几何精度检测综述

数控机床的几何精度检测方法与手段随着数控加工技术的迅速发展和零件加工精度的不断提高，我国数控机床制造水平正在逐步赶超世界先进水平，数控机床几何精度检测及校准就显得尤为重要。对如何解决机床在装配中出现的定位精度、重复定位精度、平行度、垂直度、反向间隙、伺服不匹配等问题，及如何查找其产生的原因，这些都对数控机床提出了更高的要求。数控机床的几何精度是影响数控机床加工精度、产生加工精度的主要因素。因此，对数控机床精度进行快速的校准，诊断数控车床在装配中出现的质量问题，并采取先进的误差补偿措施，是保证加工质量的有效途径。几何精度综合反映了数控机床各关键部件精度及其装配质量，数控机床的几何精度检查与普通机床基本类似，使用的测量工具和方法也相似,只是检测要求高，常用的检测工具是精密水平仪,直角尺、精密方箱、平行光管、千分尺、测微仪等。传统检测方法采用人工操作,手工记录数据与计算精度低，只能用于普通中小型数控机床。传统的检测方法和检测工具只是用于精度较低的中小型数控机床,国内各工厂的大型数控机床绝大多数是进口的，均采用高精度的激光干涉仪、球杆仪等。目前以英国雷尼绍公司(Renishaw)生产的ML10激光干涉仪和QC10球杆仪最为先进。当前几何误差的辨识方法主要有两大类：单项误差直接测量法和综合误差测量参数辨识法。单项几何误差直接测量法是利用相应的测量仪器对各项几何误差逐一进行测量得到各项误差，如用光栅尺、磁栅尺设备来测量螺距误差等。直接测量法可以直接得到机床的各分项误差值为机床的制造、机床的精度评定及定期检测提供依据。这些方法效率低、精度差、难以实现自动测量、不能满足现代高生产率的要求。综合误差测量辨识方法是对机床工作区域内指定点的定位误差进行测量，通过数学模型对其测量点的综合误差进行辨识间接得到机床各项误差的离散值。当前激光干涉仪在综合误差测量辨识中应用的较为广泛，围绕在机床误差辨识中如何更好的使用激光干涉仪提出了误差辨识22线法、15线法、14线法、12线法、9线法。数控机床几何精度的综合检测方法主要有一下以下几种：激光干涉仪法激光的波长极其稳定，因此在国际标准中，激光干涉仪是唯一公认的进行数控机床精度检定的仪器，可以测量各种几何尺寸的机床,甚至可长达几十米的机床,其精度比传统方法高10倍以上，激光干涉仪可进行自动数据采集，它以PC机为基础，避免了人工计算，可立即按国际标准和我国标准进行统计分折，这种方法即节省时间又避免了操作者的误差。例如：雷尼绍ML10激光干涉仪精密度高(达到土1.1PPM),测量范围大(线性测长40m，位选80m),测量速度快(60m/mim),分辩率高(0.00川m),便携性好。例如：某厂采用ML10激光干涉仪、直线度光学镜来对大型数控机床几何精度进行检测，可以采用自动数据采集进行分析，其精度高、测量范围大。用雷尼绍ML10、线性光学镜来对大型数控机床的位置精度(定位精度、重复定位精度、微量位移精度)进行测量时，利用ML10不仅能测量机床的误差，而且能通过RS232C接口，自动对其线性误差进行补偿。用ML10角度光学镜，加上RX10转台基准对大型数控机床上数控回转工作台的分度定位精度、重复分度定位精度进行测量时，可以对任意角度位置，以任意角度间隔进行全自动测量，其精度达土1弧秒。激光干涉仪可以高精度地测量出各运动轴的单项误差,最终误差由单项误差合成。该种方法需要价格昂贵的测量设备，较长的时间，还需要专门的技术人员，同时也不适宜工业生产现场应用。球杆仪在数控机床精度检测中，QC10球杆仪和ML10激光干涉仪是两种互为辅助的仪器，缺一不可,ML10着重检测机床的各种精度；而且QC10球杆仪主要用来确定机床失去精度的原因及诊断机床的故障。雷尼绍QC10球杆仪由一个安装在可伸缩的纤维杆内的高精度位移传感器构成，该传感器包括两个线圈和一个可移动的内杆。当长度变化时，内杆移入线圈，感应系数发生变化，检测电路将电感信号转变成分辩率为0.川m位移信号，通过接口传入PC机，其精度经激光干涉仪检测可达土0.5pm(20°C)。当机床按预定编写的程序以球杆仪长度为半径走圆时，QC10传感器检测到机床运动时半径方向变化,QC10分析软件可迅速将数控机床的直线度、垂直度、反向间隙等从半径变化中分离出来。球杆仪法测量能够测量两轴联动的综合误差，常用于精度评定和定期检测，但词方法只能测量出一维误差,不能直接用于误差补偿。激光球杆仪美国佛罗里达大学机械工程系的JohnCZiegert教授领导的研究小组开发了一种称为激光球杆仪(LaserBallBar)的测量装置，该装置应用激光跟踪技术，使单个测量杆的测量范围从1mm扩大到了180(540-360)mm。测量时，将球杆一端装在精确标定了位置的置于工作台的三个球座上，机床作圆运动时，三个球杆精确读出其长度值，通过简单计算，就可得到三棱锥顶点的三个方向的实际坐标值，将其与指令值进行比较即可得到机床工作空间的误差值。该仪器的理论精度达到-2.57mm〜1.43^m，与激光干涉仪的比较试验结果证明：两者的误差为±0.5^m，激光球杆仪具有相当高的精度，可以用来进行机床运动精度的评定和误差补偿的研究。此外，将激光球杆仪用于不同轨迹的测量，也取得了一定的研究成果阅。该方法的不足之处是仪器制造较困难，仪器的标定和修正较复杂.因此影响了仪器的推广侧.标准圆盘法(StandardDisc)标准圆盘法是通过已经标定的高精度标准圆盘，获得机床相对圆盘的径向误差值，做出机床误差圆轨迹图像。早在1980年Burdekin就描述了通过机床的圆轨迹进行机床精度评价的方法，对该方法有较大贡献。Knapp介绍了获得数控机床圆轨迹的步骤:将标准圆盘固定在工作台上，在数控机床按程序作圆运动时，设定圆运动的半径等于圆盘的半径，通过装在主轴上、与圆盘保持稳定接触的传感器绘制出实际的圆运动轨迹;如果安装两个传感器，即可进行平面二维测量。文献中还分析了由于标尺误差、两轴间的垂直度误差、直线度误差以及滚转角误差、偏摆角误差、俯仰角误差单独作用时的圆轨迹图形。其中标尺误差、俯仰角误差、偏摆角误差产生的圆轨迹形状相同，呈现和误差轴轴线一致的椭圆状，不同之处是由于阿贝(Abbe)误差的影响，角度误差〔俯仰角误差、偏摆角误差)在不同的测量位置其椭圆状轨迹的大小不同。垂直度误差、滚转角误差都产生与机床轴线呈45度的椭圆状轨迹，其中由于阿贝(Abbe)误差的影响，滚转角误差与测量平面到轴的垂直距离有关。这种单一的误差项的理论分析奠定了进一步研究的理论基础.由于机床的几何误差是上述各项误差综合作用的结果，利用上述研究结果，Knapp分析了机床作圆运动时的速度与圆轨迹误差的关系，得出了“在相同的测量条件下，随着运动速度提高，圆轨迹误差将减少”的结论.尽管用标准圆盘法能够分析得出影响机床几何误差的主要原因，但由于受到标准圆盘精度、测头与圆盘的摩擦引起的振动、测头球端的形状误差等影响，该方法的测量精度不高，一般要求圆盘的精度在半径小于50nun时，圆度误差在lpm以内：当半径大于50咖时，圆度误差在3pm以内。除此之外，用标准圆盘法难以分解造成相同圆轨迹误差的单项误差，也很难进行精确的数值计算，因此适用于只需了解最大误差的机床验收及定期检测。(4)双环丝线仪为了减轻仪器的重量，增加测量范围，日本东京Denik大学精密工程系在2001年研制出双环丝线仪(DoubleRingsstrings)o双环丝线仪是用圆环(Rings)和丝线(String)代替球杆仪中刚性的球和球杆冈，用以对三坐标测量机进行类似的测量。由于丝线弹性和环与丝线摩擦的影响，双环丝线仪的测量精度仅为0.02mm,只能满足大型设备或精度要求不高的测量场合。平面正交光栅法一种较易实现的方法是平面正交光栅法团(crossgridencodertest，CGET)，其原理十分简单:在工作台上放置高精度的刻有正交栅纹的平面光栅，读数光栅装在主轴上，两者的间隙大约5mm。当机床做圆运动或者任意曲线运动时，都可以通过主轴上的读数头获得其真实的运动轨迹。该方法为非接触测量，分辨率高，一般可达5nm，测量精度在两个方向均可达到士2Mm，可方便地进行不同轨迹、不同平面的测量；但该方法的实现需要较大的平面光栅、制造困难、造价较高为其不足之处。平面光栅采用非接触式测量，可以获得高精度的两轴联动的二维误差数值,常用的最大直径为220mm,大平面光栅制造复杂、精度难以保证。接力测量法使用小平面光栅测量机床工作平面二维误差的新方法一接力测量法。接力测量法可以用来进行数控机床平面误差场的误差测量，测量精度较高,操作方便,不足之处是测量设备价格较贵。国内对圆测法的研究也很多。西北工业大学马锡琪教授制造了测量仪器一双球规；浙江大学的吴昭同教授对球杆仪进行了改装，申请了国内专利；天津大学张国雄教授及其领导的学术团体对球杆仪进行了深入的研究，提出通过在三个坐标平面内测量32个圆或圆弧，从而分解21项误差的新方法；上海交通大学洪迈生教授等也对该方法进行了研究，提出一种由指令圆、控