数控机床精度检测技术现状研究

常用的机床误差测量方法有直接测量法和间接测量法，其中，间接测量法如用典型工件试切或试加工，再对所试切的工件进行精度检测，其测量结果中包括了工艺、刀具和材料等因素在内，虽然可以通过试件的加工精度间接反映机床的精度，但不能精确地用于指导机床的研发和改进。直接测量法如用微位移传感器测量装夹在主轴上的圆柱形基准棒或基准球，或者对装夹在工件台面上的基准量块或平尺直接进行测量，其可以直接获得某项误差，但该方法测量效率低，测量的范围（如行程）有限。

目前，世界各国对数控机床精度检测指标的定义、测量方法及数据处理方法等都有所不同。国际上有5种精度标准体系，分别为德国VDI标准、日本JIS标准、国际标准ISO标准、国标GB系列和美国机床制造商协会NMTBA。其中，NAS979是美国国家航空航天局在20世纪70年代提出的通用切削试件，“NAS试件”是通过检测加工好的圆锥台试件的“面粗糙度、圆度、角度、尺寸”等精度指标来反映机床的动态加工精度。NAS试件已在三坐标数控机床的加工精度检测方面得到了很好的应用，但用NAS试件来检测五轴数控机床的加工精度还存在一些问题。成都飞机工业（集团）有限责任公司于2011年提出了用于检验五轴数控机床精度的标准试件——“S形试件”，该试件是由一个呈S形的直纹面等厚缘条和一个矩形基座组合而成，通过检测加工试件的“外形轮廓尺寸、厚度、表面粗糙度”等指标，以及试件上的3条线共99个点的坐标位置来检验五轴数控机床的加工精度，“S形试件”是目前五轴数控机床精度检验通用的检测试件，该试件已于2011年申请美国国家专利，“S形试件”模型图及检测点如图1.2所示。

图1.2　S形试件模型图

测量方法需根据具体的测量仪器来制订，机床精度提高的需求也促进了机床精度检测工具的发展。根据检测轨迹的不同，检测仪器可分为圆轨迹运动检测和直线运动轨迹检测。由于机床的圆轨迹运动包含了较多误差信息，因此，开发一种用于检测机床轨迹运动的仪器成为国内外学者的研究重点。

1982年Bryan发明了双球规法（Double Ball Bar，DBB），该装置由一个安装在可伸缩纤维杆内的高精度直线位移传感器构成。测量时，将中心座固定在工作台上，球杆仪一端小球与中心座相连，另一端小球与主轴端相连，在机床运动过程中，当杆长发生变化时，内置的位移传感器将电感信号转变成位移信号，输送至计算机中。该检测方法已被列入美国机床验收标准ASMEB5.54，并被国际机床检验标准ISO 230-2采用。2009年M.Sharif Uddin等用DBB首次实现了双转台五轴加工中心的几何运动误差的检测。

其他的圆轨迹检测仪器如Knapp研制的基准圆盘—双向微位移计测头法（DGBP），Okuyama研制的全周电容—圆球法（CBP），姜明锡提出的四连杆机构法（PFLM），丘华发明的二连杆机构-角编码器法（PTLM）。

Heidenhain公司研制的平面正交光栅（GGET），既可以检测圆轨迹，又可以检测直线轨迹或不规则的异形平面运动。Wei Gao等用光电自准直仪检测主轴偏角的误差，用电容位移测头测出了主轴的轴向跳动误差，用直尺和电容位移测头结合检测出了导轨的直线度误差。

韩国的S.W.Hong等通过“标准检验棒—微位移传感器—编码器法”一系列的检测可溯源到机床的各个单项运动误差。(www.xing528.com)

用于直线运动轨迹检测的仪器，目前比较常用的有双频激光干涉仪和激光跟踪仪。

双频激光干涉仪是一种用途广泛的超精密非接触式测量装置，该类仪器以激光在真空中的波长作为长度基准，可以达到纳米级的测量分辨率。目前主要的激光干涉仪的生产厂家有英国Renishaw公司，其生产激光干涉仪线性测量分辨率可达0.001 μm，最高测量速度可达60 m/min。另外还有美国API公司，该公司生产的高精密型激光干涉仪，其线性测量精度可达0.2 ppm；偏摆角和俯仰角精度可达（0.2+0.02）″/m。

双频激光干涉仪目前已广泛应用于精密、超精密机床的误差检测中。利用双频激光干涉仪对机床进行各项误差检测，目前比较流行的方法有二十二线法、十五线法、十四线法、九线法等多种位移测量法。

激光跟踪测量系统（Laser Tracker System，LTS）是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器，可对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。其具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合于大尺寸工件配装测量。但激光跟踪仪的测量精度有限，其测量的误差与测量的距离有关，距离越长，误差越大，其应用得到了限制，但根据需要在某些机床上可以考虑作为误差矢量的方向性判断。

上海交通大学杨建国团队与美国光动公司合作，基于激光多普勒位移测量仪提出了一种沿体对角的机床空间几何误差的激光矢量测量方法，通过分步测量机床工作空间的4条体角线，并结合空间误差综合模型快速分离机床的19项误差。该方法通过添加3个面上的6条对角线，可以实现分离出机床的21项几何误差。

机床的热误差检测通过位置传感器和温度传感器同时检测机床热关键点的热变形和温升，分析机床热变形的分布规律和对机床精度的影响机理，并通过相应的补偿算法对机床进行误差补偿，提高机床精度。目前对机床热误差检测和补偿技术已经比较成熟，如上海交通大学开发的数控机床综合误差实时补偿系统，采用了并行线程的处理模式，通过实时采集机床温度和位移数据，建立热误差，选择数学模型、综合数据处理，上位机通过数控补偿系统对机床误差进行实时补偿，该方法已在工厂企业里得到了应用。

近年来，我国的测量技术和相关仪器的研究取得了一系列的重要进展，新型的检测原理、检测技术、测量系统和仪器设备不断出现：新型传感原理及传感器、先进制造的现场、非接触式、数字化测量、微纳米级超精密测量、超大尺寸精密测量及相关测量理论研究等方面都有了长足的发展。

根据国际生产工程协会（CIRP）的预测，至2012年，30%~50%的新机床将配备定位误差、直线度和各种转向误差的补偿功能。随着数控机床使用数量的增加，在使用过程中如何对数控机床精度进行再标定及误差溯源，调整机床以排除故障或对其进行误差补偿，并定期对数控机床误差进行检测和补偿的需求也会增加。提高机床精度的关键步骤是误差检测，快速高效的误差检测方法成为研究的重点，同时随着多轴数控机床的广泛应用，研究的对象也逐渐向多轴机床转移。