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(shí)用方精

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(shí)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(shí)的公差范圍，提升其加工精度，美國(guó)國(guó)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(dòng)。此次聯(lián)合行動(dòng)邀請(qǐng)了包括美國(guó)自動(dòng)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)償

2、技術(shù)（VEC ，Volumetric Error Compensation）由此誕生?？臻g誤差補(bǔ)償技術(shù)（VEC ）使用API 自主知識(shí)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(shí)間內(nèi)對(duì)大型機(jī)床進(jìn)行精確測(cè)量。在經(jīng)過簡(jiǎn)單的調(diào)試、安裝后，使用T3激光跟蹤儀對(duì)大型機(jī)床的運(yùn)動(dòng)空間進(jìn)行持續(xù)不間斷的跟蹤測(cè)量，以得到機(jī)床操作過程中自始至終的運(yùn)行數(shù)據(jù)。空間誤差補(bǔ)償技術(shù)測(cè)量的特點(diǎn)在于：測(cè)量是在一個(gè)整體坐標(biāo)系中完成的，而不是像普通測(cè)量那樣需要分別測(cè)量不同的坐標(biāo)軸，由此便可以記錄到與機(jī)床實(shí)際運(yùn)動(dòng)最吻合、最精確的數(shù)據(jù)。接下來，將

3、這些數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，使用軟件工具對(duì)機(jī)床運(yùn)行的整個(gè)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(shí)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(huì)產(chǎn)生40至50個(gè)誤差參數(shù)，以至于使用傳統(tǒng)的21項(xiàng)誤差機(jī)床檢測(cè)法無法對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型機(jī)床進(jìn)行全面的誤差檢測(cè)。而相比于傳統(tǒng)的機(jī)床誤差檢測(cè)方法，VEC 技術(shù)對(duì)機(jī)床運(yùn)行空間的測(cè)量更具持續(xù)性，從而能夠檢測(cè)出機(jī)床工作時(shí)所產(chǎn)生的全部誤差參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，使用VEC 方法進(jìn)行檢測(cè)、校準(zhǔn)后的機(jī)床精度較傳統(tǒng)檢測(cè)方法校準(zhǔn)的機(jī)床高出了至少4倍。前言長(zhǎng)期以來，一個(gè)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：企

4、業(yè)所購(gòu)買的價(jià)格不菲的高精度大型機(jī)床在生產(chǎn)加工過程中總會(huì)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(jì)或安裝時(shí)所造成的缺陷等等因素都會(huì)使機(jī)床工作時(shí)產(chǎn)生誤差。使用空間誤差補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)大型機(jī)床工作時(shí)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正已經(jīng)在理論上被證實(shí)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(gè)工作過程的誤差參數(shù)來全面了解機(jī)床工作時(shí)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(duì)機(jī)床現(xiàn)有的定位誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)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?。但為什么這種修正機(jī)床定位誤差

5、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(shí)，專業(yè)的知識(shí)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(shí)間。在制造行業(yè)，大幅度的消耗時(shí)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(duì)這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施望而卻步。傳統(tǒng)的機(jī)床校準(zhǔn)與補(bǔ)償方法21項(xiàng)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(jiǎn)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(duì)機(jī)床的每個(gè)軸（X ，Y ，Z ）分別進(jìn)行測(cè)量。而在進(jìn)行這些測(cè)量之前，需要對(duì)測(cè)試儀器做大量的安裝調(diào)

6、試工作，以便使干涉儀的激光束與機(jī)床相吻合，且對(duì)于每個(gè)軸的測(cè)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(cè)量步驟。如此，便耗費(fèi)了大量的時(shí)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(shí)間過長(zhǎng)，還要將熱漂移的因素考慮在內(nèi)。每一個(gè)線性軸都會(huì)產(chǎn)生6個(gè)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(dòng)角）。通常來講，為確保測(cè)量的精度及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對(duì)每個(gè)線性軸上的6個(gè)可能發(fā)生的誤差參數(shù)各進(jìn)行2次測(cè)量。從而，至少要進(jìn)行36次測(cè)量，才可以收集到18個(gè)誤差參數(shù)；再加上三個(gè)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(xiàng)誤差參數(shù)。接下來，

7、根據(jù)收集到的誤差參數(shù)就可以分別確定對(duì)于各個(gè)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(gè)星期的測(cè)量，而測(cè)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(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響。如果在測(cè)量中使用API 最高配置的XD6型激光干涉儀，便可以在一次測(cè)量中得到一條線性軸上的6個(gè)誤差參數(shù)。在同樣測(cè)量3軸機(jī)床的情況下，便將通常需進(jìn)行的36次測(cè)量減少到了6次，從而大幅度的縮減了測(cè)量時(shí)間。然而，即便使用XD6型激光干涉儀進(jìn)行測(cè)量，仍然不能在不安裝輔助儀器的情況下對(duì)垂直軸的滾動(dòng)角進(jìn)行測(cè)量。此外，在測(cè)量結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的5軸、6軸機(jī)床時(shí)，熱漂移現(xiàn)象仍會(huì)帶來不可忽視的影響。通常情況下，可以使用如下公式來計(jì)算應(yīng)

8、測(cè)量的待測(cè)機(jī)床的誤差參數(shù)的數(shù)量：應(yīng)測(cè)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(cè)誤差參數(shù)的數(shù)量計(jì)算如下：6×34×02×33621項(xiàng)應(yīng)測(cè)誤差參數(shù)如此，傳統(tǒng)的21項(xiàng)誤差補(bǔ)償法的缺陷就顯露出來，即：使用21項(xiàng)誤差補(bǔ)償法無法對(duì)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的5軸、6軸機(jī)床進(jìn)行測(cè)量和誤差的補(bǔ)償。依如上公式所示，一個(gè)典型的帶雙旋轉(zhuǎn)軸的5軸機(jī)床的應(yīng)測(cè)誤差參數(shù)數(shù)量應(yīng)為：6×54×22×35643應(yīng)測(cè)誤差參數(shù)由此可見：傳統(tǒng)的21項(xiàng)誤差補(bǔ)償法已

9、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(duì)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(guó)國(guó)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(dòng)意在于創(chuàng)造一種新的實(shí)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(dòng)組的成員美國(guó)自動(dòng)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)了一種新型的具有革

10、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(guó)華納羅賓斯空軍后勤中心（Warner Robins Air Logistics Center）、美國(guó)海軍螺旋槳鑄造中心（Naval Foundry & Propeller Center）、美國(guó)東部艦隊(duì)總裝備部（Fleer Readiness Center East）和美國(guó)安尼斯頓陸軍軍械庫(kù)（Anniston Army Depot）進(jìn)行了實(shí)地檢測(cè)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(xiàng)誤差補(bǔ)償法的機(jī)床標(biāo)定的新型實(shí)用方法?？臻g誤差補(bǔ)償技術(shù)（VEC ）的使用較其他機(jī)床標(biāo)定方法更為簡(jiǎn)單且精確

11、度更高。由于VEC 技術(shù)的測(cè)量是在一個(gè)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(duì)機(jī)床的每一個(gè)軸進(jìn)行測(cè)量，所以只需一次安裝檢測(cè)儀器，便可以對(duì)從較為簡(jiǎn)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(cè)量；且激光跟蹤儀對(duì)機(jī)床運(yùn)行的整個(gè)過程進(jìn)行跟蹤測(cè)量，所以測(cè)量所得結(jié)果與機(jī)床實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡完全吻合，從而達(dá)到極高的測(cè)量精度。使用VEC 技術(shù)在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就可以完成對(duì)6軸大型機(jī)床的測(cè)量，較傳統(tǒng)方法大幅減少了時(shí)間，從而解決了大型機(jī)床標(biāo)定過程時(shí)間過長(zhǎng)的問題。而且這樣還能將熱漂移對(duì)測(cè)量精度的影響降到極低。配合軟件自動(dòng)計(jì)算出誤差補(bǔ)償值，進(jìn)行核實(shí)后上載到機(jī)床控制器，從而對(duì)機(jī)床進(jìn)行實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，使用VEC 空

12、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(jì)算方式是基于切比雪夫多項(xiàng)式（Chebyshev Polynomials）演變而來。API 獨(dú)有的測(cè)量軟件計(jì)算出多項(xiàng)式的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程來描述機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的不同誤差，從而對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(gè)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(dòng)誤差模型。根據(jù)建立的運(yùn)動(dòng)誤差模型，API 的測(cè)量軟件會(huì)計(jì)算并提供出一個(gè)測(cè)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。利用這種計(jì)算方法，

13、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(cè)量標(biāo)定變得像標(biāo)準(zhǔn)3軸機(jī)床一樣簡(jiǎn)單。API 測(cè)量軟件計(jì)算出的測(cè)量路徑可以避免測(cè)量過程中可能發(fā)生的部件相互碰撞的情況。而這一測(cè)量路徑是如何得出的呢？方法就是：在機(jī)床運(yùn)動(dòng)的空間內(nèi)隨機(jī)取200至400個(gè)參照點(diǎn)（見上圖），將機(jī)床在這一運(yùn)行空間內(nèi)每個(gè)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(jì)算出最終的測(cè)量路徑。測(cè)量時(shí)，機(jī)床主軸會(huì)沿著預(yù)先設(shè)計(jì)好的路線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，API 的T3激光跟蹤儀發(fā)射出的激光束將會(huì)始終跟蹤固定在位于機(jī)床中心點(diǎn)機(jī)床主軸上的API Active Target活動(dòng)靶標(biāo)，對(duì)機(jī)床運(yùn)行的完整路線進(jìn)行測(cè)量。由于測(cè)量軟件已

14、為測(cè)量設(shè)計(jì)出了最佳路線，所以在測(cè)量過程中絕不會(huì)發(fā)生碰撞事件，也不會(huì)因?yàn)橹鬏S的運(yùn)動(dòng)遮擋了激光束而中斷測(cè)量。實(shí)際測(cè)量中，無論機(jī)床的大小和結(jié)構(gòu)復(fù)雜與否，整個(gè)測(cè)量的過程會(huì)在1至3個(gè)小時(shí)之間。由于API 的T3跟蹤儀在設(shè)計(jì)上的緊湊型、便攜性、高復(fù)合性、以及測(cè)量范圍極廣的特性，在測(cè)量時(shí)，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(dòng)靶標(biāo)則被安裝固定在位于機(jī)床中心點(diǎn)的機(jī)床主軸上。Active Target實(shí)際上是一個(gè)機(jī)動(dòng)化的SMR ，其特有的內(nèi)置反射鏡進(jìn)行不間斷的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可以在移動(dòng)中始終鎖定T3激光跟蹤儀發(fā)射出的激光束，不會(huì)將激光束跟丟。測(cè)量時(shí)，每當(dāng)機(jī)床運(yùn)行到

15、一個(gè)新的測(cè)量點(diǎn)就會(huì)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(huì)在這一間隙對(duì)這個(gè)參照位置實(shí)施30次至100次的測(cè)量。當(dāng)計(jì)算出測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值，便會(huì)反射信號(hào)至機(jī)床，使其移動(dòng)到下一個(gè)待測(cè)位置。整個(gè)過程需要對(duì)待測(cè)機(jī)床進(jìn)行三次測(cè)量（見下圖）：第一次測(cè)量時(shí)應(yīng)使用一個(gè)稍長(zhǎng)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(shí)、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(gè)較短的適配桿固定Active Target進(jìn)行測(cè)量。這個(gè)過程不僅僅是簡(jiǎn)單的三次測(cè)量，實(shí)際上，使用長(zhǎng)短不同的適配桿固定Active Target進(jìn)行測(cè)量，為每一個(gè)待測(cè)的參照點(diǎn)生成了向量。

16、使用這種方法既可測(cè)得位置參數(shù)，又可以測(cè)得方向的數(shù)據(jù)。其原因在于：每個(gè)待測(cè)的參照點(diǎn)與其前一個(gè)被測(cè)量的點(diǎn)之間都會(huì)形成一個(gè)桿狀的連接，隨著測(cè)量進(jìn)程的發(fā)展，所連接的點(diǎn)就越多，而這樣，通過200至400個(gè)隨機(jī)參照點(diǎn)，就形成了點(diǎn)云（Point Cloud），而不是簡(jiǎn)單的三個(gè)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(dòng)空間中的每一個(gè)點(diǎn)，并通過上萬次的計(jì)算得到這些參照點(diǎn)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(dòng)角）。接下來，軟件將會(huì)根據(jù)測(cè)得的參數(shù)計(jì)算出補(bǔ)償值，將補(bǔ)償參數(shù)儲(chǔ)存，以便上傳至機(jī)床的控制系統(tǒng)，在機(jī)床實(shí)際作業(yè)中進(jìn)行空間誤差的補(bǔ)償。數(shù)據(jù)的驗(yàn)證當(dāng)參數(shù)數(shù)據(jù)收集完畢后，需

17、要使用K 倍交叉驗(yàn)證法（K-Fold Cross-Validation）來驗(yàn)證、核實(shí)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(shí)際補(bǔ)償。K 倍交叉驗(yàn)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(jí)數(shù)據(jù)樣本；其次，在K 數(shù)量的二級(jí)數(shù)據(jù)樣本中保留一個(gè)數(shù)據(jù)樣本作為參照數(shù)據(jù)，用來測(cè)試其他（K-1數(shù)量的）數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確；最后將這一測(cè)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(gè)作為參照數(shù)據(jù)，且參照數(shù)據(jù)不得重復(fù)。待K 次驗(yàn)證進(jìn)行完畢后，軟件就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出平均值，將所得數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、待用。數(shù)據(jù)被核實(shí)驗(yàn)證后，軟件系統(tǒng)會(huì)直接將驗(yàn)證好的數(shù)據(jù)傳輸至機(jī)床的控制器。由此，機(jī)床每運(yùn)動(dòng)一次，

18、補(bǔ)償數(shù)據(jù)就會(huì)對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。結(jié)果在經(jīng)過眾多的實(shí)地測(cè)試后，空間誤差補(bǔ)償法（VEC ）被證實(shí)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(gè)不同種類、型號(hào)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(shí)，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(shí)，人們并不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)床工作時(shí)所發(fā)生的誤差，直到對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)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(duì)機(jī)床工作時(shí)發(fā)生的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，完全不用擔(dān)心機(jī)床誤差無法被及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題了。如上表所示，2號(hào)機(jī)床就是一個(gè)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(hào)機(jī)床是一個(gè)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(xiàng)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