数控机床几何误差测量研究现状及趋势

马延斌

摘 要： 随着科学技术的不断发展，数控机床加工精度的要求也越来越高，国际上普遍使用的提高数控机床加工精度的方法就是进行几何误差的测量。基于此，本文先是分析了数控机床几何误差测量研究的现状，然后阐述了数控机床中的硬件静态补偿、系统参数补偿和坐标偏置补偿这三種误差补偿，最后进行了数控机床几何误差测量研究趋势的分析。目的是帮助相关人员更好地进行数控机床几何误差的测量。

关键词： 数控机床；几何误差；误差补偿

前言：机床制造业可以看做是国民经济的“心脏”，是国家装备工业实力的具体体现，与国家的核心竞争力有着直接的关系。虽然我国是一个数控机床制造大国，但是在高性能、超精密的机械加工技术方面，仍与世界先进水平存在着很大的差距，误差防止和误差补偿是提高数控机床精度的主要方法。因此，对于数控机床几何误差测量研究现状及趋势的分析是很有必要的。

1.数控机床几何误差测量研究现状

目前常用的数控机床几何误差测量方法主要有以下几种：

1.1 激光跟踪测量

激光跟踪测量方法可以直接测定空间一点的坐标，具有测量范围大和测量方便等方面的优点。近些年来，国内外的多名研究学者先后使用激光跟踪测量方法进行了大型数控机床和三坐标测量机的空间误差测量，成为了目前研究的热点。激光跟踪测量方法即将列入数控机床检测的国家标准中，测量方法也由单台激光测量仪器测量转向多台激光测量仪器测量，甚至向多站进行测量的方向发展。单台激光跟踪测量仪器虽然使用很方便，但是测量的精度有一定的限制；使用多台激光测量仪器进行测量虽然精度有一定的提高，但是在实际的使用中，多台仪器同时对同一目标点进行测量是比较困难的，而且成本也比较高；目前使用最广泛的是单台激光跟踪仪器多基站测量，由于该方法是使用多基站，激光跟踪仪器测角的误差对于空间误差的影响就比较小，但是测量的精度仍旧偏低，而且测段的时间也比较长。

1.2 球杆仪测量

自从布莱恩提出球杆仪的测量原理，并将球杆仪应用到三坐标测量机以及数控机床几何误差的测量以来，球杆仪就成为了最受欢迎的数控机床几何误差测量仪器。球杆仪在使用时，它的两端要分别安装在数控机床的主轴和工作台上，以此来控制数控机床的运动是圆形的，球杆仪会将运动的圆形轨迹和标准圆轨迹进行对比，综合分析出数控机床中各种单项误差的参数。由于球杆仪的使用方便、操作简单，国内外很多专家学者都使用球杆仪来进行三轴或者五轴数控机床中的各种单项几何误差以及动态伺服误差，并以此形成了IS0230-4标准。但是球杆仪的测量杆长度只能在有限的间距内变化，而且测量杆的长度比较短，使得球杆仪在进行大型数控机床几何误差的测量以及补偿空间误差时存在比较大的局限性。

2.数控机床几何误差补偿研究

上述数控机床几何误差测量的相关研究，其研究目就在于误差补偿，利用有效的误差补偿方法能够在很大程度上提升数控机床的加工精度，就目前的研究现状来看，主要的补偿方法有以下几种：

2.1 硬件静态补偿

此种补偿方法主要是通过改善机床的较大动作误差来达到补偿目的。在存在运动误差的运动轴上增设一种能够修正位移量的硬件装置，这实际上就是一种硬件补偿方法，应用过程中无法实现补偿信号的实施反馈要求，同样也不能依据实际工况对其进行补偿值的有效调整[1]。

2.2 系统参数补偿

系统参数补偿方法的实现，需要利用数控系统内部的集成补偿功能模块改变系统参数，从而达到误差补偿的目的。具体的补偿类型包括螺距误差补偿、反向间隙补偿、热误差补偿、直线度误差与垂直度误差补偿。此种补偿方式存在鲁棒性较差的不足，正对数控机床生产工况较为复杂的热误差现象，难以达到相应的补偿精度要求。

2.3 坐标偏置补偿

这种补偿方法被上海交通大学项目组充分利用，基于数控机床的外部机械原点偏移功能，研发出了机床误差补偿系统，利用机床PMC的I/O接口，向数控系统输入误差补偿值，从而完成补偿流程。从现阶段的试验与应用效果来看，具有硬件成本低、补偿精度高的特点优势。此外，上海交通大学的项目组成员还以此为基础制定出两种具有高度可行的误差动态实时补偿方案。第一种方案以数控系统外部补偿器的控制功能为基础，通过外部补偿器将其接收到的温度信号、位置信号与切削力信号进行并算，再将得出的补偿值输入到数控系统当中实现误差补偿[2]。第二种方案以数控系统的内部补偿系统控制功能为基础，数控系统通过自身直接接受外部温度信号与切削力信号、内部位置信号，并算得到补偿之后直接进行误差补偿。两种方案当中都采用了数控机床数控系统中外部坐标系的偏移功能，最终才能实现对数控机床几何误差的动态实时补偿。

3.数控机床几何误差测量研究趋势

通过对数控机床几何误差测量研究现状的分析，能够进一步对其未来的研究趋势进行相对准确的判断。现阶段，对引发数控机床几何误差的测量与补偿并不能做到真正的实施解决，在很大程度上制约了数控机床的精度提高以及机床制造水平提升。实际数控机床几何误差测量过程中，对于一台数控机床的测量可能就要几天甚至几周，最终得出的测量结果也并不能得到有效补偿或抑制。要想实现对数控机床的多误差参数进行高精度且快速的测量，可从测量仪器方面入手，通过多参数、快速、高精度的综合测量仪器，进一步提升获取机床与坐标测量机的误差补偿所测空间误差的速度，并实现几何误差等多误差的准确分离，从而实现准确测量与建模。

结束语：综上所述，数控机床几何误差测量可以提高数控机床加工和制造的精度。分析可得，通过对数控机床几何误差测量研究现状及趋势的分析，我国要加大力度研发高精度和多参数的快速综合测量仪器，这样才能设计出高精度、高性能的数控机床，从而促进我国制造业的发展，提高我国工业在世界上的竞争力。希望本文可以为相关人员分析数控机床几何误差测量研究现状及趋势提供参考。

参考文献

[1]张达. 刍议球杆仪在数控机床几何误差测量中的应用[J]. 现代制造技术与装备，2015，（02）：63-64-75.

[2]邹华兵. 三轴数控机床几何误差测量与辨识的研究[J]. 制造技术与机床，2015，（07）：141-145. [2017-08-25].endprint