数控机床误差检测技术研究

栗 江， 卢小燕

（广州南洋理工职业学院， 广东 广州 510925）

引言

作为机械制造行业主要的生产制造工具，数控机床的加工精度对于保证生产产品的质量有着直接的联系。尤其是数控机床在运转速率较高、精度较强的生产阶段，其运动轨迹产生的误差会对加工对象的各项参数造成不同程度的影响。因此，全面掌握控制数控机床作业期间产生的误差，对于保证生产产品的数量以及发现数控机床故障的源头具有重要作用。

1 数控机床误差的来源

数控机床的误差可以分为四个方面，分别为几何或者运动误差、热变形引起的误差、装夹误差以及切削力引起的误差。

几何或者运动误差，是指数据机床在设计阶段，设计人员没有根据数控机床需要加工的对象的特征进行设计，而是沿用市场中常见的设计模型，不利于更加高效地完成产品的生产。在设置数据机床自身的相关设备时，没有严格按照安置标准，导致数控机床自身的装备存在一定的误差。机床各个部件之间的结构以及精度无法得到全面的保证，当数控机床作业时，各个部件之间的运动存在着一定的相对性。

热变形引起的误差主要是由于数控机床的主轴以及滚丝杠受到外界高温的影响而出现膨胀的现象，或者数控机床的工作台以及立柱的位置出现变化，数控机床的结构也在不断变化当中。

装夹误差主要体现在，数控机床夹具安装阶段没有严格按照安装的标准进行安装，或者数控机床长时间运转导致夹具相关部件出现变动或者松动的问题，部分原件甚至会远离一开始的定位。另外，工件的夹紧程度也是造成误差出现的主要原因。如果夹紧强度不高，则会造成工件与夹具分离。

切削力引起的误差主要是由于数控机床在工作阶段所承受的负载较强而使机床产生变形，以及在切削的过程中产生的高温会随着切割刀片传递至加工对象。另外，工件与加工对象的材料不相匹配也会造成一定的误差。

2 数控机床误差检测方式

根据在一次测量中所得的误差项目，可将数控机床的误差检测方式分为两种，一种是单项误差分量检测方式，另一种则是综合误差分量检测方式。

2.1 单项误差分量检测

单项误差分量检测方式主要是借助于相关的测量设备仪器，针对不同数控机床产生的几何误差进行单独的测量。可根据不同的测量原理，将单项误差分量检测方式分为三种类型：第一种类型，借助于角规、千分尺等量规测量仪器进行测量；第二种类型，基于重力原理，需要借助于水平仪等仪器进行测量；第三种类型，利用激光原理，需要使用激光干涉仪器以及相应的光学镜等进行测量。

2.2 综合误差分量检测

综合误差检测方式是指通过建立数学辨识模型，将数控机床的误差分离出来，同时借助于相关的测量仪器实现一次性的对数控机床多个空间误差进行测量。常见的综合误差测量方式有基准圆盘—双向微位移计测头方式、双规球法、全周电容—圆球法、激光球杆方式等等。

此外，在综合误差检测方式当中，有借助于标准件从侧面进行测量的方式，即标准工件测量方式。运用标准工件测量方式，需要预先准备标定的圆形或者球形工件作为数控机床误差测量参考的依据。工作人员在测量的过程中，通过测量的实际数值与标准工件上的标定值进行比较，判断当前数控机床出现的运动误差，最后将数控机床各个位置部件的误差数据进行描绘函数，从而实现对误差的全面掌控。当然，此种方法使用测量的误差范围较小，没有较多的实用价值。

3 机床误差检测技术新进展

3.1 激光干涉仪技术

在传统的激光干涉技术中，激光的调整难度比较高并且部件误差的测量时间比较长，还需要借助一些昂贵的光学原件。基于传统测量单项误差的激光干涉技术，科学家们通过结合更加专业的激光设备，例如激光多普勒位移测量仪器，以及对传统测量方式进行改革和创新，完成了对数控机床诸多移动误差高效快速的检测确定，为日后误差补偿的相关应用打好了基础。

3.2 双球规法技术

20世纪90年代提出的双球规法是利用在双球规内部安装微位移计以及可以伸缩的两个套管，同时在套管的两端设置两个钢球分别与相对应的磁力凹球吸座相连接，然后将吸座装夹在数控机床的不同位置。在测量过程中，附带有吸座的机床部件进行相对圆的运动，而运动轨迹的精度可以通过微位移及测量，从而判断部件工作期间是否存在误差。随着双球规法的不断发展，完成了双转台五轴加工中心几何运动的误差检测，同时对误差进行了预测。整体而言，双球规法在多轴机床的误差检测方面有着较好的发展前景。当然，此方法也存在一些弊端，例如受自身结构的影响，导致部分部件的误差测量精度有限。

3.3 平面正交光栅技术

平面正交光栅法是20世纪末出现的检验技术，该技术的主要原理是在数据机床工作台安装直径在220 mm左右的平面光栅，同时，在平面光栅表面刻画具有较高精度的正交光栅纹路，基于动态数据对比实现误差校验。数控机床相关部件在运动阶段，只要在平面光栅覆盖的范围当中，则可以借助主轴附带的读数头以及后续电路将工作台与主轴的相对运动轨迹进行测量。平面正交光栅法最新的发展是在2010年，是由上海交通大学的研究团队借助于KGM系统完成了三轴数控机床误差的检测。

4 机床误差检测的未来发展趋势

近年来，随着国际科学技术水平的跳跃式发展，各个国家数控机床的持有量在不断提升。先进的科学技术为数控机床误差检测提供了更多的功能，因此针对数控机床的精度再次标定以及根据误差寻找到相关部件已成为常态化。随着数控机床故障排除问题以及误差补偿问题的社会需求不断增加，数控机床的误差检测及补偿服务行业也会随之增加。

高效、快速的数据机床误差检测方式已经成为世界各国当前阶段并且在未来阶段研究的主要方向。因为平面正交光栅技术在数控机床误差测量过程中具有较好的灵活性，能够根据工厂的需要快速完成误差的检测工作，所以对于平面正交光栅技术的改进以及扩展创新也必将成为未来的主流趋势。

另外，随着人们对产品的复杂曲面以及精度的需求在逐渐增高，致使数控机床误差检测方式逐渐由传统的三轴机床或者坐标测量机床转变为多轴机床的误差检测。在现有常用的数控机床误差检测方法中，双球规法在多轴机床误差检测方面具备较强的优势，有利于后续的进一步扩展。

5 结语

数控机床的误差检测对于保证产品的精度以及质量具有重要意义。在数控机床作业阶段会由于不同的原因造成数控机床的生产误差，为最大程度降低数控机床的误差，需要通过诸多检测技术找出误差。伴随着科学技术水平的不断提升，数控机床误差检测技术也在不断改进与完善，从而使数控机床生产出质量更高、精度更准的产品。

参考文献

[1]刘慧玲，张建国.数控机床空间误差检测与补偿技术研究[J].机械工程师，2014（4）：107-110.

[2]李永桥，谌永祥，王彭结.数控机床误差检测及其软件误差补偿技术研究[J].机械设计与制造，2010（11）：148-149.