數控機床誤差檢測技術研究

栗 江， 盧小燕

（廣州南洋理工職業學院， 廣東 廣州 510925）

引言

作為機械制造行業主要的生產制造工具，數控機床的加工精度對于保證生產產品的質量有著直接的聯系。尤其是數控機床在運轉速率較高、精度較強的生產階段，其運動軌跡產生的誤差會對加工對象的各項參數造成不同程度的影響。因此，全面掌握控制數控機床作業期間產生的誤差，對于保證生產產品的數量以及發現數控機床故障的源頭具有重要作用。

1 數控機床誤差的來源

數控機床的誤差可以分為四個方面，分別為幾何或者運動誤差、熱變形引起的誤差、裝夾誤差以及切削力引起的誤差。

幾何或者運動誤差，是指數據機床在設計階段，設計人員沒有根據數控機床需要加工的對象的特征進行設計，而是沿用市場中常見的設計模型，不利于更加高效地完成產品的生產。在設置數據機床自身的相關設備時，沒有嚴格按照安置標準，導致數控機床自身的裝備存在一定的誤差。機床各個部件之間的結構以及精度無法得到全面的保證，當數控機床作業時，各個部件之間的運動存在著一定的相對性。

熱變形引起的誤差主要是由于數控機床的主軸以及滾絲杠受到外界高溫的影響而出現膨脹的現象，或者數控機床的工作臺以及立柱的位置出現變化，數控機床的結構也在不斷變化當中。

裝夾誤差主要體現在，數控機床夾具安裝階段沒有嚴格按照安裝的標準進行安裝，或者數控機床長時間運轉導致夾具相關部件出現變動或者松動的問題，部分原件甚至會遠離一開始的定位。另外，工件的夾緊程度也是造成誤差出現的主要原因。如果夾緊強度不高，則會造成工件與夾具分離。

切削力引起的誤差主要是由于數控機床在工作階段所承受的負載較強而使機床產生變形，以及在切削的過程中產生的高溫會隨著切割刀片傳遞至加工對象。另外，工件與加工對象的材料不相匹配也會造成一定的誤差。

2 數控機床誤差檢測方式

根據在一次測量中所得的誤差項目，可將數控機床的誤差檢測方式分為兩種，一種是單項誤差分量檢測方式，另一種則是綜合誤差分量檢測方式。

2.1 單項誤差分量檢測

單項誤差分量檢測方式主要是借助于相關的測量設備儀器，針對不同數控機床產生的幾何誤差進行單獨的測量。可根據不同的測量原理，將單項誤差分量檢測方式分為三種類型：第一種類型，借助于角規、千分尺等量規測量儀器進行測量；第二種類型，基于重力原理，需要借助于水平儀等儀器進行測量；第三種類型，利用激光原理，需要使用激光干涉儀器以及相應的光學鏡等進行測量。

2.2 綜合誤差分量檢測

綜合誤差檢測方式是指通過建立數學辨識模型，將數控機床的誤差分離出來，同時借助于相關的測量儀器實現一次性的對數控機床多個空間誤差進行測量。常見的綜合誤差測量方式有基準圓盤—雙向微位移計測頭方式、雙規球法、全周電容—圓球法、激光球桿方式等等。

此外，在綜合誤差檢測方式當中，有借助于標準件從側面進行測量的方式，即標準工件測量方式。運用標準工件測量方式，需要預先準備標定的圓形或者球形工件作為數控機床誤差測量參考的依據。工作人員在測量的過程中，通過測量的實際數值與標準工件上的標定值進行比較，判斷當前數控機床出現的運動誤差，最后將數控機床各個位置部件的誤差數據進行描繪函數，從而實現對誤差的全面掌控。當然，此種方法使用測量的誤差范圍較小，沒有較多的實用價值。

3 機床誤差檢測技術新進展

3.1 激光干涉儀技術

在傳統的激光干涉技術中，激光的調整難度比較高并且部件誤差的測量時間比較長，還需要借助一些昂貴的光學原件。基于傳統測量單項誤差的激光干涉技術，科學家們通過結合更加專業的激光設備，例如激光多普勒位移測量儀器，以及對傳統測量方式進行改革和創新，完成了對數控機床諸多移動誤差高效快速的檢測確定，為日后誤差補償的相關應用打好了基礎。

3.2 雙球規法技術

20世紀90年代提出的雙球規法是利用在雙球規內部安裝微位移計以及可以伸縮的兩個套管，同時在套管的兩端設置兩個鋼球分別與相對應的磁力凹球吸座相連接，然后將吸座裝夾在數控機床的不同位置。在測量過程中，附帶有吸座的機床部件進行相對圓的運動，而運動軌跡的精度可以通過微位移及測量，從而判斷部件工作期間是否存在誤差。隨著雙球規法的不斷發展，完成了雙轉臺五軸加工中心幾何運動的誤差檢測，同時對誤差進行了預測。整體而言，雙球規法在多軸機床的誤差檢測方面有著較好的發展前景。當然，此方法也存在一些弊端，例如受自身結構的影響，導致部分部件的誤差測量精度有限。

3.3 平面正交光柵技術

平面正交光柵法是20世紀末出現的檢驗技術，該技術的主要原理是在數據機床工作臺安裝直徑在220 mm左右的平面光柵，同時，在平面光柵表面刻畫具有較高精度的正交光柵紋路，基于動態數據對比實現誤差校驗。數控機床相關部件在運動階段，只要在平面光柵覆蓋的范圍當中，則可以借助主軸附帶的讀數頭以及后續電路將工作臺與主軸的相對運動軌跡進行測量。平面正交光柵法最新的發展是在2010年，是由上海交通大學的研究團隊借助于KGM系統完成了三軸數控機床誤差的檢測。

4 機床誤差檢測的未來發展趨勢

近年來，隨著國際科學技術水平的跳躍式發展，各個國家數控機床的持有量在不斷提升。先進的科學技術為數控機床誤差檢測提供了更多的功能，因此針對數控機床的精度再次標定以及根據誤差尋找到相關部件已成為常態化。隨著數控機床故障排除問題以及誤差補償問題的社會需求不斷增加，數控機床的誤差檢測及補償服務行業也會隨之增加。

高效、快速的數據機床誤差檢測方式已經成為世界各國當前階段并且在未來階段研究的主要方向。因為平面正交光柵技術在數控機床誤差測量過程中具有較好的靈活性，能夠根據工廠的需要快速完成誤差的檢測工作，所以對于平面正交光柵技術的改進以及擴展創新也必將成為未來的主流趨勢。

另外，隨著人們對產品的復雜曲面以及精度的需求在逐漸增高，致使數控機床誤差檢測方式逐漸由傳統的三軸機床或者坐標測量機床轉變為多軸機床的誤差檢測。在現有常用的數控機床誤差檢測方法中，雙球規法在多軸機床誤差檢測方面具備較強的優勢，有利于后續的進一步擴展。

5 結語

數控機床的誤差檢測對于保證產品的精度以及質量具有重要意義。在數控機床作業階段會由于不同的原因造成數控機床的生產誤差，為最大程度降低數控機床的誤差，需要通過諸多檢測技術找出誤差。伴隨著科學技術水平的不斷提升，數控機床誤差檢測技術也在不斷改進與完善，從而使數控機床生產出質量更高、精度更準的產品。

參考文獻

[1]劉慧玲，張建國.數控機床空間誤差檢測與補償技術研究[J].機械工程師，2014（4）：107-110.

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