国家数控系统技术工程研究中心
五轴数控机床的检测与标定技术
摘要
长期以来，一个普遍存在的问题一直困扰着使用大型机床进行生产、加工的企业，即企业所购买的价格不菲的高精度大型机床在生产加工过程中总会产生大大小小的误差，使其加工出的产品达不到精度要求。数控机床的检测与标定技术就是为了解决这一难题，现在已成为提高机床加工精度和加工效率的关键技术之一。本文介绍了检测和标定方法与原理，详细介绍了空间误差补偿技术。 关键词:机床误差，检测技术，标定技术，空间误差补偿技术 国家数控系统技术工程研究中心
1. 前言
随着全球市场经济的一体化，市场竞争越来越激烈，市场向着个性化、小批量、高质量、交货周期短的方向发展。现在，我国数控厂家多，但是产量都不大。产量低的原因有很多，其中重要的一条是在机电联调过程中，要对机床的精度进行评价，测定机床的精度是否满足要求，同时对机床误差进行补偿。提高机床的精度，原有的方法效率低、价格高、使用环境要求高，同时对操作者的要求也较高[1]。 齿轮修复
提高数控机床的精度是保证加工件质量的重要途径。数控机床精度的提高主要是通过误差补偿来实现。
现代制造业已经发展成为融合信息技术、数控技术、系统控制工程而生成的先进制造系统。其发展趋势可归结为两个方向:一是以提高效率为目的的自动化，即将信息技术贯穿与整个制造过程，提高制造信息处理和控制的自动化程度，以此来提高效率，缩短生产周期;二是以提高加工精度为目的的精密化，通过先进的检测手段来实现超精密加工及检测，以控制产品质量。采用先进的制造和检测技术来迅速的提高装备制造业的水平，是当前一个重要的发展方向，研究和发展现代检测技术有着广阔的市场前景。
2. 研究现状
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夜光路面2.1. 机床误差产生原因
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普遍认为数控机床的误差有以下几方面的起因[2]:
1.机床的原始制造误差。它是指由组成机床各部件工作表面的几何形状、表面质量、相互之间的位置误差所引起的机床运动误差，是数控机床几何误差产生的主要原因。
2.机床的控制系统误差。它包括:机床轴系的伺服误差(轮廓跟随误差)，数控插补算法误差。
3.热变形误差。由于机床的内部热源和环境热扰动导致机床的结构热变形而产生的误差。
4.切削负荷造成工艺系统，包括机床、刀具、工件和夹具变形所导致的误差。这种误差又称为“让刀”，它造成加工零件的形状畸变，尤其当加工薄壁工件或
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使用细长刀具时，这一误差更为严重。
沙滩棒球5.机床的振动误差。在切削加工时，数控机床由于工艺的柔性和工序的多变，其运行状态有更大的可能性落入不稳定区域，从而激起强烈的颤振。导致加工工件的表面质量恶化和几何形状误差。
6.检测系统的测试误差。它包括:(1)由于测量传感器的制造误差及其在机床上的安装误差引起的测量传感器反馈系统本身的误差。(2)由于机床零件和机构误差以及在使用中的变形导致测量传感器出现的误差。
7.外界干扰误差。由于环境和运行工况的变化所引起的随机误差。
8.其它误差。如编程和操作错误带来的误差。
齿轮齿条转向器上面的误差可按照误差的特点和性质，归为两大类:即系统误差和随机误差。
数控机床的系统误差是机床本身固有的误差，具有可重复性。数控机床的几何误差是其主要组成部分，也具有可重复性。利用该特性，可对其进行“离线测量”，可采用“离线检测——开环补偿”的技术来加以修正和补偿，使其减小，达到机床精度强化的目的。
随机误差具有随机性，必须采用“在线检测——闭环补偿”的方法来消除随机误差对机床加工精度的影响，该方法对测量仪器、测量环境要求严格，难于推广。
2.2. 在线检测现状
传统的检测手段主要包括手工检测和离线检测，手工测量所使用的工具大多为千分表、卡尺等常规量具，常常在使用一段时间后需要人工校正，其检测效率低，精度差，耗时长，占用人员较多，这就大大制约了数控机床总体加工效率的正常发挥。为此国内外专家学者和厂商及用户都希望在数控机床上配置加工精度检测设备，开发出具有在线测量功能的数控机床，并应用自动测量技术解决上述问题。所以基于数控机床的在线检测技术的出现为数控加工过程的质量检测提供了一套行之有效的方法[3]。
在线检测技术的关键主要体现在检测程序的编制上，检侧程序编制质量的优劣直接影响到检测效果。目前检测软件有商业化软件和自主开发的软件。商业化软件如英国DELCAM公司新版本的PowerInspect，是一款开放的检测软件，不受测量设备的限制，既可以在线检测，也可以脱机检测。不仅提供在线检测的功
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能，还能够在检测前针对读取的CAD模型进行检测路径的编程工作，并进行检测的仿真。随后可以把编制好的程序传输给CNC检测设备，进行自动检测。又如雷尼绍公司基于PC机的在机检测软件OMV(ON machine verification)，该软件专为数控机床配用系统而编写，主要应用于:根据原始CAD数据，检测样件、复杂零件及大型零件、多工序零件以及模具。
近年来，随着触发式零件检测测头在机床上的应用，国内外许多研究者利用在机检测方法对加工过程进行指导提高零件精度。美国的BANDYHT测头所获得的被检测点的信息计算出各测量点对应的误差矢量，然后根据误差矢量信息来修正刀具路径;韩国的Myeong-WooCho等人利用触发式测头获得被加工件面的误差分布信息，根据预先建立的加工条件与误差分布的函数关系指导后面的加工过程。在国内，曹利杰等人在对数控加工中心在线检测研究的基础上，提出了一种基于零件CAD模型特征的编程技术，提取检测信息，建立检测路径数学模型，自动生成检测数控代码。刘丽冰在对多轴数控加工中心在线检测系统硬件平台构成的研究基础上，提出了系统的总体构成方案。在此研究成果基础上，桑宏强，刘利剑等针对数控机床专用化程度逐步提高的现象，通过对具体加工零件的基本几何特征的规划，建立了基本结合特征零件的检测宏程序库，实现了针对具体零件开发专用检测宏程序的系统功能。哈尔滨工业大学王清等人在对车床端面加工平面度检测和误差补偿
研究过程中，提出了一种利用无线测量方法对超精密车床端面加工表面进行了在线测量。贝广霞研究了精密加工中圆柱度在机检测关键技术，在计算机内部完成圆柱度误差的计算。
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