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數(shù)控機床幾何誤差及其補償方法研究
趙慶友 2009/4/17
（接上頁）5-Z(1)的三坐標測量機，在16小時內(nèi)，測量了工作空間內(nèi)大量的點的誤差，在此過程中考慮了溫度的影響，并用最小二乘法對誤差模型參數(shù)進行了辨識。由于機床運動的位置信號直接從激光干涉儀獲得，考慮了角度和直線度誤差的影響，獲得比較滿意的結(jié)果。1985年G. Zhang成功的對三坐標測量機進行了誤差補償。測量了工作臺平面度誤差，除在工作臺邊緣數(shù)值稍大，其它不超過1μm，驗證了剛體假設(shè)的可靠性。使用激光干涉儀和水平儀測量得的21項誤差，通過線性坐標變換進行誤差合成，并實施了誤差補償。X-Y平面上測量試驗表明，補償前,在所有測量點中誤差值大于20μm的點占20％，在補償后，不超過20％的點的誤差大于2μm，證明精度提高了近10倍。除了坐標測量機的誤差補償以外，數(shù)控機床誤差補償?shù)难芯恳踩〉昧艘欢ǖ某晒Ｔ?977年Schultschik教授運用矢量圖的方法，分析了機床各部件誤差及其對幾何精度的影響，奠定了機床幾何誤差進一步研究的基礎(chǔ)。Ferreira和其合作者也對該方法進行了研究，得出了機床幾何誤差的通用模型,對單項誤差合成補償法作出了貢獻。J.Ni et al更進一步將該方法運用于在線的誤差補償,獲得了比較理想的結(jié)果。Chen et al建立了32項誤差模型，其中多余的11項是有關(guān)溫度和機床原點誤差參數(shù)，對臥式加工中心的補償試驗表明，精度提高10倍。Eung-Suk Lea et al幾乎使用了同G. Zhang一樣的測量方法，對三坐標Bridge port銑床21項誤差進行了測量，運用誤差合成法得出了誤差模型，補償后的結(jié)果分別用激光干涉儀和Renishaw的DBB系統(tǒng)進行了檢驗，證明機床精度得以提升。
2.2誤差直接補償法
這種方法要求精確地測出機床空間矢量誤差，補償精度要求越高，測量精度和測量的點數(shù)就要求越多，但要詳盡地知道測量空間任意點的誤差是不可能的，利用插值的方法求得補償點的誤差分量，進行誤差修正，該種方法要求建立和補償時一致的絕對測量坐標系。
1981年,Dufour和Groppetti在不同的載荷和溫度條件下，對機床工作空間點的誤差進行了測量,構(gòu)成誤差矢量矩陣,獲得機床誤差信息。將該誤差矩陣存入計算機進行誤差補償。類似的研究主要有A.C.Okafor et al，通過測量機床工作空間內(nèi)，標準參考件上多個點的相對誤差，以第一個為基準點，然后換算成絕對坐標誤差，通過插值的方法進行誤差補償，結(jié)果表明精度提高了2～4倍。Hooman則運用三維線性（LVTDS）測量裝置,得到機床空間27個點的誤差（分辨率0.25μm，重復精度1μm），進行了類似的工作。進一步考慮到溫度的影響，每間隔1.2小時測量一次，共測量8次，對誤差補償結(jié)果進行了有關(guān)溫度系數(shù)的修。這種方法的不足之處是測量工作量大，存儲數(shù)據(jù)多。目前，還沒有完全合適的儀器，也限制了該方法的進一步運用和發(fā)展。
2.3相對誤差分解、合成補償法
大多數(shù)誤差測量方法只是得到了相對的綜合誤差，據(jù)此可以從中分解得到機床的單項誤差。進一步利用誤差合成的辦法，對機床誤差補償是可行的。目前，國內(nèi)外對這方面的研究也取得一定進展。2000年美國Michigan大學Jun Ni教授指導的博士生Chen Guiquan做了這樣的嘗試，運用球桿儀(TBB)對三軸數(shù)控機床不同溫度下的幾何誤差進行了測量，建立了快速的溫度預報和誤差補償模型，進行了誤差補償。Christopher運用激光球桿儀（LBB），在30分鐘內(nèi)獲得了機床的誤差信息，建立了誤差模型, 在9個月的時間間隔內(nèi),對誤差補償結(jié)果進行了5次評價,結(jié)果表明，通過軟件誤差補償?shù)姆椒ǹ梢蕴岣邫C床的精度，并可保持精度在較長時間內(nèi)不變。
誤差合成法，要求測出機床各軸的各項原始誤差，比較成熟的測量方法是激光干涉儀，測量精度高。用雙頻激光干涉儀進行誤差測量，需時間長，對操作人員調(diào)試水平要求高。更主要的是對誤差測量環(huán)境要求高，常用于三坐標測量機的檢測，不適宜生產(chǎn)現(xiàn)場操作。相對誤差分解、合成補償法，測量方法相對簡單，一次測量可獲得整個圓周的數(shù)據(jù)信息，同時可以滿足機床精度的檢測和機床評價。目前也有不少的誤差分解的方法，由于機床情況各異，難以找到合適的通用數(shù)學模型進行誤差分解，并且對測量結(jié)果影響相同的原始誤差項不能進行分解，也難以推廣應用。誤差的直接補償法，一般以標準件為對照獲得空間矢量誤差，進行直接補償，少了中間環(huán)節(jié)，更接近機床的實用情況。但獲得大量的信息量需要不同的標準件，難以實現(xiàn)，這樣補償精度就受到限制。
在國內(nèi)，許多研究機構(gòu)與高校近幾年也進行了機床誤差補償方面的研究。1986北京機床研究所開展了機床熱誤差的補償研究和坐標測量機的補償研究。1997年天津大學的李書和等進行了機（未完，下一頁）
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