數控機床幾何誤差測量研究現狀及趨勢

馬延斌

摘 要： 隨著科學技術的不斷發展，數控機床加工精度的要求也越來越高，國際上普遍使用的提高數控機床加工精度的方法就是進行幾何誤差的測量。基于此，本文先是分析了數控機床幾何誤差測量研究的現狀，然后闡述了數控機床中的硬件靜態補償、系統參數補償和坐標偏置補償這三種誤差補償，最后進行了數控機床幾何誤差測量研究趨勢的分析。目的是幫助相關人員更好地進行數控機床幾何誤差的測量。

關鍵詞： 數控機床；幾何誤差；誤差補償

前言：機床制造業可以看做是國民經濟的“心臟”，是國家裝備工業實力的具體體現，與國家的核心競爭力有著直接的關系。雖然我國是一個數控機床制造大國，但是在高性能、超精密的機械加工技術方面，仍與世界先進水平存在著很大的差距，誤差防止和誤差補償是提高數控機床精度的主要方法。因此，對于數控機床幾何誤差測量研究現狀及趨勢的分析是很有必要的。

1.數控機床幾何誤差測量研究現狀

目前常用的數控機床幾何誤差測量方法主要有以下幾種：

1.1 激光跟蹤測量

激光跟蹤測量方法可以直接測定空間一點的坐標，具有測量范圍大和測量方便等方面的優點。近些年來，國內外的多名研究學者先后使用激光跟蹤測量方法進行了大型數控機床和三坐標測量機的空間誤差測量，成為了目前研究的熱點。激光跟蹤測量方法即將列入數控機床檢測的國家標準中，測量方法也由單臺激光測量儀器測量轉向多臺激光測量儀器測量，甚至向多站進行測量的方向發展。單臺激光跟蹤測量儀器雖然使用很方便，但是測量的精度有一定的限制；使用多臺激光測量儀器進行測量雖然精度有一定的提高，但是在實際的使用中，多臺儀器同時對同一目標點進行測量是比較困難的，而且成本也比較高；目前使用最廣泛的是單臺激光跟蹤儀器多基站測量，由于該方法是使用多基站，激光跟蹤儀器測角的誤差對于空間誤差的影響就比較小，但是測量的精度仍舊偏低，而且測段的時間也比較長。

1.2 球桿儀測量

自從布萊恩提出球桿儀的測量原理，并將球桿儀應用到三坐標測量機以及數控機床幾何誤差的測量以來，球桿儀就成為了最受歡迎的數控機床幾何誤差測量儀器。球桿儀在使用時，它的兩端要分別安裝在數控機床的主軸和工作臺上，以此來控制數控機床的運動是圓形的，球桿儀會將運動的圓形軌跡和標準圓軌跡進行對比，綜合分析出數控機床中各種單項誤差的參數。由于球桿儀的使用方便、操作簡單，國內外很多專家學者都使用球桿儀來進行三軸或者五軸數控機床中的各種單項幾何誤差以及動態伺服誤差，并以此形成了IS0230-4標準。但是球桿儀的測量桿長度只能在有限的間距內變化，而且測量桿的長度比較短，使得球桿儀在進行大型數控機床幾何誤差的測量以及補償空間誤差時存在比較大的局限性。

2.數控機床幾何誤差補償研究

上述數控機床幾何誤差測量的相關研究，其研究目就在于誤差補償，利用有效的誤差補償方法能夠在很大程度上提升數控機床的加工精度，就目前的研究現狀來看，主要的補償方法有以下幾種：

2.1 硬件靜態補償

此種補償方法主要是通過改善機床的較大動作誤差來達到補償目的。在存在運動誤差的運動軸上增設一種能夠修正位移量的硬件裝置，這實際上就是一種硬件補償方法，應用過程中無法實現補償信號的實施反饋要求，同樣也不能依據實際工況對其進行補償值的有效調整[1]。

2.2 系統參數補償

系統參數補償方法的實現，需要利用數控系統內部的集成補償功能模塊改變系統參數，從而達到誤差補償的目的。具體的補償類型包括螺距誤差補償、反向間隙補償、熱誤差補償、直線度誤差與垂直度誤差補償。此種補償方式存在魯棒性較差的不足，正對數控機床生產工況較為復雜的熱誤差現象，難以達到相應的補償精度要求。

2.3 坐標偏置補償

這種補償方法被上海交通大學項目組充分利用，基于數控機床的外部機械原點偏移功能，研發出了機床誤差補償系統，利用機床PMC的I/O接口，向數控系統輸入誤差補償值，從而完成補償流程。從現階段的試驗與應用效果來看，具有硬件成本低、補償精度高的特點優勢。此外，上海交通大學的項目組成員還以此為基礎制定出兩種具有高度可行的誤差動態實時補償方案。第一種方案以數控系統外部補償器的控制功能為基礎，通過外部補償器將其接收到的溫度信號、位置信號與切削力信號進行并算，再將得出的補償值輸入到數控系統當中實現誤差補償[2]。第二種方案以數控系統的內部補償系統控制功能為基礎，數控系統通過自身直接接受外部溫度信號與切削力信號、內部位置信號，并算得到補償之后直接進行誤差補償。兩種方案當中都采用了數控機床數控系統中外部坐標系的偏移功能，最終才能實現對數控機床幾何誤差的動態實時補償。

3.數控機床幾何誤差測量研究趨勢

通過對數控機床幾何誤差測量研究現狀的分析，能夠進一步對其未來的研究趨勢進行相對準確的判斷。現階段，對引發數控機床幾何誤差的測量與補償并不能做到真正的實施解決，在很大程度上制約了數控機床的精度提高以及機床制造水平提升。實際數控機床幾何誤差測量過程中，對于一臺數控機床的測量可能就要幾天甚至幾周，最終得出的測量結果也并不能得到有效補償或抑制。要想實現對數控機床的多誤差參數進行高精度且快速的測量，可從測量儀器方面入手，通過多參數、快速、高精度的綜合測量儀器，進一步提升獲取機床與坐標測量機的誤差補償所測空間誤差的速度，并實現幾何誤差等多誤差的準確分離，從而實現準確測量與建模。

結束語：綜上所述，數控機床幾何誤差測量可以提高數控機床加工和制造的精度。分析可得，通過對數控機床幾何誤差測量研究現狀及趨勢的分析，我國要加大力度研發高精度和多參數的快速綜合測量儀器，這樣才能設計出高精度、高性能的數控機床，從而促進我國制造業的發展，提高我國工業在世界上的競爭力。希望本文可以為相關人員分析數控機床幾何誤差測量研究現狀及趨勢提供參考。

參考文獻

[1]張達. 芻議球桿儀在數控機床幾何誤差測量中的應用[J]. 現代制造技術與裝備，2015，（02）：63-64-75.

[2]鄒華兵. 三軸數控機床幾何誤差測量與辨識的研究[J]. 制造技術與機床，2015，（07）：141-145. [2017-08-25].endprint