栗 江， 盧小燕

（廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院， 廣東 廣州 510925）

引言

作為機(jī)械制造行業(yè)主要的生產(chǎn)制造工具，數(shù)控機(jī)床的加工精度對(duì)于保證生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量有著直接的聯(lián)系。尤其是數(shù)控機(jī)床在運(yùn)轉(zhuǎn)速率較高、精度較強(qiáng)的生產(chǎn)階段，其運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生的誤差會(huì)對(duì)加工對(duì)象的各項(xiàng)參數(shù)造成不同程度的影響。因此，全面掌握控制數(shù)控機(jī)床作業(yè)期間產(chǎn)生的誤差，對(duì)于保證生產(chǎn)產(chǎn)品的數(shù)量以及發(fā)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床故障的源頭具有重要作用。

1 數(shù)控機(jī)床誤差的來源

數(shù)控機(jī)床的誤差可以分為四個(gè)方面，分別為幾何或者運(yùn)動(dòng)誤差、熱變形引起的誤差、裝夾誤差以及切削力引起的誤差。

幾何或者運(yùn)動(dòng)誤差，是指數(shù)據(jù)機(jī)床在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員沒有根據(jù)數(shù)控機(jī)床需要加工的對(duì)象的特征進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是沿用市場中常見的設(shè)計(jì)模型，不利于更加高效地完成產(chǎn)品的生產(chǎn)。在設(shè)置數(shù)據(jù)機(jī)床自身的相關(guān)設(shè)備時(shí)，沒有嚴(yán)格按照安置標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床自身的裝備存在一定的誤差。機(jī)床各個(gè)部件之間的結(jié)構(gòu)以及精度無法得到全面的保證，當(dāng)數(shù)控機(jī)床作業(yè)時(shí)，各個(gè)部件之間的運(yùn)動(dòng)存在著一定的相對(duì)性。

熱變形引起的誤差主要是由于數(shù)控機(jī)床的主軸以及滾絲杠受到外界高溫的影響而出現(xiàn)膨脹的現(xiàn)象，或者數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)以及立柱的位置出現(xiàn)變化，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)也在不斷變化當(dāng)中。

裝夾誤差主要體現(xiàn)在，數(shù)控機(jī)床夾具安裝階段沒有嚴(yán)格按照安裝的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安裝，或者數(shù)控機(jī)床長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致夾具相關(guān)部件出現(xiàn)變動(dòng)或者松動(dòng)的問題，部分原件甚至?xí)h(yuǎn)離一開始的定位。另外，工件的夾緊程度也是造成誤差出現(xiàn)的主要原因。如果夾緊強(qiáng)度不高，則會(huì)造成工件與夾具分離。

切削力引起的誤差主要是由于數(shù)控機(jī)床在工作階段所承受的負(fù)載較強(qiáng)而使機(jī)床產(chǎn)生變形，以及在切削的過程中產(chǎn)生的高溫會(huì)隨著切割刀片傳遞至加工對(duì)象。另外，工件與加工對(duì)象的材料不相匹配也會(huì)造成一定的誤差。

2 數(shù)控機(jī)床誤差檢測方式

根據(jù)在一次測量中所得的誤差項(xiàng)目，可將數(shù)控機(jī)床的誤差檢測方式分為兩種，一種是單項(xiàng)誤差分量檢測方式，另一種則是綜合誤差分量檢測方式。

2.1 單項(xiàng)誤差分量檢測

單項(xiàng)誤差分量檢測方式主要是借助于相關(guān)的測量設(shè)備儀器，針對(duì)不同數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生的幾何誤差進(jìn)行單獨(dú)的測量。可根據(jù)不同的測量原理，將單項(xiàng)誤差分量檢測方式分為三種類型：第一種類型，借助于角規(guī)、千分尺等量規(guī)測量儀器進(jìn)行測量；第二種類型，基于重力原理，需要借助于水平儀等儀器進(jìn)行測量；第三種類型，利用激光原理，需要使用激光干涉儀器以及相應(yīng)的光學(xué)鏡等進(jìn)行測量。

2.2 綜合誤差分量檢測

綜合誤差檢測方式是指通過建立數(shù)學(xué)辨識(shí)模型，將數(shù)控機(jī)床的誤差分離出來，同時(shí)借助于相關(guān)的測量儀器實(shí)現(xiàn)一次性的對(duì)數(shù)控機(jī)床多個(gè)空間誤差進(jìn)行測量。常見的綜合誤差測量方式有基準(zhǔn)圓盤—雙向微位移計(jì)測頭方式、雙規(guī)球法、全周電容—圓球法、激光球桿方式等等。

此外，在綜合誤差檢測方式當(dāng)中，有借助于標(biāo)準(zhǔn)件從側(cè)面進(jìn)行測量的方式，即標(biāo)準(zhǔn)工件測量方式。運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)工件測量方式，需要預(yù)先準(zhǔn)備標(biāo)定的圓形或者球形工件作為數(shù)控機(jī)床誤差測量參考的依據(jù)。工作人員在測量的過程中，通過測量的實(shí)際數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)工件上的標(biāo)定值進(jìn)行比較，判斷當(dāng)前數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)誤差，最后將數(shù)控機(jī)床各個(gè)位置部件的誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行描繪函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差的全面掌控。當(dāng)然，此種方法使用測量的誤差范圍較小，沒有較多的實(shí)用價(jià)值。

3 機(jī)床誤差檢測技術(shù)新進(jìn)展

3.1 激光干涉儀技術(shù)

在傳統(tǒng)的激光干涉技術(shù)中，激光的調(diào)整難度比較高并且部件誤差的測量時(shí)間比較長，還需要借助一些昂貴的光學(xué)原件。基于傳統(tǒng)測量單項(xiàng)誤差的激光干涉技術(shù)，科學(xué)家們通過結(jié)合更加專業(yè)的激光設(shè)備，例如激光多普勒位移測量儀器，以及對(duì)傳統(tǒng)測量方式進(jìn)行改革和創(chuàng)新，完成了對(duì)數(shù)控機(jī)床諸多移動(dòng)誤差高效快速的檢測確定，為日后誤差補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)應(yīng)用打好了基礎(chǔ)。

3.2 雙球規(guī)法技術(shù)

20世紀(jì)90年代提出的雙球規(guī)法是利用在雙球規(guī)內(nèi)部安裝微位移計(jì)以及可以伸縮的兩個(gè)套管，同時(shí)在套管的兩端設(shè)置兩個(gè)鋼球分別與相對(duì)應(yīng)的磁力凹球吸座相連接，然后將吸座裝夾在數(shù)控機(jī)床的不同位置。在測量過程中，附帶有吸座的機(jī)床部件進(jìn)行相對(duì)圓的運(yùn)動(dòng)，而運(yùn)動(dòng)軌跡的精度可以通過微位移及測量，從而判斷部件工作期間是否存在誤差。隨著雙球規(guī)法的不斷發(fā)展，完成了雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸加工中心幾何運(yùn)動(dòng)的誤差檢測，同時(shí)對(duì)誤差進(jìn)行了預(yù)測。整體而言，雙球規(guī)法在多軸機(jī)床的誤差檢測方面有著較好的發(fā)展前景。當(dāng)然，此方法也存在一些弊端，例如受自身結(jié)構(gòu)的影響，導(dǎo)致部分部件的誤差測量精度有限。

3.3 平面正交光柵技術(shù)

平面正交光柵法是20世紀(jì)末出現(xiàn)的檢驗(yàn)技術(shù)，該技術(shù)的主要原理是在數(shù)據(jù)機(jī)床工作臺(tái)安裝直徑在220 mm左右的平面光柵，同時(shí)，在平面光柵表面刻畫具有較高精度的正交光柵紋路，基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)現(xiàn)誤差校驗(yàn)。數(shù)控機(jī)床相關(guān)部件在運(yùn)動(dòng)階段，只要在平面光柵覆蓋的范圍當(dāng)中，則可以借助主軸附帶的讀數(shù)頭以及后續(xù)電路將工作臺(tái)與主軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行測量。平面正交光柵法最新的發(fā)展是在2010年，是由上海交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)借助于KGM系統(tǒng)完成了三軸數(shù)控機(jī)床誤差的檢測。

4 機(jī)床誤差檢測的未來發(fā)展趨勢

近年來，隨著國際科學(xué)技術(shù)水平的跳躍式發(fā)展，各個(gè)國家數(shù)控機(jī)床的持有量在不斷提升。先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)為數(shù)控機(jī)床誤差檢測提供了更多的功能，因此針對(duì)數(shù)控機(jī)床的精度再次標(biāo)定以及根據(jù)誤差尋找到相關(guān)部件已成為常態(tài)化。隨著數(shù)控機(jī)床故障排除問題以及誤差補(bǔ)償問題的社會(huì)需求不斷增加，數(shù)控機(jī)床的誤差檢測及補(bǔ)償服務(wù)行業(yè)也會(huì)隨之增加。

高效、快速的數(shù)據(jù)機(jī)床誤差檢測方式已經(jīng)成為世界各國當(dāng)前階段并且在未來階段研究的主要方向。因?yàn)槠矫嬲还鈻偶夹g(shù)在數(shù)控機(jī)床誤差測量過程中具有較好的靈活性，能夠根據(jù)工廠的需要快速完成誤差的檢測工作，所以對(duì)于平面正交光柵技術(shù)的改進(jìn)以及擴(kuò)展創(chuàng)新也必將成為未來的主流趨勢。

另外，隨著人們對(duì)產(chǎn)品的復(fù)雜曲面以及精度的需求在逐漸增高，致使數(shù)控機(jī)床誤差檢測方式逐漸由傳統(tǒng)的三軸機(jī)床或者坐標(biāo)測量機(jī)床轉(zhuǎn)變?yōu)槎噍S機(jī)床的誤差檢測。在現(xiàn)有常用的數(shù)控機(jī)床誤差檢測方法中，雙球規(guī)法在多軸機(jī)床誤差檢測方面具備較強(qiáng)的優(yōu)勢，有利于后續(xù)的進(jìn)一步擴(kuò)展。

5 結(jié)語

數(shù)控機(jī)床的誤差檢測對(duì)于保證產(chǎn)品的精度以及質(zhì)量具有重要意義。在數(shù)控機(jī)床作業(yè)階段會(huì)由于不同的原因造成數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)誤差，為最大程度降低數(shù)控機(jī)床的誤差，需要通過諸多檢測技術(shù)找出誤差。伴隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，數(shù)控機(jī)床誤差檢測技術(shù)也在不斷改進(jìn)與完善，從而使數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)出質(zhì)量更高、精度更準(zhǔn)的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

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