常規測量數控機床位移誤差的方法是靜態的－－-在每次測量間隔機器要停幾秒鐘穩定下來，然后采集定位數據。對于小間距或長行程機床的測量，這意味著需要相當可觀的停機時間。而同樣的測量，采用不間斷的同步數據采集，僅需幾分鐘。事實上，不間斷的同步數據采集還可以測量更多的點，提供更多的細節且省時間。譬如，如果每25毫米間隔要停5秒鐘的話，1,250毫米的軸長以及5個來回的操作需要50分鐘以上的時間。

此外，靜態定位誤差通常是由于幾何尺寸、導軌以及結構剛性引起的。而一般不測量的動態定位誤差則是由伺服參數、諧振頻率以及加速度或減速度引起的。換句話說，因為機床在采集數據前停下來了，這就遺漏了伺服或動態誤差。理論上軌跡精度應該可以用動態位移誤差表來改進，而不是靜態位移誤差表。對于模具制造商來說，這一點特別重要，因為必須要保證模具腔與多種表面組成的復雜幾何形狀完全一致。

位移測量手段

1881年Michelson 發明了干涉儀。他后來在1907年為此獲得了諾貝爾物理獎。Michelson 干涉儀用白光作光源，并用了固定和可移動的反射鏡。Michelson 干涉儀通過計算干涉條紋一直被用來測量距離或比較距離。隨著激光的發明，單頻的氦氖激光取代了白光作為光源，并用二個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，一半光束通過一可移動的角錐棱鏡，另一半則反射到一固定的角錐棱鏡。二反射光束回來時在分束器相遇。將所有光路精密地調準后，這二相遇的光束就相互干涉，并產生干涉條紋。用一小面積的光電探測器計數條紋。每一周期的強度變化表示可移動角錐棱鏡行程的半波長。假如已知激光的波長，那么可移動角錐棱鏡行程也可精確地得到。單頻干涉儀的問題是對于噪聲太敏感。因此，從移動中無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，將二個不同頻率光束混合后產生一載波頻率。因此，攜帶的距離信息是以交流波形式而不是直流波形式。雙頻干涉儀的問題是需要笨重的永磁鐵以及精密的光學元件以穩定激光頻率，保持偏振，并使回到激光諧振腔的散射光減到最小。由于該系統體積笨重，并有大量的光學元件，因此測量時大部分機床需要打開機床罩。

激光多普勒校準系統

激光多普勒校準系統使用一激光多普勒位移測量儀（LDDM），該系統結合了微波雷達技術、多普勒效應以及光學外差技術。LDDM采用了電光、光學外差工藝及相位解調器來得到移動角錐的位置信息。

LDDM是用一氦氖激光束照射一反射鏡來測量位移的。當反射鏡移動時被反射的激光束發生頻率變化。由于被反射激光束的相位正比于反射鏡的位置，因此可以測量得到位置的變化。

對于LDDM來說，偏振及彌散光不是一個問題，也不需要精密的光學系統。鏡子可以隨意插入光路，簡單的反射鏡就可以用來反射激光束到任意的角度。

如何使用激光多普勒校準系統

要校準普通或者滾珠絲桿，在軸上放一刀片，馬達驅動絲桿觸發了位置傳感器。例如可以用四個位置傳感器來采集四套每轉的數據。位置傳感器送出一TTL脈沖到PCMCIA卡以觸發數據采集。不間斷地采集數據的關鍵是外部觸發器和數據采集與TTL觸發脈沖同步，也即同時采集數據。用四個位置傳感器測得的典型的滾珠絲桿的螺距誤差是每轉0.2英寸。因此在超過20英寸的絲桿上每英寸可以測20個數據。在這個例子中，熱膨脹誤差比螺距誤差小得多。

要校準數控機床的一個軸，將激光頭放置在床身上，反射鏡或者靶標被安置在主軸上。將激光束與常規靜態的激光校準一樣調整到平行與主軸。但是與通常每走一步要停5秒鐘一直走到終點不同，現在將主軸調整到可以從開始一直連續移動到終點而不需要任何停止。

位置傳感器可放置在滾珠絲桿上或者滾珠絲桿的轉輪上。非接觸的觸發器固定在磁座上。觸發器的刀片放置在絲桿的轉輪上。轉輪每轉動一次，觸發信號被送到PCMCIA卡以采集數據。有一些機床觸發信號是來自機床的控制器或者編碼器的輸出。

 

每轉4個 觸發脈沖校準滾珠絲桿的示意圖

 

 

實驗過程

用一帶高數據速率PCMCIA界面卡以及外觸發器的多普勒系列的激光校準系統，以每秒10,000數據速率不停地同步采集數據。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補償波長變化帶來的測量誤差，材料的熱膨脹在激光系統的標準以內。LDDM的激光頭放在工作平臺上，而反射鏡安置在垂直加工中心的主軸上。一個非接觸的觸發器被固定在一磁座的桿上，而一觸發刀片則固定在轉輪上。

用一帶有高速PCMCIA卡的筆記本電腦采集數據。用一特制的電纜將LDDM處理器的輸出與PCMCIA卡連接，觸發器的信號連接到LDDM處理器。在LDDM軟件的主菜單中，2-D時間基數按鈕是用來為數據采集設置的。可選擇數據速率、時間間隔以及外觸發器。最大的速度是每秒5米，最高的數據速率是每秒10,000個數據。從觸發脈沖到位移讀出之間的數據壽命小于100納秒。

在實驗中，二個激光頭放置在Y軸方向分開4.25英寸（10.8厘米）距離。位移數據先用常規的靜態數據采集方法采集，每2英寸停一下，整個行程18英寸。最大誤差為 0.02英寸，反向間隙0.005英寸。

然后同樣設置，而用不停頓同步外觸發器采集位移數據。用0.2英寸的間隔，整個行程19英寸，走了至少5個來回采集了數據。

不停頓同步采集了二套LDDM位移數據。通過二個位移誤差的差值除以分開距離，可以計算出角度誤差。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。

與靜態采集的數據相比，同步采集的數據的結果是相似的，但具有更詳細的信息。用此位移數據去補償機床的誤差，要比常規靜態采集的數據補償的結果更好。此外，使用同步數據采集可以節省時間，特別是對于小間隔或大型機床的測量更是如此。