数控机床体积定位精度

高等学校全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目（200131） 云南省省院省校科技合作项目（200YSJ02）

数控机床体积定位精度的测量与补偿

关贺 杨建国 窦小龙 邓卫国 (上海交通大学机械工程学院，200030，上海)

Charles Wang (Optodyne Incorporation,United States)

摘要：本文介绍一种使用激光多普勒位移测量仪，对数控机床进行体积误差检测的激光矢量测量新方法。该方法可以方便而快速的检测出机床的体积定位精度，包括3个定位误差、6个直线度误差和3个垂直度误差；同时还可以根据测量的体积定位误差数据生成误差补偿的代码，进而可以对其进行体积定位误差的补偿，大幅度提高了数控机床加工精度。 关键词: 数控机床 体积误差 激光测量 补偿

1 引言

数控机床的体积定位精度包括线性位移误差、直线度误差、垂直度误差、角偏和刚性误差，这些误差决定了数控机床的精度性能。对于现代的数控机床，在假设误差是可重复的并可

以测量的情况下[1、2]

，通过软件补偿可以大大提高机床的精度性能。该方法的性能价格比较高是提高机床精度的一个较好的方法。

数控机床由于其本身的运动比较复杂，因此其运动过程中产生的各种误差相对来说也比较复杂。以三轴加工中心为例，有21项误差元素，如图1所示。目前所采用的测量方法很多，其中大多都是利用激光测量。传统的方法对机床的体积定位精度的完整检测非常复杂和耗时。鉴于上述原因，许多国际化标准组织推荐了一种沿体对角线进行测量的方法。所谓体对角线就是指在空间直角坐标系中，由机床工作台三个进给方向上的最大行程所围成的长方体的对角线。国际化标准组织推荐该法的主要原因是体对角线的测量对各种误差元素非常敏感。但是该法的一个致命的缺陷是在测量过程中它无法获得足够的信息用于分离各误差元素。

X-Z 垂直度误差εxz

Y-Z

定位误差δy(Y)

X 向直线度误差δx(Y)

滚动误差εy(Y)

εx(Y)

偏转误差

εz(Y)

X-AXIS

Y-AXIS

Z-A XIS

Z 向直线度误差δz(Y)

X-Y 垂直度误差εxy

图1 21项误差元素

本文介绍一种新的激光矢量测量方法—激光多步矢量法,利用激光多谱勒测量仪[3]进行多步的体对角线测量可以很容易地根据矢量原理测量出机床的各项误差。这里应用该方法我们对一台数控机床进行了检测，再通过补偿，提高了机床的精度。

2 激光多步矢量法 2.1 传统的体对角线测量

体对角线测量法由于其检测的快速性曾经备受推荐[4]。该方法和激光线性位移测量方法基本相同,唯一不同的地方在于体对角线测量法将激光束的方向沿着对角线方向，而线性位移测量是将激光束的方向沿着坐标轴的运动方向。具体的操作如下：先校准激光束的方向，使之平行于体对角线方向；将一块反射镜通过磁性座安装在主轴上，然后就可移动主轴进行测量 。如图2所示，机床共有四条体对角线，可以先从任何一条体对角线开始测量。例如从左下角a 沿着对角线方向到右上角g 。从左下角a 出发，沿对角线方向移动主轴，到达体对角线上新的一点，此时可以测量到一个位移误差。假设主轴沿体对角线的位移是R ，则所测量到的误差是

位移R的的位移误差dR。接着可以继续移动主轴进行位移误差的测量，一直到主轴运动到对角线的另一个角g。同样地对其它三条对角线进行测量。上述测量的每一个位置的定位精度实际上取决于三个轴的定位精度，通常也受机床的几何精度的影响。应该说体对角线测量法是一个比较好的测量方法，但是其不能识别误差源，当然也不能用来对机床进行补偿。

图2 四条体对角线图3 分轴步进

2.2 矢量测量法

2.2.1 基本思想

在本文所介绍的激光测量中，之所以将该方法称为矢量测量法是因为所测得的位移误差是平行于运动轴线方向的误差和垂直于运动轴线方向的误差的矢量和。即每次所测得的误差都是三个互相垂直的误差元素的矢量和。

图 4 激光矢量测量

矢量测量法与传统的体对角线测量法的不同点在于矢量法采用多步测量，如图3所示。进行多步体对角线测量，必须首先定义对角线起始点（Xs,Ys,Zs）以及终点(Xe,Ye,Ze)。由此可知机床的工作空间范围为（Xe-Xs）×(Ye-Ys) ×(Ze-Zs)。假设每轴的测量点数为n,则所有增量点数为3n,各轴的增量分别为Dx、Dy、Dz，其中：

Dx=(Xe-Xs)/n (1)

Dy=(Ye-Ys)/n (2)

Dz=(Ze-Zs)/n (3) 如图2所示机床共有四条体对角线。这里以一条为例，即a→g。采用矢量测量法对该条对角线测量的路径如下：安装在主轴上的移动光靶（平面反射镜）从a点(Xs,Ys,Zs)开始，在X 轴方向以某一进给率F（通常是最大进给率20%到80%）移动Dx后，暂停T秒（不同的机器停留的时间稍有不同，通常是1到10秒，暂停过程中，软件会自动的采集数据），而后在Y 方向以相同的进给率以及暂停时间移动Dy，最后在Z轴方向以相同的进给率和暂停时间移动Dz。重复上述步骤一直到移动到体对角线的另一点g。在这一条对角线的测量过程中，每轴各走n次，三轴共走3n次。对于其它三条对角线而言，要分别改变起始点和各轴的增量。当然四条体对角线实际上会形成八条运动路径，其它四条路径的方向和上述方向正好相反。

从上面的过程可以看到，主轴每次移动到体对角线方向上的一个新的位置，使用矢量测量法能够测量到三个位移误差。而且沿每个轴方向测量到的数据是仅仅由于主轴沿该轴方向运动独立产生的，这样就可以将所测量到的误差数据分离为三个轴方向运动独立产生的，从而达到误差分离的目的。

传统的体对角线测量中，移动光靶（做反射用）的轨迹是一条直线，在开始光线对准之后，在运动过程中一般不允许其有侧向位移，以免光线跑掉。而在激光矢量测量方法中，移动