數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量研究現(xiàn)狀及趨勢

馬延斌

摘 要： 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床加工精度的要求也越來越高，國際上普遍使用的提高數(shù)控機(jī)床加工精度的方法就是進(jìn)行幾何誤差的測量?；诖?，本文先是分析了數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量研究的現(xiàn)狀，然后闡述了數(shù)控機(jī)床中的硬件靜態(tài)補(bǔ)償、系統(tǒng)參數(shù)補(bǔ)償和坐標(biāo)偏置補(bǔ)償這三種誤差補(bǔ)償，最后進(jìn)行了數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量研究趨勢的分析。目的是幫助相關(guān)人員更好地進(jìn)行數(shù)控機(jī)床幾何誤差的測量。

關(guān)鍵詞： 數(shù)控機(jī)床；幾何誤差；誤差補(bǔ)償

前言：機(jī)床制造業(yè)可以看做是國民經(jīng)濟(jì)的“心臟”，是國家裝備工業(yè)實(shí)力的具體體現(xiàn)，與國家的核心競爭力有著直接的關(guān)系。雖然我國是一個數(shù)控機(jī)床制造大國，但是在高性能、超精密的機(jī)械加工技術(shù)方面，仍與世界先進(jìn)水平存在著很大的差距，誤差防止和誤差補(bǔ)償是提高數(shù)控機(jī)床精度的主要方法。因此，對于數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量研究現(xiàn)狀及趨勢的分析是很有必要的。

1.數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量研究現(xiàn)狀

目前常用的數(shù)控機(jī)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(diǎn)的坐標(biāo)，具有測量范圍大和測量方便等方面的優(yōu)點(diǎn)。近些年來，國內(nèi)外的多名研究學(xué)者先后使用激光跟蹤測量方法進(jìn)行了大型數(shù)控機(jī)床和三坐標(biāo)測量機(jī)的空間誤差測量，成為了目前研究的熱點(diǎn)。激光跟蹤測量方法即將列入數(shù)控機(jī)床檢測的國家標(biāo)準(zhǔn)中，測量方法也由單臺激光測量儀器測量轉(zhuǎn)向多臺激光測量儀器測量，甚至向多站進(jìn)行測量的方向發(fā)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(jìn)行測量雖然精度有一定的提高，但是在實(shí)際的使用中，多臺儀器同時對同一目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)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(yīng)用到三坐標(biāo)測量機(jī)以及數(shù)控機(jī)床幾何誤差的測量以來，球桿儀就成為了最受歡迎的數(shù)控機(jī)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(shù)控機(jī)床的主軸和工作臺上，以此來控制數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動是圓形的，球桿儀會將運(yùn)動的圓形軌跡和標(biāo)準(zhǔn)圓軌跡進(jìn)行對比，綜合分析出數(shù)控機(jī)床中各種單項(xiàng)誤差的參數(shù)。由于球桿儀的使用方便、操作簡單，國內(nèi)外很多專家學(xué)者都使用球桿儀來進(jìn)行三軸或者五軸數(shù)控機(jī)床中的各種單項(xiàng)幾何誤差以及動態(tài)伺服誤差，并以此形成了IS0230-4標(biāo)準(zhǔn)。但是球桿儀的測量桿長度只能在有限的間距內(nèi)變化，而且測量桿的長度比較短，使得球桿儀在進(jìn)行大型數(shù)控機(jī)床幾何誤差的測量以及補(bǔ)償空間誤差時存在比較大的局限性。

2.數(shù)控機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償研究

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

2.1 硬件靜態(tài)補(bǔ)償

此種補(bǔ)償方法主要是通過改善機(jī)床的較大動作誤差來達(dá)到補(bǔ)償目的。在存在運(yùn)動誤差的運(yùn)動軸上增設(shè)一種能夠修正位移量的硬件裝置，這實(shí)際上就是一種硬件補(bǔ)償方法，應(yīng)用過程中無法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償信號的實(shí)施反饋要求，同樣也不能依據(jù)實(shí)際工況對其進(jìn)行補(bǔ)償值的有效調(diào)整[1]。

2.2 系統(tǒng)參數(shù)補(bǔ)償

系統(tǒng)參數(shù)補(bǔ)償方法的實(shí)現(xiàn)，需要利用數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的集成補(bǔ)償功能模塊改變系統(tǒng)參數(shù)，從而達(dá)到誤差補(bǔ)償?shù)哪康?。具體的補(bǔ)償類型包括螺距誤差補(bǔ)償、反向間隙補(bǔ)償、熱誤差補(bǔ)償、直線度誤差與垂直度誤差補(bǔ)償。此種補(bǔ)償方式存在魯棒性較差的不足，正對數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)工況較為復(fù)雜的熱誤差現(xiàn)象，難以達(dá)到相應(yīng)的補(bǔ)償精度要求。

2.3 坐標(biāo)偏置補(bǔ)償

這種補(bǔ)償方法被上海交通大學(xué)項(xiàng)目組充分利用，基于數(shù)控機(jī)床的外部機(jī)械原點(diǎn)偏移功能，研發(fā)出了機(jī)床誤差補(bǔ)償系統(tǒng)，利用機(jī)床PMC的I/O接口，向數(shù)控系統(tǒng)輸入誤差補(bǔ)償值，從而完成補(bǔ)償流程。從現(xiàn)階段的試驗(yàn)與應(yīng)用效果來看，具有硬件成本低、補(bǔ)償精度高的特點(diǎn)優(yōu)勢。此外，上海交通大學(xué)的項(xiàng)目組成員還以此為基礎(chǔ)制定出兩種具有高度可行的誤差動態(tài)實(shí)時補(bǔ)償方案。第一種方案以數(shù)控系統(tǒng)外部補(bǔ)償器的控制功能為基礎(chǔ)，通過外部補(bǔ)償器將其接收到的溫度信號、位置信號與切削力信號進(jìn)行并算，再將得出的補(bǔ)償值輸入到數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償[2]。第二種方案以數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部補(bǔ)償系統(tǒng)控制功能為基礎(chǔ)，數(shù)控系統(tǒng)通過自身直接接受外部溫度信號與切削力信號、內(nèi)部位置信號，并算得到補(bǔ)償之后直接進(jìn)行誤差補(bǔ)償。兩種方案當(dāng)中都采用了數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中外部坐標(biāo)系的偏移功能，最終才能實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床幾何誤差的動態(tài)實(shí)時補(bǔ)償。

3.數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量研究趨勢

通過對數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量研究現(xiàn)狀的分析，能夠進(jìn)一步對其未來的研究趨勢進(jìn)行相對準(zhǔn)確的判斷?，F(xiàn)階段，對引發(fā)數(shù)控機(jī)床幾何誤差的測量與補(bǔ)償并不能做到真正的實(shí)施解決，在很大程度上制約了數(shù)控機(jī)床的精度提高以及機(jī)床制造水平提升。實(shí)際數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量過程中，對于一臺數(shù)控機(jī)床的測量可能就要幾天甚至幾周，最終得出的測量結(jié)果也并不能得到有效補(bǔ)償或抑制。要想實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床的多誤差參數(shù)進(jìn)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(shù)、快速、高精度的綜合測量儀器，進(jìn)一步提升獲取機(jī)床與坐標(biāo)測量機(jī)的誤差補(bǔ)償所測空間誤差的速度，并實(shí)現(xiàn)幾何誤差等多誤差的準(zhǔn)確分離，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量與建模。

結(jié)束語：綜上所述，數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量可以提高數(shù)控機(jī)床加工和制造的精度。分析可得，通過對數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量研究現(xiàn)狀及趨勢的分析，我國要加大力度研發(fā)高精度和多參數(shù)的快速綜合測量儀器，這樣才能設(shè)計出高精度、高性能的數(shù)控機(jī)床，從而促進(jìn)我國制造業(yè)的發(fā)展，提高我國工業(yè)在世界上的競爭力。希望本文可以為相關(guān)人員分析數(shù)控機(jī)床幾何誤差測量研究現(xiàn)狀及趨勢提供參考。

參考文獻(xiàn)

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