数控机床在线测量技术与误差分析_张金晶

Equipment Manufactring Technology No.9，2009

为了保证数控机床这样的高度自动化设备连续可靠的工作，需要具有自动检测的功能。现代制造工业的发展，对数控机床的在线检测技术提出了更高的要求，要实现数控机床高精度在线检测，应对监测系统的组成、工作原理及主要误差进行仔细地分析，才可能尽量避免误差，或根据这些来源情况采取相应的措施，以对误差进行补偿，实现计算机辅助数控机床高精度在线测量。

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在线测量技术

在高科技术飞速发展的今天，测量技术对一个国家的综

合发展，起着十分重要的基础作用。如果没有先进的测量技术与测量手段，就不可能有先进的高质量产品，就很难制造出单项性能及综合性能均优良的产品，更谈不上发展现代高新尖端技术。因此，世界上工业发达的国家，都非常重视研究和发展各种测量技术。这里所涉及到的测量，具体是指机械加工生产过程中机械产品的成品及半成品的测量。按加工过程和测量过程是否在同一设备上进行，测量方法大致可分为离线测量和在线测量两种方式。

离线测量，一般是在大批量生产中应用，适于流水生产线作业、加工与测量分别在专用设备上进行，在加工设备上加工完工件后需将工件移至测量设备上进行测量。这样就不可避免地带来了二次装卡的误差，也易对工件造成损伤，如划伤表面、工艺变形等。

在线测量，即加工与测量均在同一设备上进行。如在安装了测头系统的数控机床上，工件经过一次装卡后，即可完成加工与测量，省时省力，且降低了测量成本，也无二次装夹误差。若进行序中测量，可以降低废品率，也可以尽早发现废品，避免造成加工浪费。1.1

在线测量技术的重要性

机械加工是先进制造技术的基层作业，是先进制造系统中最基本最活跃的环节。其基本目标是在低成本、高生产率的条件下，保证产品的质量。为了实现该目标，急需研究开发的关键技术之一就是机械加工在线测量技术。特别是在多品种小批量生产条件下，研究先进的在线测量技术，意义尤其重

大。因为在线测量是加工测量一体化技术的重要组成部分，是保证产品质量和提高生产率的重要手段。国内外很早就认识到在线测量技术的重要性，而进行了大量的研究工作，并且在实际中得到了广泛的应用。但由于各种加工过程特殊的复杂性，现有的在线测量系统，大都是专用性的，其灵活性、可调性、适应性较差，而且测量准确度受到限制，不适用于社会化生产加工。在超精密加工中，

机床的精度比一般测量仪器和三坐标测量机的精确度还高，如果把机床和合适的测量系统有机地结合起来，即可实现零件加工，又可实现工件精度的在线测量。这样机床即可作加工用，又可作测量用，扩大了机床的应用范围，又解决了零件的测量问题。1.2

在线测量是并行工程的思想体现

传统的零件测量方法是很费时的，常常采用离线测量。需把校测零件从加工设备转移到测量设备上，有时在一个加工过程中甚至需要几个来回，在很多情况下传统方法检测工件的费用上升，超过了工件的加工费用。因此通过使用在线测量来代替离线测量，使得在线检测的效率和精确度得到保证的条件下，使质量检测过程更靠近加工过程，从而保证了工件从加工设备上卸下的时候就是合格品。边加工边测量，及时发现问题及时处理，这也是并行工程的思想体现。1.3

数控机床上的在线测量

在数控机床上采用测头进行测量时，先将测头安装在机床的主轴上，然后操作者手动控制机床移动，使测头测针上的触头与工件表面接触，由机床的数控系统实时地记录并显示主轴的位置坐标值。因此，可以结合测针的触头与工件的具体位置关系，利用机床主轴的坐标值换算出工件被测量点的相关坐标值。获得工件的各个被测量点的相关坐标值以后，再根据各坐标点的几何位置关系进行相关计算，便可以获得最终的测量结果。

2测量误差的来源与分类

在任何一项测量中，无论采用多么完善的测量方法和测

量器具，由于各种因素的影响，所得到的测量值总会存在误差。就是同一台仪器，按同一种方法，由同一测量者对同一个

数控机床在线测量技术与误差分析

张金晶

（株洲职业技术学院，湖南株洲412000）

摘要：对数控机床在线测量技术和系统误差分析进行了研究，认为随着制造技术的不断发展，对于超精密加工，相应的测量设备必须跟上，才能保证精度达到设计要求；要开发出具有在线测量功能的数控机床，才能够适应机械加工的需求。关键词：数控机床；在线测量；误差分析中图分类号：TG806

文献标识码：B

文章编号：1672-545X （2009）09-0082-02

收稿日期：2009-06-26作者简介：张金晶（1963—），女，浙江宁波人，讲师，主要从事机械制造方面的教育与研究。

计量与检测

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《装备制造技术》2009年第9期

测量对象进行测量，其结果往往也是不同的。因此，在任何一次测量中，所得到的测量结果，仅仅是被测量的近似值，在每次测量过程中，要考虑影响测量精度的误差组成来源。测量误差主要来源于以下4个方面。

2.1测量装置误差

测量装置误差，指的是量具或者量仪及其附近和提供标准量值的基准件。测量器具因为本身设计上的原因，如用近似机构代替理论机构，用均匀刻度代替理论上要求的非均匀刻度，会给测量结果带来误差。这种误差称为理论误差。测量器具零件的制造误差和装配调整达不到理想状态，也会引起测量误差。

2.2方法误差

由于测量方法本身不够准确而引起的误差，称为方法误差。例如用测量大轴圆周长S来间接测量轴直径d时，因为公式d=S/π中的常数π取近似值计算，所造成的误差就属于方法误差。

2.3环境误差

由于环境因素的影响而产生的测量误差，被称为环境误差。环境因素中温度的影响一般比较大，因此规定：标准的测量温度为20℃，高精度测量应在恒温条件下进行；温度和湿度需视测量精度的不同，保持在不同的允许范围内；被测体与量具都达到标准温度后，才能进行测量。

2.4人员误差

由于测量人员的本身因素给测量结果带来或大或小的误差称为人员误差。

根据误差的性质和特点，可把测量误差分为粗大误差、系统误差和随机误差（也称偶然误差）三大类。

3误差分析

对数控机床在线测量工作过程及特点的分析研究表明，数控机床在线测量和加工的共同点是：测头与刀具分别作为数控机床的一个末端件，工件作为另一个末端件，由数控机床工作部件带动进行在线检测或加工所必须的工作运动，工作部件和工作运动相同；数控机床在线检测与加工的主要区别是：首先是执行部件不同，在线检测的执行部件是测头，而加工时为刀具；其次是进行在线检测时，无切削运动，不产生切削力和切削热；而测头测量时，受测量力的影响。

3.1测头系统误差

测头系统误差主要包括由测头的结构和测量方式所决定的测头静态误差、测头动态误差以及测头在机床上的安装误差。触发式测头进行检测时，红宝石测球接触被测物体，并达

到一定的测量力，使得测杆对于支点产生的力矩大于由弹簧及芯体重力的合力所产生的阻力矩时，触电开启，电流回路断开，发出触发信号。测头触发信号通过机床与测头接口成为数控机床可识别且反应的信号。一旦测量力消失，测头芯体带动测杆在弹簧力的作用下复位。

（1）静态误差。包括测头预行程（死区误差）和测头重复定位误差，它随测杆长度、刚度、接触压力的改变而改变，是一项不可忽略的误差。测头重复定位误差，是测头机构重复定位时产生的随机误差，由于触发式测头是一种高精度测量仪器，误差传递中间环节少，此项误差很小。因此，测头的静态误差主要由测头预行程量决定。

（2）测头动态误差。根据触发式测头检测过程时序和检测误差分析可知，测头动态误差分为两种：动态误差和动态随机误差。动态误差与测头检测时的接触速度和数控系统采样间隔有关。

（3）测头安装定位误差。包括测头重复定位误差、主轴锥孔误差、测头锥柄误差，并受配合面清洁程度的影响。由于重复定位误差，可使测头检测产生离散度。除了制造安装误差外，用机械手换测头（或刀具），常造成自动换刀中的撞击，也使主轴锥孔和测头锥柄产生误差，直接影响测头在数控机床上的测量精度。

3.2几何误差分析

三坐标数控机床一般都具有三个相互垂直的直线运动轴（X，Y，Z），在理想情况下，测头和工件的相对位置是由工件部件的相对运动来实现的。实际上，由于存在零部件的制造、安装误差和伺服系统的跟踪误差，以及间隙、润滑等因素，机床各工作部件在进行程序规定的测量运动时，都会产生误差运动。数控机床的几何误差，便是综合反映机床各关键零部件经组装后的综合几何误差。

4结束语

目前的数控机床在线测量系统大都是专用系统，缺乏通用的设计思路和概念。因此，针对目前的数控加工的要求和曲面测量的实际需求，开发用于数控机床的自动测量系统是十分迫切的。本文首先简要介绍在线测量技术，然后介绍了测量误差的来源与分类，最后分析了系统的误差。

参考文献：

[1]袁琦,罗政,虞踊.提高触发式测头使用精度的研究[J].工具技

术,1999,(03):25-29.

[2]王红敏，石沛林.三坐标测量机测头的测球半径补偿误差的计算

[J].工具技术,2003,(07):63-65.

CNC Machine Tools Online Measurement Techniques and Error Analysis

ZHANG Jin-jing

(Zhuzhou Vocational and Technical College，Zhuzhou Hunan412000,China)

Abstract:This article on-line measurement of NC machine tool technology and analysis of systematic errors were studied.With the continuous development of manufacturing technology for ultra-precision machining,the corresponding measuring equipment must keep up with in order to ensure the machining accuracy to meet the design requirements.The development of online measurement capabilities with CNC machine tools,able to adapt to the needs of machining.

Key words:CNC machine tools;online measurement;error analysis

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