大连交通大学研究生学院
《数控技术》课程学期论文
数控机床空间几何精度校准技术 Geometric accuracy of CNC machine tool
calibration
学 号： 20102046 姓 名： 杨盈彧 专 业： 机械制造及其自动化 指导老师： 王 春 日 期：2011年04月22日
数控机床空间几何精度校准技术
杨盈彧
（大连交通大学 研究生院，辽宁 大连116028）
摘 要：为了改善机床的空间几何精度,达到高精度的三维空间定位,必须对它的垂直度误差与直线度误差进行测量与校正.现在介绍一种采用多普勒激光干涉仪对数控机床体对角线进行测量，利用分轴步进法的原理，通过对数控机床空间误差补偿原理的研究，自编空间误差补偿软件和接口通讯软件，通过建立的空间误差补偿模型，分离出数控机床的12个误差分量，自动产生空间误差补偿表，通过接口通讯软件，把空间误差补偿表写入数控机床，实现了数控机床空间几何精度的补偿，且补偿效果明显。与目前数控机床通用的螺距误差补偿方式相比，这在技术上是一个大的飞跃。 关键词：空间几何精度；激光干涉仪；体对角线；误差补偿 中文分类号：TP391.4文献标识码：A
Geometric accuracy of CNC machine tool calibration
Yang ying-yu
(College of graduate school Dalian Jiaotong University Dalian 116028, China)
Abstract: To improve the volumet ricaccuracy of machine tools , it is necessary that squareness and straightness errors of machine tools are measured , compensated and calibrated. This paper introduce a Doppler laser interferometer using CNC machine tools to measure the body diagonal, using the principle of sub-axis stepper law, through the principle of error compensation of CNC machine tools space research, self space error compensation software and interface communication Software, through the establishment of the spatial error compensation model, separation of the 12 CNC machine tools error components, automatic generation of space error compensation tables, through the interface communications software, the space to write CNC machine tool error compensation table to achieve geometric accuracy of CNC machine tools Compensation, and compensation effect is obvious. CNC machine tools with the current general compared to the pitch error compensation, which is technically a big leap.
Key words: Geometric accuracy; Laser interferometer; Body diagonal; Error compensation
0 引言
目前数控技术发展较快，在今年的第六届中国数控机床展上，九轴五联动卧式车铣复合中心、高速卧式加工中心、精密卧式加工中心、五轴联动精密电加工成形机床、大型五轴高效数控铣齿机、带自动穿丝装置的精密数控单向走丝机床、高速重载滚珠丝杠和直线滚动导轨（成组）、数控铺缠机、双摆角数控万能铣头、高效可转位刀具及超硬工具系列等高新产品一一亮相。多种现代先进技术，如有限元法分析技术、双驱同步技术、传动链消隙技术、热变形控制与补偿技术、μ级精度加工技术、直驱技术、直线电机驱动技术、多轴多通道及多轴联动控制技术、前瞻控制及轨迹平滑处理技术、速度前馈位置与速度的精准控制技术、自动平衡与自动校正技术、在线测量技术、自动监测与故障诊断技术、智能控制技术、柔性制造技术、人机工程以及绿色环保的自润滑与干式、亚干式加工技术等等，在数控机床上得到了广泛的应用，将
[10]
数控机床水平推向了一个崭新的高度。这些新技术、新产品的涌现，让从事数控研究的人更加感到了自己身上担子的重大。本文所讲述的空间几何精度校准技术也是一种最前沿的数控技术，它相对于20年前
的机床通用的螺距误差补偿方式在技术上是一个大的飞跃。为了达到高精度的机床三维空间定位,机床上所有的3个位移误差、6个直线度误差和3个垂直度误差都得测量与校正,以改善机床的运动性能而提高加工
【1】
精度.激光干涉仪是机床误差测量与校正中具有测量精度高、测量方法相对完善及测量技术相对成熟的测量工具.目前,国内外学者对利用激光干涉仪测量机床的21项几何误差提出了多种测量方法,如22线法[2]、
[2][2][2]
15线法、14线法、9线法等.但在实际测量时,这些方法还是比较复杂. 使用传统的激光干涉测量仪测量机床直线度和垂直度相当花时而且成本高,通常有经验的操作者花数天停机时间才能完成这些测量.为了便于机床空间位置精度的快速检定,ISO2302-6与美国国家标准ASME B5.54[5,6]中推荐了沿机床工作台3个进给方向上的最大行程所围成的4 条体对角线进行快速测量的方法,该方法在一定程度上可以反映机床的几何精度,改进了机床误差的测量过程. 由于这些测量相当的简便、快速和直接,又不需要增加成本和长的停机时间,所以被波音公司以及其他一些公司成功应用多年,满足了用户需求,但使用该方法不能获得用于补偿的误差信息[7].美国光动公司等[8]提出的基于体对角线的位移误差多步测量(向量测量)方法,突破传统干涉仪的瓶颈,加上专利产品(美国专利6,519,043,2/11/2003)“激光多普勒位移量尺”(Laser Doppler Displacement Meter-LDDM) 可以方便而快速地获得机床3个运动轴的3项位移误差、6项直线度与3项垂直度误差,准确地反映了机床的几何精度,为空间位置误差测量及补偿提供了理论指导.该方法使用一套简单、便携式的激光多普勒干涉仪,在几小时内将机床的各种误差全部测量出来,从而大大降低了测量时间与测量成本.
1 激光多普勒位移测量原理[6]
为了解决反射镜的侧向平移问题, 本文提出一种基于激光多普勒位移测量仪的测量方法, 并且以平面镜作为反射镜, 由于平面镜作垂直于激光方向的任何侧向平移都不会影响激光的反射方向, 即平面反射镜的反射方向与沿体对角线方向的激光发射方向始终是一致的. 又因为工作台经过3 个方向的步进位移后,反射镜的中心将再次回到对角线方向上, 所以平面镜的半径只要略大于最大步进增量位移皆可,测量原理如图1所示.
图1 基于体对角线的矢量测量原理
激光多普勒位移测量是应用雷达原理、多普勒频差效应及光学外差原理,利用反射镜移动时对激光束反射所产生的激光频率的多普勒频移来进行位移测量.如图2所示激光多普勒频差效应原理.
图2 激光多普勒频差效应原理
激光头射出的频率为f0,经平行反射镜反射回到探测器,当平行反射镜不动时,其反射波频率fc=f0.当反射镜以v的速度移动时(v=dx/dt,其值相互远离时为正, 相互移近时为负),因为光程增加(减少)了2vt,反射波fτ的数值会减小（增大）2v/λ0（λ0为激光波长），即：
Δf=f0-fτ==由此可得在时间t内激光头与反射间的相对运动距离：
X=2 0Δf dt （2） 激光多普勒位移测量仪采用了一个鉴相器,每当相位φ积满一个2π,鉴相器便输出一个增位(减位)脉冲,通过鉴相器发出的脉冲数可测知位移x,即:
X=2(N+2x) （3） 式中，N为积分满一周期（即2π的周数），
Δφ2x
λ0
Δφ
λ0
t2y
2dxλ0λ0dt
（1）
为未满一周期的余量.
2 机床几何精度
就三轴机床而言,每轴共有6项误差,或换句话说,三轴共有18项误差加上3项垂直度误差,这21项刚体误
[7]
差可以表示如下：
直线位移误差:Dx ( x) ,Dy ( y) ,Dz ( z) ; 垂直直线度误差:Dy ( x) ,Dx ( y) ,Dx ( z) ; 水平直线度误差:Dz ( x) ,Dz ( y) ,Dy ( z) ; 横转度误差:Ax ( x) ,Ay ( y) ,Az ( z) ; 俯仰度误差:Ay ( x) ,Ax ( y) ,Ax ( z) ; 偏摇度误差:Az ( x) ,Az ( y) ,Ay ( z) ; 垂直度误差:φx y ,φy z ,φz x .
其中D为直线误差,下标表示位移方向,位置坐标为函数中的变量;A 为角度误差,下标表示旋转方向,位置坐标为函数中的变量.
3 现有几何精度定义和最新的定义
对于三轴机床而言,主要的定位误差为各轴的位移误差Dx ( x) ,Dy (Y) ,Dz ( z) , 几何误差则定义为这些位移误差和的平方根,因此可表示如下式: 几何误差= sqrt{[Max Dx ( x) - Min Dx ( x) ]2 +[Max Dy ( Y) - Min Dy ( Y) ]2 +[Max Dz ( z) - Min Dz (z) ]2 ) }
上述定义当主要误差为三项位移误差(或丝杠螺距误差)时是正确的,但是近年来的机床,其主要误差为直线度误差与垂直度误差 远大于直线位移误差,因此上述的定义并非绝对符合实际.相对而言最新的定义就更能准确的检测空间的几个精度，对比如下：
各轴向的定位误差Dx ( x , y , z) ,Dy ( x , y , z)及Dz ( x , y , z) 为位移误差与直线度误差的和, 可表示如下三式: Dx ( x , y , z) = Dx ( x) + Dx ( y) + Dx ( z) （1） Dy ( x , y , z) = Dy ( x) + Dy ( y) + Dy ( z) （2） Dz ( x , y , z) = Dz ( x) + Dz ( y) + Dz ( z) （3） 几何精度为这些总误差的均方根,如下式所示: 几何精度= sqrt{[Max Dx ( x , y , z) - Min Dx ( x , y , z) ]2 +[Max Dy ( x , y , z) - Min Dy ( x , y , z) ]2 +[Max Dz ( x , y , z) - Min Dz ( x , y , z) ]2})
虽然可以变得精确的检测，但是非常的耗时。所以我们进一步给出了体对角线位移测量则是一种快速的几何精度检验方法.下面我们就讲一下体对角线测量.
4 体对角线位移误差测量[9]
体对角线位移误差测量主要是常规测量和矢量测量，在这儿只是简要的说一下：沿体对角线位移误差的常规测量原理如图3所示. 其原理是: 初始激光束平行且准对于一条体对角线, 机床沿该体对角线方向作空间直线插补运动,并且进给一增量后暂停, 然后通过激光干涉仪获得机床在体对角线方向的步进位移误差.
图3 沿体对角线位移误差的常规测量
体对角线位移测量方式被建议用来作机器定位及几何准确度的快速检验. 简单地说,类似于激光直线位移测量. 取代了激光光束在轴向的指向,而是作体对角线方向的指向,固定反射镜在主轴上,并沿着体对角线方向移动主轴,从零点位置开始,并使三轴沿着对角线方向以单步增量运动到新的位置,则可测得位移误差,沿着对角线任一位置的准确度是依据三轴的定位准确度来决定. 该准确度包含直线度误差、角度误差及垂直度误差,因此体对角线位移测量是一种机床验证的良好方法,但并没有足够的信息可以来鉴别误差源.ASME B5. 54 —1992与ISO 230 —6 机床性能测量标准中的介绍,使得以激光对体对角线位移测量所进行的机床几何精度快速检测变得更为普及,B5.54 体对角线位移测试已经为波音飞机公司及其他公司广为使用多年并获得良好结果与成效. 该9 项位置误差不仅反映了机床的几何精度, 而且为机床空间位置
误差补偿实施提供了必要的基础.
5 结 语
根据在亚崴的立式加工中心上完成向量测量与空间补偿表明,亚崴的立式加工中心的空间定位准确度可获得超过90%的改善(误差减少了90%) ,同时注意到如果只作螺距误差补偿,则仅改善l5% ,因此只作螺距误差补偿是不足够的,能够同时补偿螺距误差及直线度误差是相当重要的. 此外,激光向量测量仪仅需2～4h 即可完成全部测量,比传统激光干涉仪所需要的20～40h要少得多,并且自动采集数据,自动进行数据处理,自动生成补偿文件,排除了手动操作并减少误差,因此无需经验丰富的工程师,机床操作者在接受训练后即可进行激光校验.
参考文献：
[1] ZHANG , QUANGR , LUB . A displacement method for machine geometry calibration [J] .Annals of CIRP ,1998.37:515– 518.
[2] CHENG Q YUAN JX , NIJ . A displacement measure 2 ment approach for machine geometric error assessment [J] .International Journal of Machine Tools & Manufacture ,2001 ,41 (1) :149 - 161.
[3] ISO 230 —6 :2002. Test code for machine tools Part 6 :Determination of positioning accuracy on body and face diagonals (Diagonal displacement tests) [ S] . 2002.
[4] 王爱玲，张洁堂，吴雁.现代数控原理及控制系统(第二版).北京:国防工业出版社,2005:01.
[5] 范晋伟,田越.基于14条位移线测量法的数控机床误差参数辨识技术[J].北京工业大学学报, 2000,26( 2) : 11- 15. [6] 王正平.用激光向量测量技术测量和补偿体积定位误差[J] .计量技术,2001 (10) :10 - 13.
[7] 任永强,刘国良,叶飞帆,等.基于体对角线机床位置误差的激光矢量测量分析[J].上海交通大学学报,2005 (9) :1413- 1417. [8] 赵小松,方沂.四轴联动加工中心误差补偿技术的研究[A] .中国机械工程,2000 ,26 (6) :637 - 639. [9] 王正平.机床几何精度的在线激光测量与快速校准技术[J].中国计量学院学报.2006:12. [10] 胡旭林.数控虚拟加工技术中的精度验证算法[J]. 机械设计与制造.2008:03.
[11] 伍铁军.数控加工仿真关键技术研究与软件开发:[博士学位论文].南京:南京航空航天大学,2001