機(jī)床校準(zhǔn)_空間誤差補(bǔ)償技術(shù)(VEC)大型機(jī)床標(biāo)定的創(chuàng)新實用方

1、 空間誤差補(bǔ)償技術(shù)（VEC ）大型機(jī)床標(biāo)定的創(chuàng)新實用方法為進(jìn)一步縮小大型機(jī)床，尤其是5軸、6軸機(jī)床，工作時的公差范圍，提升其加工精度，美國國家制造科學(xué)中心（NCMS ，National Center of Manufacturing Science）組織了一次名為大型機(jī)床空間精度研究（VALMT ，Volumetric Accuracy for Large Machine Tools）的大規(guī)模聯(lián)合行動。此次聯(lián)合行動邀請了包括美國自動精密工程公司（API ）、波音公司（Boeing ）、西門子（Siemens ）、辛辛那提（Mag Cincinnati）等眾多行業(yè)精英企業(yè)參加。大型機(jī)床空間誤差補(bǔ)

2、償技術(shù)（VEC ，Volumetric Error Compensation）由此誕生。空間誤差補(bǔ)償技術(shù)（VEC ）使用API 自主知識產(chǎn)權(quán)的T3激光跟蹤儀（T3 Laser Tracker）與同樣是API 專利產(chǎn)品的Active Target高性能傳感器相配合，在有效時間內(nèi)對大型機(jī)床進(jìn)行精確測量。在經(jīng)過簡單的調(diào)試、安裝后，使用T3激光跟蹤儀對大型機(jī)床的運(yùn)動空間進(jìn)行持續(xù)不間斷的跟蹤測量，以得到機(jī)床操作過程中自始至終的運(yùn)行數(shù)據(jù)?？臻g誤差補(bǔ)償技術(shù)測量的特點在于：測量是在一個整體坐標(biāo)系中完成的，而不是像普通測量那樣需要分別測量不同的坐標(biāo)軸，由此便可以記錄到與機(jī)床實際運(yùn)動最吻合、最精確的數(shù)據(jù)。接下來，

3、將這些數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，使用軟件工具對機(jī)床運(yùn)行的整個路徑進(jìn)行模擬，以圖片的形式反映空間誤差，并生成補(bǔ)償數(shù)據(jù)列表、核實空間補(bǔ)償數(shù)值，最后直接將處理后的數(shù)據(jù)反饋于控制系統(tǒng)。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的5軸、6軸機(jī)床通常會產(chǎn)生40至50個誤差參數(shù)，以至于使用傳統(tǒng)的21項誤差機(jī)床檢測法無法對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型機(jī)床進(jìn)行全面的誤差檢測。而相比于傳統(tǒng)的機(jī)床誤差檢測方法，VEC 技術(shù)對機(jī)床運(yùn)行空間的測量更具持續(xù)性，從而能夠檢測出機(jī)床工作時所產(chǎn)生的全部誤差參數(shù)。實驗表明，使用VEC 方法進(jìn)行檢測、校準(zhǔn)后的機(jī)床精度較傳統(tǒng)檢測方法校準(zhǔn)的機(jī)床高出了至少4倍。 前言長期以來，一個普遍的問題一直困擾著使用大型機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)、加工的企業(yè)，那就是

4、：企業(yè)所購買的價格不菲的高精度大型機(jī)床在生產(chǎn)加工過程中總會產(chǎn)生大大小小的誤差，使其加工出的產(chǎn)品達(dá)不到精度要求。而造成誤差的原因通常是多樣性的：滾珠絲杠及齒輪的磨損、金屬疲勞、甚至機(jī)床本身設(shè)計或安裝時所造成的缺陷等等因素都會使機(jī)床工作時產(chǎn)生誤差。使用空間誤差補(bǔ)償?shù)姆椒▽Υ笮蜋C(jī)床工作時產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正已經(jīng)在理論上被證實為是減小機(jī)床定位誤差的有效方法。使用這種方法可以通過生成機(jī)床整個工作過程的誤差參數(shù)來全面了解機(jī)床工作時在精度上的偏差，從而生成補(bǔ)償參數(shù)，并將補(bǔ)償參數(shù)輸入機(jī)床控制系統(tǒng)從而對機(jī)床現(xiàn)有的定位誤差進(jìn)行實時糾正。而現(xiàn)代大型機(jī)床也在技術(shù)上支持這種空間誤差補(bǔ)償?shù)牟僮鞣椒ā５珵槭裁催@種修正機(jī)床定位

5、誤差的方法沒有得到普及呢？其原因是多方面的：首先，這種方法的應(yīng)用需要有許多專業(yè)儀器的配合；其次，在擁有專業(yè)儀器的同時，專業(yè)的知識以及專業(yè)的技術(shù)人員也是所必須的。這些硬件上的要求，無疑都增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本，而讓更多企業(yè)所無法接受的是，這種空間誤差補(bǔ)償?shù)姆椒O其消耗時間。在制造行業(yè)，大幅度的消耗時間就等于大幅度降低了企業(yè)的生產(chǎn)力。不少企業(yè)基于以上原因，對這項技術(shù)的實施望而卻步。傳統(tǒng)的機(jī)床校準(zhǔn)與補(bǔ)償方法21項誤差補(bǔ)償法是被公認(rèn)的傳統(tǒng)的機(jī)床校準(zhǔn)方法。以結(jié)構(gòu)較簡單的普通3軸機(jī)床為例，這種方法需要使用激光干涉儀對機(jī)床的每個軸（X ，Y ，Z ）分別進(jìn)行測量。而在進(jìn)行這些測量之前，需要對測試儀器做大量的安

6、裝調(diào)試工作，以便使干涉儀的激光束與機(jī)床相吻合，且對于每個軸的測量，都需要重新調(diào)整激光干涉儀的位置，并運(yùn)行各自的測量步驟。如此，便耗費(fèi)了大量的時間，使機(jī)床閑置，導(dǎo)致生產(chǎn)力的下降。而且由于激光干涉儀工作時間過長，還要將熱漂移的因素考慮在內(nèi)。 每一個線性軸都會產(chǎn)生6個誤差參數(shù)（即：線性定位誤差、水平直線度誤差、垂直直線度誤差、俯仰角、偏擺角、滾動角）。通常來講，為確保測量的精度及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對每個線性軸上的6個可能發(fā)生的誤差參數(shù)各進(jìn)行2次測量。從而，至少要進(jìn)行36次測量，才可以收集到18個誤差參數(shù)；再加上三個軸兩兩之間（X 到Y(jié) ，Y 到Z ，Z 到X ）的垂直度，就可以得到21項誤差參數(shù)。接

7、下來，根據(jù)收集到的誤差參數(shù)就可以分別確定對于各個軸的補(bǔ)償參數(shù)。完成這一過程，通常需要進(jìn)行幾天甚至是幾個星期的測量，而測量期間內(nèi)由于天氣的不同以及晝夜溫差導(dǎo)致的溫度變化也會對測量結(jié)果有較大影響。如果在測量中使用API 最高配置的XD6型激光干涉儀，便可以在一次測量中得到一條線性軸上的6個誤差參數(shù)。在同樣測量3軸機(jī)床的情況下，便將通常需進(jìn)行的36次測量減少到了6次，從而大幅度的縮減了測量時間。然而，即便使用XD6型激光干涉儀進(jìn)行測量，仍然不能在不安裝輔助儀器的情況下對垂直軸的滾動角進(jìn)行測量。此外，在測量結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的5軸、6軸機(jī)床時，熱漂移現(xiàn)象仍會帶來不可忽視的影響。通常情況下，可以使用如下公式來

8、計算應(yīng)測量的待測機(jī)床的誤差參數(shù)的數(shù)量：應(yīng)測誤差參數(shù)數(shù)量6×機(jī)床線性軸的數(shù)量4×旋轉(zhuǎn)軸的數(shù)量2×平行軸的數(shù)量刀具自由度（DOF）6工件自由度以普通的Cartesian 3軸機(jī)床為例，應(yīng)測誤差參數(shù)的數(shù)量計算如下：6×34×02×33621項應(yīng)測誤差參數(shù)如此，傳統(tǒng)的21項誤差補(bǔ)償法的缺陷就顯露出來，即：使用21項誤差補(bǔ)償法無法對結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的5軸、6軸機(jī)床進(jìn)行測量和誤差的補(bǔ)償。 依如上公式所示，一個典型的帶雙旋轉(zhuǎn)軸的5軸機(jī)床的應(yīng)測誤差參數(shù)數(shù)量應(yīng)為：6×54×22×35643應(yīng)測誤差參數(shù)由此可見：傳統(tǒng)的21項誤差

9、補(bǔ)償法已無法滿足大型5軸、6軸機(jī)床的空間誤差補(bǔ)償要求。如何對大型5軸、6軸機(jī)床進(jìn)行精準(zhǔn)空間誤差補(bǔ)償?shù)膯栴}亟待解決。美國國家制造科學(xué)中心（NCMS ，National Center of Manufacturing Science）組織的大型機(jī)床空間精度研究（VALMT ，Volumetric Accuracy for Large Machine Tools）聯(lián)合行動意在于創(chuàng)造一種新的實用方法解決5軸、6軸大型機(jī)床精準(zhǔn)空間誤差補(bǔ)償?shù)膯栴}。行動組的成員美國自動精密工程公司（API ）、波音公司（Boeing ）、西門子（Siemens ）、辛辛那提（Mag Cincinnati）聯(lián)合開發(fā)了一種新型

10、的具有革命性的大型機(jī)床標(biāo)定的方法，即空間誤差補(bǔ)償技術(shù)（VEC ）。這種革命性的創(chuàng)新方法已經(jīng)分別在美國華納羅賓斯空軍后勤中心（Warner Robins Air Logistics Center）、美國海軍螺旋槳鑄造中心（Naval Foundry & Propeller Center）、美國東部艦隊總裝備部（Fleer Readiness Center East）和美國安尼斯頓陸軍軍械庫（Anniston Army Depot）進(jìn)行了實地檢測與操作、應(yīng)用，被認(rèn)定為是一種快速有效的替代傳統(tǒng)21項誤差補(bǔ)償法的機(jī)床標(biāo)定的新型實用方法。 空間誤差補(bǔ)償技術(shù)（VEC ）的使用較其他機(jī)床標(biāo)定方法更為

11、簡單且精確度更高。由于VEC 技術(shù)的測量是在一個整體的坐標(biāo)系中完成，而不是像其他技術(shù)那樣要分別對機(jī)床的每一個軸進(jìn)行測量，所以只需一次安裝檢測儀器，便可以對從較為簡單的3軸機(jī)床到結(jié)構(gòu)復(fù)雜的6軸機(jī)床進(jìn)行精確的測量；且激光跟蹤儀對機(jī)床運(yùn)行的整個過程進(jìn)行跟蹤測量，所以測量所得結(jié)果與機(jī)床實際運(yùn)動軌跡完全吻合，從而達(dá)到極高的測量精度。使用VEC 技術(shù)在幾個小時內(nèi)就可以完成對6軸大型機(jī)床的測量，較傳統(tǒng)方法大幅減少了時間，從而解決了大型機(jī)床標(biāo)定過程時間過長的問題。而且這樣還能將熱漂移對測量精度的影響降到極低。配合軟件自動計算出誤差補(bǔ)償值，進(jìn)行核實后上載到機(jī)床控制器，從而對機(jī)床進(jìn)行實時誤差補(bǔ)償。經(jīng)實驗證明，使用

12、VEC 空間誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄐ?zhǔn)過的機(jī)床比一般方法校準(zhǔn)的機(jī)床精度高出4倍以上?？臻g誤差補(bǔ)償技術(shù)（VEC ）的數(shù)據(jù)計算方式是基于切比雪夫多項式（Chebyshev Polynomials）演變而來。API 獨(dú)有的測量軟件計算出多項式的運(yùn)動學(xué)方程來描述機(jī)床運(yùn)動時產(chǎn)生的不同誤差，從而對機(jī)床運(yùn)動空間內(nèi)的任何坐標(biāo)上的誤差進(jìn)行精準(zhǔn)補(bǔ)償。使用VEC 技術(shù)的第一個步驟就是建立VEC 機(jī)床模型。應(yīng)用機(jī)床的CAD 模型，根據(jù)不同機(jī)床的特征建立運(yùn)動誤差模型。根據(jù)建立的運(yùn)動誤差模型，API 的測量軟件會計算并提供出一個測量路徑的最佳解決方案，并避免與機(jī)床運(yùn)行過程中有可能關(guān)聯(lián)到的物體，例如固定裝置、夾具等相沖突。利用這種

13、計算方法，可以使帶有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的機(jī)床（如帶旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)床和6軸機(jī)床等）的測量標(biāo)定變得像標(biāo)準(zhǔn)3軸機(jī)床一樣簡單。 API 測量軟件計算出的測量路徑可以避免測量過程中可能發(fā)生的部件相互碰撞的情況。而這一測量路徑是如何得出的呢？方法就是：在機(jī)床運(yùn)動的空間內(nèi)隨機(jī)取200至400個參照點（見上圖），將機(jī)床在這一運(yùn)行空間內(nèi)每個軸上的所有可能形成的姿態(tài)進(jìn)行模擬，從而根據(jù)這一數(shù)據(jù)來計算出最終的測量路徑。測量時，機(jī)床主軸會沿著預(yù)先設(shè)計好的路線進(jìn)行運(yùn)動，與此同時，API 的T3激光跟蹤儀發(fā)射出的激光束將會始終跟蹤固定在位于機(jī)床中心點機(jī)床主軸上的API Active Target活動靶標(biāo)，對機(jī)床運(yùn)行的完整路線進(jìn)行測量。由

14、于測量軟件已為測量設(shè)計出了最佳路線，所以在測量過程中絕不會發(fā)生碰撞事件，也不會因為主軸的運(yùn)動遮擋了激光束而中斷測量。實際測量中，無論機(jī)床的大小和結(jié)構(gòu)復(fù)雜與否，整個測量的過程會在1至3個小時之間。由于API 的T3跟蹤儀在設(shè)計上的緊湊型、便攜性、高復(fù)合性、以及測量范圍極廣的特性，在測量時，T3激光跟蹤儀既可以被安裝在機(jī)床上，也可以被安置于機(jī)床之外。而Active Target活動靶標(biāo)則被安裝固定在位于機(jī)床中心點的機(jī)床主軸上。Active Target實際上是一個機(jī)動化的SMR ，其特有的內(nèi)置反射鏡進(jìn)行不間斷的轉(zhuǎn)動，從而可以在移動中始終鎖定T3激光跟蹤儀發(fā)射出的激光束，不會將激光束跟丟。測量時，每

15、當(dāng)機(jī)床運(yùn)行到一個新的測量點就會停頓3至4秒鐘，使機(jī)床完成休整并穩(wěn)定在其所應(yīng)到達(dá)的位置，T3激光跟蹤儀會在這一間隙對這個參照位置實施30次至100次的測量。當(dāng)計算出測量數(shù)據(jù)的平均值，便會反射信號至機(jī)床，使其移動到下一個待測位置。整個過程需要對待測機(jī)床進(jìn)行三次測量（見下圖）：第一次測量時應(yīng)使用一個稍長的適配桿用來固定Active Target；第二次重復(fù)第一次的過程，以便核實、檢查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；第三次，也就是最后一次則應(yīng)使用一個較短的適配桿固定Active Target進(jìn)行測量。這個過程不僅僅是簡單的三次測量，實際上，使用長短不同的適配桿固定Active Target進(jìn)行測量，為每一個待測的參照點

16、生 成了向量。使用這種方法既可測得位置參數(shù)，又可以測得方向的數(shù)據(jù)。其原因在于：每個待測的參照點與其前一個被測量的點之間都會形成一個桿狀的連接，隨著測量進(jìn)程的發(fā)展，所連接的點就越多，而這樣，通過200至400個隨機(jī)參照點，就形成了點云（Point Cloud），而不是簡單的三個平面。 如下圖所示，通過這些向量（桿狀連接）可以確定機(jī)床運(yùn)動空間中的每一個點，并通過上萬次的計算得到這些參照點的位置參數(shù)（X ，Y ，Z ）以及方向參數(shù)（如：俯仰角、偏擺角、滾動角）。接下來，軟件將會根據(jù)測得的參數(shù)計算出補(bǔ)償值，將補(bǔ)償參數(shù)儲存，以便上傳至機(jī)床的控制系統(tǒng)，在機(jī)床實際作業(yè)中進(jìn)行空間誤差的補(bǔ)償。 數(shù)據(jù)的驗證當(dāng)參數(shù)

17、數(shù)據(jù)收集完畢后，需要使用K 倍交叉驗證法（K-Fold Cross-Validation）來驗證、核實收集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，之后才能將數(shù)據(jù)上傳到機(jī)床的控制器進(jìn)行實際補(bǔ)償。K 倍交叉驗證法的過程是這樣的：首先將收集來的原始數(shù)據(jù)分成K 數(shù)量的二級數(shù)據(jù)樣本；其次，在K 數(shù)量的二級數(shù)據(jù)樣本中保留一個數(shù)據(jù)樣本作為參照數(shù)據(jù)，用來測試其他（K-1數(shù)量的）數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確；最后將這一測試過程重復(fù)執(zhí)行K 次，每一次從K 數(shù)量的數(shù)據(jù)樣本中抽選出一個作為參照數(shù)據(jù)，且參照數(shù)據(jù)不得重復(fù)。待K 次驗證進(jìn)行完畢后，軟件就會自動計算出平均值，將所得數(shù)據(jù)儲存、待用。數(shù)據(jù)被核實驗證后，軟件系統(tǒng)會直接將驗證好的數(shù)據(jù)傳輸至機(jī)床的控制器。由此

18、，機(jī)床每運(yùn)動一次，補(bǔ)償數(shù)據(jù)就會對機(jī)床的運(yùn)動誤差進(jìn)行實時補(bǔ)償。結(jié)果在經(jīng)過眾多的實地測試后，空間誤差補(bǔ)償法（VEC ）被證實為有效的可以大幅度提高機(jī)床精度的機(jī)床校準(zhǔn)方法。下表列出了5個不同種類、型號的機(jī)床在使用VEC 方法校準(zhǔn)前后的誤差數(shù)據(jù)比較。結(jié)果顯而易見，經(jīng)過VEC 校準(zhǔn)的機(jī)床比未經(jīng)過VEC 處理時，其精度都高出了4倍左右，甚至更好。Machine 1 .424 mm .196mmMachine 2 1 mm .039 mmMachine 3 .162 mm .041 mmMachine 4 .02076 in .00354 inMachine 5 .01206 in .00360 in 有時，人們并不能及時發(fā)現(xiàn)機(jī)床工作時所發(fā)生的誤差，直到對其進(jìn)行校準(zhǔn)時才發(fā)現(xiàn)機(jī)床已發(fā)生了很大的偏差；而使用VEC 方法可以對機(jī)床工作時發(fā)生的誤差進(jìn)行實時補(bǔ)償，完全不用擔(dān)心機(jī)床誤差無法被及時發(fā)現(xiàn)的問題了。如上表所示，2號機(jī)床就是一個很好的例子：在使用VEC 校準(zhǔn)之前，機(jī)床的偏差已經(jīng)達(dá)到了1毫米，而經(jīng)過VEC 技術(shù)校準(zhǔn)后的機(jī)床誤差只有39微米。3號機(jī)床是一個比較特別的案例，其特別之處在于：此機(jī)床剛剛經(jīng)過傳統(tǒng)21項誤差法的調(diào)校，馬上使用VEC 方法再進(jìn)行校準(zhǔn)。在使用VEC 技術(shù)調(diào)校后，其精度仍然又提升了4倍。下圖直觀的顯示了經(jīng)VEC