机床综合误差溯源及测控技术研究
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【摘要】数控机床的综合误差的测控技术是实现其综合误差补偿的主要手段，包括机床的检测操控及验收等方法，是一项技术难度非常大的工作，本文通过对机床综合误差源产生机理的分析及需应的检测仪器和手段的介绍，分析机床综合误差测控原理及方法，为多轴联动数控机床伺服进给机构误差测试提供方法与数据支持。
【关键词】综合误差；测控技术；检测仪器
1、前言
近年来国产数控机床及制造加工装备产品由于普遍存在精度差，可靠性低等共性问题、导致其在国内数控机床及制造加工装备市场占有率仅占30%。而数控机床误差补偿技术研究就是针对机床精化而展开并发展的。机床综合误差补偿技术主要是针对误差源及产生机理的分析，通过对机床设备各轴的运动综合模型的建立与分析分离误差元素，并通过误差检测及控制方法，选择监测点并搜集分析原始数据，最终通过误差补偿控制及其系统优化，使得机床设备综合误差得到有效的改善。近年来，误差补偿技术已成为现代多轴联动数控技术的重要突破。
2、机床设备误差溯源
机床设备误差源产生一般由几何精度静态误差、运动误差、热误差、控制误差、力误差等因素产生，几何误差及运动误差一般由机床设备的设计问题以及制造环节问题产生，比如说装配不精确，零部件之间的相对运动等因素造成；热误差一般由机床运动导致丝杠受热膨胀，床身以及立柱等主要结构件的变形，刀具高速旋转产生的切削热等因素引起；控制误差一般由伺服系统的因素导致，比如说伺服响应滞后，位置环及速度环增益不匹配，丝杠导轨的间隙误差，滚珠丝杠的节距误差及光栅尺等测量设备误差等因素导致；力误差一般由刀具的切削力及工件或者设备结构件重力与刚度因素导致的，它与工件及刀具的材料影响也息息相关；除了这四种误差外还包括其它误差因素，比如说机床控制器的轴系伺服匹配误差、数控插补算法误差、反向间隙、机床振动、刀具磨损等。[1]
3、常用误差测量检具介绍
机床几何精度及误差的检测传统常用的工具包含两大类，一类属于静态机械检具，它包括：方规、平尺、千分表、电子水平仪、直角尺、或测微仪和高精度主轴芯棒等。另一类属于测量机床的动态直线误差方法，常用检测工具有测微仪、成组块规、标准刻线尺、金属线纹尺、步距规、光学读数显微镜、准直仪等，近年来使用更好的双频激光测量仪等。
（1）激光测量仪检测法
激光干涉仪是以两个具有不同频率的圆偏振光作为光源，发射光经偏振分光镜将两个光正交分离。当测量反射镜移动时，由于多普勒效应，返回光产生多普勒频移量，其包含了测量反射镜的位移信息。其测量时即使光强衰减90%，双频激光测量仪仍能正常工作，由于其具有很强的抗干扰能力，因而特别适合现场条件下使用。仪器与不同光学部件组合，可测距离（位置精度）、直线度、垂直度、偏摆角、平行度、平面度、转台精度及速度、加速度等，并可对机床振动情况进行分析，这些检测项目几乎包括了机床精度检定的所有主要指标。
（2）多普勒光动仪检测法
该测试方法是将大平镜靶安装在机床主轴上，并与激光束方向垂直。测量时走四条体积斜线，走每条斜线时，走一次分三步，x、y和z先后分别走一个步距：Dx、Dy和Dz。故可获得比其他激光测量多三倍的测量数据，这就是激光测量多步法可以通过四斜线体积测量可辩识9个移动误差和3个垂直度误差共12项误差元素的原因。这种方法和传统的体积对角线测量技术相比较，原来的测量方法只是检测一个沿着对角线的增量方向的一个数据，而现在激光矢量分步法如下图所示，可以在X、Y和Z每一个轴向分别运动以后收集三个数据点，得到的数据信息是原来的三倍。
（3）雷尼绍球杆仪检测法
雷尼绍球杆仪是用于测量数控机床中所表现出的几何误差和检测出由控制器和伺服驱动系统带来的精度不准的问题。通过让机床运行一段圆弧或整圆周来完成“执行球杆仪测试”以测得误差，由一传感器测得前述运动中半径的微小偏移量，由软件将其采集下来。然后，将合成的数据显示在屏幕上或绘制在打印机或绘图机上，从而揭示出机器执行该项测试的结果，并通过真圆偏离出的数据揭示出数控系统、驱动伺服及机器各轴的问题。它也可以同时动态测量两轴联动状态下的轮廓误差，数控机床的垂直度、重复性、间隙、各轴的伺服增益比例匹配、伺服性能和丝杠周期性误差等参数指标都能从运动轮廓的半径变化中反映出来。另外，利用加长杆还可以在更大的机床加工空间内进行测量。通常，测量周期不超过1小时。[2]
（4）多面体棱镜圆度测试
这种测量需要做一个过渡盘，例如在被测设备旋转工作台的定位精度和重复定位精度，需要做个过度盘将36面体棱镜联结，且过度盘与36面体联结轴B的径向跳动0.01，且该联结轴B与基面A（该基面为过渡盘与工作台连接基面）垂直度0.01，A基准面的平面度0.01。将过渡盘与工作台连接，表座固定在主轴上，指示器垂直触及联结轴B，旋转工作台，指示器读数在0.01以内，不合则调整过度盘位置，将36面体与过渡盘联结，激光分度仪发射的光源照射到36面体的棱镜面上，通过调整36面体棱镜位置，使发射光源和反射光源符合激光发射仪使用要求。
（5）平面光栅检测法
在工作台上置有直径可达140mm且刻划有高精度正交栅纹的平面光栅，而在主轴端部则置有读数光栅，两者的间隙约为0.5mm。只要在平面光栅的有效工作范围内，不论按NC指令执行的工作台与主轴所作的相对运动是规则的圆运动、直线运动或者甚至是不规则的复杂曲线运动，都可通过安装在主轴端上的读数头及后续电路直接“读出”其运动轨迹是否精良的信号，且其经细分后的读数分辨率可读至5nm。该方法分辨率很高，非接触测量使得测试灵活，可方便地用于空间任一平面内的运动，对相对运动速度的约束更少，同时还可以测量数控机床完成复杂轨迹时的运动精度，而不再局限在圆周运动。
（6）温度与热误差检测
热误差的检测补偿方法是引入对模型影响较大的热误差变量，并在诸多温度变量中选择关键温度元素用于热误差建模，使复相关系数显著增加，而引入对模型影响较小的变量，复相关系数的变化则相应的减小。因此，可以通过考察复相关系数的变化来决定某一变量的加入对整个模型的影响是否显著，从而完成变量选择。一般按经验，先布置或给出许多个温度测点或温度元素，然后再从中选择若干用于热误差模型中。显然如果对每一种元素组合都建立热误差模型并逐个比较，当温度元素的个数较多时就会花费大量的时间，降低热误差建模的效率。因此，在保证误差模型精度的前提下，大大缩短变量选择所需的时间，并且，使用于热误差模型的温度元素的数量最少。[3]
4、小结
通过对综合误差溯源与测控方法的分析与应用，加强多轴联动数控机床误差测试分析的研究能力，并检测控机床行业在制造精度方面存在的问题，开展误差建模，从而掌握核心技术，为多轴联动数控机床产品精度水平的提升提供有力支撑，尽快缩短国产多轴联动机床与国外的技术差距，助推我国高档数控机床及装备制造业整体水平的提高。
参考文献
[1]师汉民，李斌.数控机床定位误差的高精度测量及补偿技术[J].组合机床与自动化加工技术，2005
[2]刘焕牢，李斌等.数控机床几何精度测量的重要方法--圆测法[J].工具技术，2005（8）
[3]王冠明.数控机床综合运动精度测试研究[学位论文].硕士，2006
*基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）
课题名称：多轴联动数控机床伺服进给机构误差测试与溯源
课题编号：2012CB724305