数控机床误差检测技术新进展*

杨 帆 杜正春 杨建国 洪迈生

(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

数控机床作为机械制造中的基础工具，它的精度是影响加工精度的重要因素。高速高精度下数控机床的(复杂)运动轨迹误差直接影响着被加工对象的几何精度，能否确切地掌握该误差，既是进行在线补偿加工的必需，又直接关系到能否精确地追溯机床各传动部件的精度异常源或故障源。随着先进制造领域对于制造装备精度的要求不断提高，对数控机床进行误差检测和异常溯源就显得更为重要。机床误差可简单理解为“机床工作台或刀具在运动过程中，实际位置与理想位置的差异”［1］。1973年，McKeown教授首先提出了空间误差(Volumetric Error)的概念，用以定义精密机床加工精确3D几何形貌的能力［2］。至此之后，特别是近二十年来，各国始终不渝地在研究各种数控装备空间误差的精密检测、建模和补偿方法，并取得了许多成果。本文在文献［3］的综述研究的基础上，介绍了各典型检测方法及其技术特点，回顾并评述了国内外近年来，特别是最近十年关于数控机床误差检测的研究历程和新成果，分析了当前研究存在的问题，并对今后的研究趋势做了进一步展望。

1 机床误差检测方法概述

机床误差检测从一次测量可得误差项数的角度分为单项误差分量检测和综合误差分量检测两种方法。单项误差检测就是选用合适的测量仪器，对数控机床多项几何误差直接单项测量。根据测量基准的不同单项误差检测方法可以分为3类［4］:一是基于量规或量尺的测量方法，常用测量仪器有金属平尺、角规、千分表等;二是基于重力的测量方法，常用仪器有水平仪、倾角仪等;三是基于激光的测量方法，常用仪器为激光干涉仪和各种类型的光学镜。其中以激光干涉检测方法应用最广。随着激光干涉技术本身的发展，先后有各种典型的激光干涉仪器等纷纷应用于数控机床的单项误差检测，具体包括定位误差［5］、直线度误差［6］、角偏误差［7］、垂直度误差［8］等。其中以多普勒双频干涉仪可测项目范围最广，几乎包括机床精度检定的所有主要指标。尽管如此，激光干涉仪方法普遍存在安装调试极不方便、对测量环境要求高、测试周期长等缺点，依然难以适应现场快速高效的测量要求［9］。

综合误差检测就是通过数学辨识模型实现误差参数分离，使用测量仪器一次同时对数控机床多项空间误差进行测量。20世纪80年代以来，误差检测主要集中在新型机床运动精度检测仪的应用上，常见综合误差检测仪器与方法有:基准棒——单项微位移法［10］(TBUP，Test Bar＆Unidimensional Idimensional Probe)、基准圆盘——双向微位移计测头法［11］(DGBP，Disk Gauge and Bi－dimensional Probe)、双规球法(DBB，Double Ball Bar)［12－14］、全周电容——圆球法(CBP，Capacitance Ball Probe)［15］、二连杆机构——角编码器法(PTLM，Plane Two Link Mechanism)［16］、四连杆机构法(PFLM，Plane Four Link Mechanism)［17］、激光球杆法(LBB，Laser Ball Bar)［18］等。其中，TBUP 法、DGBP 法都是早期形成的方法，它们均能用于圆插补运动的质量判定，测量范围及精度有限。PFLM法和PTLM测量精度有所提高，但是只能用于单一圆平面检测，难以回溯精度异常源。随着20世纪80年代初J.B.Bryan［12］和 W.Knapp的研究成果导向［13－14］，在国际上基本上形成了以规则圆形轨迹误差运动测试溯因方法为主流的倾向。国际标准化组织已在1990年将数控机床的圆轨迹插补运动测试方法补充入ISO－231［14］。DBB法为圆轨迹测试方法的典型代表，是至今应用广泛且仍在继续研究和发展的一种误差检测方法，而CBP法、LBB法等均可看成DBB法的变型。

此外，综合误差检测方法中有一类基于标准件的间接测量方法——标准工件法。标准工件法一般用已标定的圆形或者球形工件作为测量基准，测量时通过比较标准工件的实际坐标和其标定值，得到机床当前位置的运动误差向量，最终综合机床量程内不同位置所测数据拟合出误差函数。特征标准件根据可测运动轴数不同分为一维［19］、二维［20］和三维［21］3 种。总体而言，此类方法对标准件精度要求较高，且一般只能测量有限的误差项，实际应用并不广泛。

作为国内外研究的热点课题，数控机床的误差检测方法与补偿技术曾两次被国际生产工程学会CIRP(关于机床制造、精度检测、精密加工的最高国际会议)列为大会报告主题(1995，2008)［4，8］。而近十年的研究则主要集中在DBB、激光干涉仪等主流方法的改进和应用拓展，以及新型检测仪器的研制和应用上，也取得了不少成果，下面将重点介绍。

2 机床误差检测技术新进展

2.1 DBB 方法

1982 年，J.B.Bryan［12］在美国 Lawrence Livermore国家实验室，首先开发出了用于快速检测数控机床运动误差的双球规，其基本结构如图1所示。双球规内部装有微位移计和可以相对伸缩的两个套管，套管两端附有钢球并分别与两个磁力凹球吸座相连，将两吸座分别装夹在机床不同运动部件上。测量时，装有吸座的机床运动部件作相对圆运动，轨迹精度可由内藏式微位移计通过测量钢球位移变化而得到。再通过运动学模型，就可以辨识得到各项误差分量。目前，不少国家已经实现DBB商品化生产，如美国API公司、英国Renishaw公司和德国Heidenhain公司，都有各自品牌的DBB法仪器和软件出售。

经过多年的研究，已经基本解决了基于DBB方法的三轴机床21项几何运动误差的检测问题［1］，最近十年的研究主要集中在多轴机床误差检测的应用上。2003年，日本东京农业科技大学的M.Tsutsumi和Akinori Saito［22］等针对双转台型五轴加工中心，从三轴联动控制(两个线性轴和一个转动轴同时运动，保持DBB——中心球位置不变)出发，提出了一种基于DBB的检测和辨识转动轴8项位置误差和角偏误差的算法，运用该方法进行了模拟和实验，两者结果相符。2004年，他们又专门针对转台研究提出在四轴联动控制(3个线性轴和一个转动轴同时运动)下，通过两次测量机床运动精度，依次辨识得到该转台各项位置误差和角偏误差的方法，并通过模拟实现［23］。2005年，加拿大的 S.H.H.Zargarbashi等［24］也专门对转动轴的误差进行了研究，用DBB通过5次测量实现了该转动轴轴向误差、径向误差、偏摆误差等5项误差的辨识，由于每次测量都是一次安装，减少了人工干预，检测精度得到提高。2007年，台湾的 W.T.Lei等［25］提出了一种新颖的测量方法，测量中五轴加工中心三线性轴保持静止，仅两转动轴同时运动，然后根据DBB测得的运动轨迹信息辨识得到两转动轴的反向间隙及伺服匹配等误差，从而为多轴机床的误差溯源提供了有利根据。2009年，日本东京大学的M.Sharif Uddin等［26］在M.Tsutsumi和Akinori Saito的研究基础上，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，并根据误差模型对加工误差进行了预测，而且将研究结果成功应用于误差补偿。以上研究体现了DBB方法的在多轴机床误差检测方面的巨大研究空间及应用前景。同时，DBB方法也存在一些不足，主要是仪器由于自身结构原因测量精度有限，而且难用于小半径圆插补运动轨迹测量。

2.2 激光干涉仪法

随着激光干涉技术的发展，基于激光干涉仪的传统的单项误差检测以及12线和14线［27］、15线和22线［28］法等综合测量方法在机床误差检测辨识中得到了广泛应用。但是在实际测量中，这些方法大都存在调整极度困难费时、测量周期长等缺点，而且需要附加购买昂贵的光学元件。2000年，上海交通大学杨建国教授等通过与美国光动公司合作，提出了一种沿体对角线的机床空间位置误差的测量方法［29］，该方法是基于激光多普勒位移测量仪LDDM(Laser Doppler Displacement Meter)技术和创新的多步测量及其算法，利用简单的激光头与套件即可通过四次沿机床对角线的多步调整测量(如图2所示)，实现机床的全部12项移动误差快速检定，为误差补偿的应用创造了条件。2003 年 Mark A.V.Chapman［30］从原理上分析了激光矢量对角线法的测量精度，并指出运用该方法所测数据进行误差补偿时可能存在的不足。2005年，H.Schwenke［31］等人提出基于单激光跟踪干涉仪测量的“激光跟踪法”(Lasertrace)，该方法对机床工作行程无限制，且以静止球为参考，大大降低了径向测量的不确定度。2005年，日本的Umetsu K［32］等人利用激光跟踪测量系统实现了三轴21项机床几何误差的测量。2006 年，Ondrej Svoboda［33］也用实验证明激光对角线法不能够准确地确定机床几何误差，而可能在补偿过程中将误差分布到机床的其他轴上。可以预见，激光干涉仪方法在今后一段时间还将成为研究的重点。

2.3 平面正交光栅法

平面正交光栅法(GGET——Gross Grid Encoder Test)由德国Haidenhaim公司在1996年提出［34］。图3为平面正交光栅法检测安装图。该法基本工作原理:工作台上安置直径达220 mm且刻画有高精度正交栅纹的平面光栅，在其有效工作范围内，可通过安装在主轴端上的读数头及后续电路“读出”工作台与主轴相对运动轨迹是否精良的信号。该方法细分后读数分辨率可达5 nm，首次实现了非接触式测量，且相对运动速度的约束更少。1999 年，W.Knapp［35］在 Haidenhaim公司生产的平面正交光栅基础上设计了KGM系统，使读数光栅可以测量数控机床运动时其在三维空间各方向的变化量，因而可以方便地用于空间任一平面内复杂轨迹运动时的精度测量，而不再局限于圆周运动。近年，上海交通大学研究团队利用KGM系统进行了关于三轴数控机床误差检测研究，并在2010年提出了一种基于光栅的三轴机床误差分步测量和辨识方法［36］，通过检测3个坐标平面内直线(直角折线)运动轨迹精度得到12项直线性误差，再通过3个坐标平面检测圆运动轨迹精度，依次辨识得到9项角偏误差，从而实现了全部21项几何运动误差的检测。整个检测时间可控制在2 h内完成，检测效率得以大大提高。除仪器价格较高外，其可认为是当今运动精度诊断的首选方法。然除上海交通大学研究团队的工作外，尚未见其他文献报道基于光栅的机床误差检测研究。

2.4 R －test方法

R －test装置由瑞士的S.Wei kert和W.Knapp［37］在2004年发明，专门用于针对五轴数控机床转台的误差测量。如图4所示，R－test装置由一个高精度的中心球和安装有3个在空间中互相垂直的位移传感器的底座组成，中心球安装在主轴上，底座固定在工作台上，3个传感器探头与中心球面准确地接触。机床作多轴联动时，中心球带动3个探头产生位移，由3个位移传感器的测量数据可以得出中心球的运动轨迹，进而处理得到机床的空间误差。该装置测量精度高，而且可同时测量五轴机床在连续路径下的圆轨迹和球轨迹误差，大大缩短了测量时间。2006年，B.Bringmann和W.Knapp［38］提出了一种改进式的R－test系统，并运用基于“赶球法”模型的五轴加工中心标定方法，实现一次装夹、快速标定，而且可以对传统方法(如激光干涉仪法和圆轨迹法)的测量不确定度进行预测。2009 年，Zargarbashi和 Mayer［39］提出一种类似测量装置“Cap Ball”，只是使用了非接触式的电容传感器。2011年，日本的 Soichi Ibaraki等［40］对 R －test系统进行了更深入的研究，不仅检测了机床的定位误差，而且考虑到转轴的变形，对角度定位误差以及与转轴角度位置相关的几何误差分量等也进行了辨识。相比DBB法的一维测量而言，R－test方法只需一次安装，就可以在测量周期内采集三维的误差轨迹数据，检测期间不需要重新安装，自动化程度和测量效率更高，因而具有很大的潜在优势。目前，ISOTC/SC2已经在讨论收入R－test方法［41］，德国IBS公司和Fidia公司已经开始了将基于R－test方法的机床精度标定商业化的进程［42－43］。国内对此的研究近乎空白。

3 机床误差检测研究趋势

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［4］。同时，随着各国数控机床保有量的增加，对于数控机床精度的再标定及误差溯源，进而调整机床以排除故障或进行误差补偿的需求增加，数控机床误差的检测和补偿将变成一项定期服务的内容。一方面，人们对数控机床误差检测方法的快速性要求增加，如何实现快速高效的误差检测成为各国目前研究的重点和今后继续研究的方向。平面光栅和R－test方法由于其测量的灵活性，能够满足快速检测的要求，对这两种方法的改进和应用拓展势将成为今后的热点课题。另一方面，随着复杂曲面精密加工在生产应用中的需求不断增加，使得在机床误差检测对象的研究重点也逐渐从三轴机床或坐标测量机转向多轴机床。目前DBB方法和R－test方法已经表现出在多轴检测方面的优势，学者也将继续发掘它们在该领域的应用潜力。

4 结语

(1)介绍了各种典型的机床误差检测方法和技术特点，重点介绍了该领域近十年研究新进展。

(2)分析了当前数控机床误差检测研究中存在的问题，指出了今后的研究趋势。

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