇的光束就相互干涉，并產(chǎn)生干涉條紋。用一小面積的光電探測(cè)器計(jì)數(shù)條紋。每一周期的強(qiáng)度變化表示可移動(dòng)角錐棱鏡行程的半波長(zhǎng)。假如已知激光的波長(zhǎng)，那么可移動(dòng)角錐棱鏡行程也可精確地得到。單頻干涉儀的問(wèn)題是對(duì)于噪聲太敏感。因此，從移動(dòng)中無(wú)法辨別電噪聲還是增益漂移。
雙頻的干涉儀使用一雙頻的氦氖激光器，將二個(gè)不同頻率光束混合后產(chǎn)生一載波頻率。因此，攜帶的距離信息是以交流波形式而不是直流波形式。雙頻干涉儀的問(wèn)題是需要笨重的永磁鐵以及精密的光學(xué)元件以穩(wěn)定激光頻率，保持偏振，并使回到激光諧振腔的散射光減到最小。由于該系統(tǒng)體積笨重，并有大量的光學(xué)元件，因此測(cè)量時(shí)大部分機(jī)床需要打開機(jī)床罩。
激光多普勒校準(zhǔn)系統(tǒng)
激光多普勒校準(zhǔn)系統(tǒng)使用一激光多普勒位移測(cè)量?jī)x（LDDM），該系統(tǒng)結(jié)合了微波雷達(dá)技術(shù)、多普勒效應(yīng)以及光學(xué)外差技術(shù)。LDDM采用了電光、光學(xué)外差工藝及相位解調(diào)器來(lái)得到移動(dòng)角錐的位置信息。
LDDM是用一氦氖激光束照射一反射鏡來(lái)測(cè)量位移的。當(dāng)反射鏡移動(dòng)時(shí)被反射的激光束發(fā)生頻率變化。由于被反射激光束的相位正比于反射鏡的位置，因此可以測(cè)量得到位置的變化。
對(duì)于LDDM來(lái)說(shuō)，偏振及彌散光不是一個(gè)問(wèn)題，也不需要精密的光學(xué)系統(tǒng)。鏡子可以隨意插入光路，簡(jiǎn)單的反射鏡就可以用來(lái)反射激光束到任意的角度。
如何使用激光多普勒校準(zhǔn)系統(tǒng)
要校準(zhǔn)普通或者滾珠絲桿，在軸上放一刀片，馬達(dá)驅(qū)動(dòng)絲桿觸發(fā)了位置傳感器。例如可以用四個(gè)位置傳感器來(lái)采集四套每轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)。位置傳感器送出一TTL脈沖到 PCMCIA卡以觸發(fā)數(shù)據(jù)采集。不間斷地采集數(shù)據(jù)的關(guān)鍵是外部觸發(fā)器和數(shù)據(jù)采集與TTL觸發(fā)脈沖同步，也即同時(shí)采集數(shù)據(jù)。用四個(gè)位置傳感器測(cè)得的典型的滾珠絲桿的螺距誤差是每轉(zhuǎn)0.2英寸。因此在超過(guò)20英寸的絲桿上每英寸可以測(cè)20個(gè)數(shù)據(jù)。在這個(gè)例子中，熱膨脹誤差比螺距誤差小得多。
要校準(zhǔn)數(shù)控機(jī)床的一個(gè)軸，將激光頭放置在床身上，反射鏡或者靶標(biāo)被安置在主軸上。將激光束與常規(guī)靜態(tài)的激光校準(zhǔn)一樣調(diào)整到平行與主軸。但是與通常每走一步要停5秒鐘一直走到終點(diǎn)不同，現(xiàn)在將主軸調(diào)整到可以從開始一直連續(xù)移動(dòng)到終點(diǎn)而不需要任何停止。
位置傳感器可放置在滾珠絲桿上或者滾珠絲桿的轉(zhuǎn)輪上。非接觸的觸發(fā)器固定在磁座上。觸發(fā)器的刀片放置在絲桿的轉(zhuǎn)輪上。轉(zhuǎn)輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一次，觸發(fā)信號(hào)被送到PCMCIA卡以采集數(shù)據(jù)。有一些機(jī)床觸發(fā)信號(hào)是來(lái)自機(jī)床的控制器或者編碼器的輸出。
每轉(zhuǎn)4個(gè) 觸發(fā)脈沖校準(zhǔn)滾珠絲桿的示意圖
實(shí)驗(yàn)過(guò)程
用一帶高數(shù)據(jù)速率PCMCIA界面卡以及外觸發(fā)器的多普勒系列的激光校準(zhǔn)系統(tǒng)，以每秒10,000數(shù)據(jù)速率不停地同步采集數(shù)據(jù)。
大氣壓力傳感器、空氣溫度傳感器及材料溫度傳感器可以自動(dòng)補(bǔ)償波長(zhǎng)變化帶來(lái)的測(cè)量誤差，材料的熱膨脹在激光系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。LDDM的激光頭放在工作平臺(tái)上，而反射鏡安置在垂直加工中心的主軸上。一個(gè)非接觸的觸發(fā)器被固定在一磁座的桿上，而一觸發(fā)刀片則固定在轉(zhuǎn)輪上。
用一帶有高速PCMCIA卡的筆記本電腦采集數(shù)據(jù)。用一特制的電纜將LDDM處理器的輸出與PCMCIA卡連接，觸發(fā)器的信號(hào)連接到LDDM處理器。在 LDDM軟件的主菜單中，2-D時(shí)間基數(shù)按鈕是用來(lái)為數(shù)據(jù)采集設(shè)置的�？蛇x擇數(shù)據(jù)速率、時(shí)間間隔以及外觸發(fā)器。最大的速度是每秒5米，最高的數(shù)據(jù)速率是每秒10,000個(gè)數(shù)據(jù)。從觸發(fā)脈沖到位移讀出之間的數(shù)據(jù)壽命小于100納秒。
在實(shí)驗(yàn)中，二個(gè)激光頭放置在Y軸方向分開4.25英寸（10.8厘米）距離。位移數(shù)據(jù)先用常規(guī)的靜態(tài)數(shù)據(jù)采集方法采集，每2英寸停一下，整個(gè)行程18英寸。最大誤差為 0.02英寸，反向間隙0.005英寸。
然后同樣設(shè)置，而用不停頓同步外觸發(fā)器采集位移數(shù)據(jù)。用0.2英寸的間隔，整個(gè)行程19英寸，走了至少5個(gè)來(lái)回采集了數(shù)據(jù)。
不停頓同步采集了二套LDDM位移數(shù)據(jù)。通過(guò)二個(gè)位移誤差的差值除以分開距離，可以計(jì)算出角度誤差。最大的角度誤差為8.5弧秒。最大的直線讀誤差為0.00012英寸。
與靜態(tài)采集的數(shù)據(jù)相比，同步采集的數(shù)據(jù)的結(jié)果是相似的，但具有更詳細(xì)的信息。用此位移數(shù)據(jù)去補(bǔ)償機(jī)床的誤差，要比常規(guī)靜態(tài)采集的數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果更好。此外，使用同步數(shù)據(jù)采集可以節(jié)省時(shí)間，特別是對(duì)于小間隔或大型機(jī)床的測(cè)量更是如此。
