数控机床、激光干涉仪与步距规

    经过二年多时间的试验应用，一种切实有效提高数控机床定位精度的方法得到验证。对于已习惯用激光干涉仪检测数控机床定位精度的企业，在使用激光干涉仪前，先用步距规校对一下激光干涉仪，然后再用校对过的激光干涉仪对数控机床进行测量和修正，将会大大提高数控机床定位精度。此方法简便易行，切实有效。因为单独使用激光干涉仪在许多现场环境下往往不够准确。

    在严格的国家级实验室条件下，即在均恒稳定的温度、湿度、气压、在规定限制内二氧化碳气含量、无气流扰动及其它外界影响因素，激光干涉仪的准确性是无需怀疑的。但在现场环境条件下，由于温度、湿度、气压及二氧化碳含量均不稳定，气流扰动、振动等外界影响因素也不可完全避免，这时使用激光干涉仪对数控机床进行检测，其测量结果的不确定度往往会很大。即使检测同一台机床，上午和下午的检测结果也显著不同。对此，很少有人注意或探讨其原因出在哪里。

    近年来，广西量具量仪产业技术创新战略联盟（简称广西量具联盟）成员单位及其他有关单位不断发现激光干涉仪量值传递不准确、不统一。例如2011年全国计量技术机构对检定三等标准金属线纹尺进行量值比对时，某单位采用激光干涉仪做标准器检定三等标准金属线纹尺，其检测数据很不理想，与主导实验室的数据相差甚远；量具联盟有成员企业生产步距规，客户用步距规检验三坐标测量机和数控机床的坐标定位精度，其检测数据与采用激光干涉仪进行检测的数据相差很大。甚至同一天上午与下午检测结果竟相差10μm/1000mm以上。

    2010年10月18日在湖北宜昌召开的全国几何量计量委员会会议上，山东省计量院代表反映曾用激光干涉仪测量某一工件，测量不确定度达几十微米，与会专家认为是激光干涉仪附带的温度传感器不够精确所致。

    中国测试技术研究院专门从事量块、步距规和激光干涉仪校准，全国计量行业知名的专家黄晓蓉主任认为，现场环境下激光干涉仪不宜单独使用，应与经校准过的步距规比对使用。

    2011年3月7日，广西量具联盟部分专家委员和桂林机床股份有限公司计量处，共同进行一次激光干涉仪和步距规的现场测试比对，从比对结果看，上午和下午测试结果竟相差20μm/1000mm以上。即使同一天下午进行的三次测试比对，测试结果也相差10μm/1000mm之多。

    原因是多方面的:1,环境条件较差，如温度变化速率较大（温度变化速率超过0.2℃/小时,达0.5℃/小时以上）;2,温度传感器帖附位置不当;3,激光干涉仪附带的温度传感器不够精确;4,对被测对象的热膨胀系数估计不准;5有气流扰动等干扰因素。这些因素都会影响激光干涉仪测量结果的准确性。所以激光干涉仪在现场使用时，必需要用实物长度标准器步距规先行校对。用经校对的激光干涉仪进行测量，其测量结果准确性才能得到保证。

    特别说明，按国家长度计量有关规程规定，比较精密的被测实物的长度，例如2等量块的长度，是指其在标准温度20℃和标准大气压101325Pa时的长度值。如果温度偏离20℃，则测量结果必须考虑实际温度和热膨胀系数对测量结果的综合影响。将被测对象还原至标准温度20℃，确定其应有长度量值。在精密长度测量领域，精确测量所用量具和被测对象的温度和热膨胀系数成为关键。

    如果所用量具与被检测对象热膨胀系数基本相同，例如用步距规检测数控机床，二者热膨胀系数基本相同。在经过一定时间（通常12小时以上）等温处理后，二者的温度也基本相同。这时的测量结果，在还原至标准温度20℃，其检测结果也基本不变，可不作温度修正。激光干涉仪波长的热膨胀系数几乎为零，而数控机床的热膨胀系数较大，所以温度变化对测量结果的影响很大。虽然激光干涉仪通常附带帖附式温度传感器，但此温度传感器也有误差，这就是为什么在现场用步距规检测数控机床比用激光干涉仪更精确的原因所在，也是步距规被国际标准推荐为检测坐标测量机的首选检测量具的理由所在。

    数控机床尤其是高档数控机床定位精度的检测属精密测量，认真研究其所用检测量具及检测环境条件的影响十分重要。欲准确使用激光干涉仪，必须在使用时先对激光干涉仪进行校对。

这里简述用步距规校对激光干涉仪的主要步骤：

1.将步距规置于数控机床工作台上（最好提前一个夜晚使其等温），调整步距规使其与机床导轨平行（平行度在100：0.01即可）。用沾少许酒精的棉签擦净步距规各量块工作面；

2.将装有杠杠千分表（分辨力1μm，重复性0.2μm以下，步距规厂家可另外供应）的磁力表座吸附在主轴头架上；

3.将激光干涉仪的帖附温度传感器轻轻吸附在步距规两端，注意不要碰动步距规；

4.使杠杆千分表测头与步距规的零点测量面的中间部位接触，微调工作台移动量，使杠杆千分表测头压缩量在15μm左右为宜；

5.移进移出杠杆千分表测头3-5次，观察杠杆表指针回零重复性应不超过0.4μm。或选择另外一个坐标轴方向进退杠杆千分表测头；

6.把步距规当做被检测对象，从步距规的零位工作面开始，选择要测量的步距（有20、40、60、80、100mm等可任意选择），按选择的步距值移动工作台并进行微调，使杠杆千分表读数归零。在激光干涉上读取检测值，并记录检测结果。

7.如果检测结果与步距规工作尺寸实际值（校准值）一致，说明激光干涉仪在本环境条件及操作方式下可继续使用。如果检测结果与步距规实际值相差较大，需对激光干涉仪进行误差修正，然后用修正过的激光干涉仪再次检测步距规，直至检测结果与步距规实际值一致。

8.修正激光干涉仪误差的方法：可采用略微修改温度值或略微修改被测对象热膨胀系数值等方法，使激光干涉仪检测步距规的结果等于步距规工作尺寸的实际值（校准值）。如此，可将诸多因素对激光干涉仪准确性造成的影响相互抵消，从而显著提高激光干涉仪在现场环境下测量结果的准确度。

    购置步距规，会增加成本。还好，步距规价格仅为激光干涉仪价格十分之一左右，且使用寿命长、所起作用大，因此是值得总工考虑的一项举措。

    经中国计量科学研究院校准过的规格为1000mm步距规,校准结果的不确定度为±0.7μm；规格为600mm步距规,校准结果的不确定度为±0.5μm，用其校对激光干涉仪绰绰有余。

    数控机床的有关标准虽未将步距规列为推荐检测量具，但现在的机床国家标准已与国际标准接轨，均为推荐标准，并不属于强制执行的国家标准。实际上并不禁止使用其他的检测手段如步距规、量块等传统检测量具，关键是保证测量结果的准确性。步距规是国际公认的实物长度标准器，在检测三坐标测量机方面，是国际标准和国家标准极力推荐的检测量具。其准确性、实用性和经济性早已得到国际公认。因此，也有不少企业专门使用步距规检测数控机床定位精度，如上海特略精密数控机床有限公司，三年来专用安一高精度步距规检测本公司生产的精密数控机床，其机床定位精度高达±3μm/400mm，远高于同行的数控机床精度水平，实现了数控机床高档、高价、高销量，成为同行业的佼佼者，是成功应用步距规检测数控机床的典型案例。

    2011年7月6日，中山市锐锋数控设备有限公司，使用安一步距规校准其所产数控机床，仅用1天时间检测、修正和加工，使定位精度从12μm/300mm，提高到3μm/300mm，是成功应用步距规检测数控机床的又一成功案例。

    重大科技专项——高档数控机床，是离不开高档步距规的。现在，桂林安一量具有限公司已能生产具有世界级水平的高精度步距规。有3台规格1000mm的高精度步距规，先后经中国计量科学研究院和德国检测中心DKD-K-44301 校准，3台步距规全程最大误差分别为-0.6μm、+0.8μm（中国计量科学研究院校准，不确定度0.7μm）和+0.46μm（德国DKD-K-44301校准，不确定度0.6μm）。均已达到世界级高精度步距规标准。（注：日本三丰公司2010年产品样本中，规格1000mm高精度步距规，允许偏差±2.5μm）。

    步距规作为实物长度标准器，用于检测数控机床、坐标测量机、影像测量仪等精密仪器，更适用于现场校对激光干涉仪，提高后者的测量准确性。  

    法定计量文件JJF 1064-2004《坐标测量机校准规范》和国家标准GB/T 16857.2-2006 《坐标测量机的验收检测和复检检测》及新版国际标准ISO 10360-2:2009《坐标测量机的验收检测和复检检测》，都推荐步距规作为实物长度标准器，用于检测坐标测量机。

    数控机床的验收检测、复检检测和定期维修检测，与坐标测量机的验收检测、复检检测的内容十分相似，使用步距规检测数控机床，不仅力所能及，而且更经济实用。

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本文作者吴峰山现任全国量具量仪标准化技术委员会委员，广西量具量仪产业技术创新战略联盟副理事长、专家委员会主任委员，桂林安一量具有限公司 董事、总工程师。