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 數(shù)控機(jī)床三維空間誤差補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用newmaker長(zhǎng)久以來(lái)，空間精度補(bǔ)償技術(shù)一直應(yīng)用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上，以保證三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為計(jì)量器具而對(duì)其較高的精度要求, 而其機(jī)械制造與電器調(diào)試的精度難以滿足相關(guān)要求。一般三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)都經(jīng)過(guò)補(bǔ)償，使其能滿足完成高精度測(cè)量的需要。隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)床精度的要求也越來(lái)越高。現(xiàn)有機(jī)床精度單從機(jī)械設(shè)計(jì)和硬件制造上來(lái)考慮，成為制約行業(yè)發(fā)展的一個(gè)普遍作為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)行業(yè)中引領(lǐng)測(cè)量技術(shù)先鋒的英國(guó)（Renishaw）公司，在將其三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)UCC 控制器中“空間誤差補(bǔ)償技術(shù)”成功應(yīng)用十多年后，針對(duì)Fanuc、Siemens 等數(shù)控系統(tǒng)，新近推出“空間誤差補(bǔ)償技術(shù)”。以雷尼紹成熟的XL-80 激光干涉儀（如圖1 所示）和QC-20 球桿儀作為測(cè)試基礎(chǔ)，向市場(chǎng)推出RVC-Fanuc和RVC-Siemens 兩套空間誤差修正軟件，以配合具備三維空間補(bǔ)償選項(xiàng)的采用Fanuc 或 Siemens 數(shù)控系統(tǒng)的加工中心、數(shù)控鏜銑和龍門機(jī)床來(lái)提高其空間精度。從目前用戶實(shí)際使用的反饋表明，RVC 軟件在相關(guān)數(shù)控機(jī)床上使用靈活、簡(jiǎn)便，效果明顯。遇到的瓶頸。將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的空間精度補(bǔ)償技術(shù)引入到數(shù)控機(jī)床上，可成功地解決數(shù)控機(jī)床精度再提高的關(guān)鍵問(wèn)題。

補(bǔ)償原理 1 數(shù)控機(jī)床幾何精度常見(jiàn)的21 項(xiàng)誤差 在機(jī)床的三軸移動(dòng)空間中，共有9 個(gè)平移誤差參數(shù)，9 個(gè)角度誤差參數(shù)和3 個(gè)垂直度誤差參數(shù)，總計(jì)21項(xiàng)誤差。要將21 項(xiàng)誤差對(duì)機(jī)器空間位置的影響完全消除，需要將各項(xiàng)誤差精確地檢測(cè)出來(lái)，并研究開(kāi)發(fā)有關(guān)軟件，將檢測(cè)得到的誤差數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具備相應(yīng)功能的數(shù)控系統(tǒng)所能接受的參數(shù)，提供給系統(tǒng)補(bǔ)償結(jié)果，從而提高機(jī)床空間精度。 在實(shí)際情況中，一臺(tái)機(jī)床的誤差原因會(huì)是多種誤差的疊加作用的結(jié)果，單一誤差測(cè)量顯然無(wú)法完全提高機(jī)床的幾何精度， 特別是在整臺(tái)機(jī)器的工作區(qū)域內(nèi)各方向的精度。 2 數(shù)控系統(tǒng)的新增功能 使用空間精度補(bǔ)償方法對(duì)數(shù)控機(jī)床工作時(shí)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正,如前所述，前期已經(jīng)在三維測(cè)量機(jī)行業(yè)被證實(shí)為是減小機(jī)床定位誤差的有效方法之一。目前，國(guó)際上許多知名數(shù)控系統(tǒng)廠家，如Siemens和 Fanuc 等，均在其高端數(shù)控系統(tǒng)中支持這種空間精度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎㄈS誤差補(bǔ)償或VCS），使用這種方法可以通過(guò)生成機(jī)床整個(gè)工作空間的誤差參數(shù)來(lái)全面補(bǔ)償機(jī)床工作時(shí)在幾何精度上的偏差，從而對(duì)機(jī)床現(xiàn)有的空間定位誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)糾正。 3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)向 幾年前，當(dāng)具備空間精度補(bǔ)償功能的高端數(shù)控系統(tǒng)Siemens 840Dsl（稱VCS）和Fanuc 31i（稱三維誤差補(bǔ)償）推向市場(chǎng)后，國(guó)外生產(chǎn)高端數(shù)控機(jī)床的廠家就開(kāi)始研究相關(guān)空間精度的測(cè)量和誤差補(bǔ)償參數(shù)計(jì)算方法，并有少量的研究成果公開(kāi)發(fā)表。從現(xiàn)有發(fā)表的資料看，有采用激光跟蹤測(cè)量法，在機(jī)床不同部位作為站點(diǎn)測(cè)量機(jī)床各空間定位點(diǎn)誤差，并用一定數(shù)學(xué)模型分離誤差源；也有采用激光干涉儀配合球桿儀等其他測(cè)量工具，按21 項(xiàng)誤差逐項(xiàng)檢測(cè)的方法。 采用激光干涉儀測(cè)試各項(xiàng)誤差源則是目前國(guó)內(nèi)外普遍通行的辦法，其各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果均具備精度可溯源性，可以逐項(xiàng)測(cè)量并校核機(jī)床精度是否測(cè)量正確、穩(wěn)定可靠，并能方便地隨時(shí)校核空間補(bǔ)償效果。市場(chǎng)上最為普遍應(yīng)用的英國(guó)產(chǎn)XL-80 激光干涉儀還具有開(kāi)放的軟件接口，方便用戶自行研究開(kāi)發(fā)自己的軟件。應(yīng)用舉例如圖2 所示。

針對(duì)Fanuc 31i 和Siemens 840D 開(kāi)展空間誤差補(bǔ)償所需軟、硬件設(shè)備 1 檢測(cè)設(shè)備 XL-80 激光干涉儀：分別測(cè)量線性位移、直線度、俯仰角、扭擺角等，為RVC 軟件提供所需計(jì)算補(bǔ)償參數(shù)所需誤差數(shù)據(jù)文件。 QC20-W 球桿儀：測(cè)量各軸間的垂直度；并提供機(jī)床電器誤差與機(jī)械誤差方向性診斷。 RX10 轉(zhuǎn)臺(tái) ( 可選)：測(cè)量并提供回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)角精度的測(cè)量與補(bǔ)償。電子水平儀等：測(cè)量機(jī)床滾擺等參數(shù)。 2 空間誤差修正軟件 Fanuc 三維空間補(bǔ)償對(duì)應(yīng)的修正軟件是RVC-Fanuc，Siemens 對(duì)應(yīng)的修正軟件是RVC-Siemens。 RVC 軟件具備如下三大功能，每一功能能夠?yàn)楸粶y(cè)機(jī)床完成不同項(xiàng)目的補(bǔ)償：普通線性誤差補(bǔ)償、三維空間誤差補(bǔ)償（線性位移、直線度、角度）和三軸間垂直度誤差補(bǔ)償。 3 數(shù)控系統(tǒng)及對(duì)應(yīng)的空間補(bǔ)償功能選擇附件 Fanuc 3D Compensation 功能和Siemens VCS 功能。 其中840D sl1.3 或更新版本，需要加載正確的ELF 文件；雷尼紹開(kāi)發(fā)的RVC-Siemens 適用于“VCSplus”、“ VCS A3” 和“VCS A5”。 進(jìn)行補(bǔ)償功能要采取如下幾個(gè)步驟： ·在機(jī)器工作空間范圍中采集測(cè)量數(shù)據(jù), 評(píng)估偏差參數(shù)并將它們保存為數(shù)據(jù)文件; · 將文件拷入數(shù)控系統(tǒng)子目錄“Manufact.Cycles”(\CMA) 中； ·采用GUD- 變量激活補(bǔ)償； ·系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算補(bǔ)償結(jié)果并根據(jù)三根幾何軸線的實(shí)際MCS 位置將其寫入位置偏置。 4 在空間補(bǔ)償前對(duì)機(jī)床基礎(chǔ)狀況的要求 在進(jìn)行空間誤差補(bǔ)償前最好用球桿儀對(duì)機(jī)床綜合精度狀況進(jìn)行評(píng)估，若機(jī)床存在較大的反向躍沖、伺服不匹配等電器誤差，則即使進(jìn)行空間誤差補(bǔ)償，也對(duì)該機(jī)床加工精度改善不大。在進(jìn)行空間誤差補(bǔ)償前將機(jī)床電器誤差調(diào)整為次要精度問(wèn)題尤為必要（對(duì)機(jī)床綜合精度狀況評(píng)估參見(jiàn)QC20-W 球桿儀使用說(shuō)明）。重復(fù)精度不好的機(jī)床即使進(jìn)行空間誤差補(bǔ)償，補(bǔ)償效果也不明顯。 對(duì)于精度要求高達(dá)5μm 左右的數(shù)控機(jī)床，建議對(duì)其使用環(huán)境應(yīng)該按三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的使用環(huán)境來(lái)要求，否則從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看機(jī)床自身因環(huán)境變化而帶來(lái)的精度變化將會(huì)在某種程度上削弱空間誤差補(bǔ)償?shù)男Ч?RVC 空間誤差修正軟件的應(yīng)用案例 1 RVC-Fanuc 軟件應(yīng)用 英國(guó)某公司在日常生產(chǎn)中使用的配裝Fanuc 31i 的Fanuc Robodrill機(jī)床上，用雷尼紹 RVC 空間誤差修正軟件對(duì)該機(jī)床進(jìn)行了三維空間誤差補(bǔ)償，并按ISO230-4“數(shù)控機(jī)床圓檢驗(yàn)”標(biāo)準(zhǔn)采用球桿儀對(duì)該機(jī)床補(bǔ)償前和補(bǔ)償生效后的XY 平面內(nèi)的圓度進(jìn)行驗(yàn)證比較，其圓度誤差由9.1μm 減小到5.7μm。 在北京某機(jī)床研究機(jī)構(gòu)最新生產(chǎn)的Fanuc 31i 數(shù)控坐標(biāo)鏜床上，用QL20-W 球桿儀對(duì)該機(jī)床進(jìn)行綜合精度測(cè)試，在3D 空間誤差補(bǔ)償前，XY 平面的垂直度XWY 為24.9μm/m，綜合圓度為11.5μm。 加上3D 空間誤差補(bǔ)償參數(shù)和垂直度補(bǔ)償參數(shù)并使補(bǔ)償生效后, 垂直度誤差XWY 為2μm/m; 綜合圓度誤差為5.2μm ～ 6.6μm ( 含多次測(cè)量的重復(fù)性誤差)。 為方便說(shuō)明該機(jī)床空間誤差補(bǔ)償?shù)募?xì)節(jié)，現(xiàn)以Y 軸為例，將該機(jī)床的精度測(cè)試和補(bǔ)償后的效果作一詳細(xì)介紹如下： 該機(jī)床Y 軸運(yùn)動(dòng)在X 方向的扭擺誤差YRX 最大達(dá)到12〃；Y 軸在Z方向的俯仰誤差YRZ 最大達(dá)到9〃；在X-500 Z-791.235 位置( 即主軸端部) 對(duì)Y 軸定位精度YTY 進(jìn)行測(cè)量,誤差大約為14μm。 在離主軸450mm 位置, 對(duì)Y 軸定位精度進(jìn)行測(cè)量, 誤差YTY 大約為12μm, 但顯然由于機(jī)床Y 軸在X方向角度誤差的影響，同樣是Y 軸定位精度，在離主軸端面不同位置測(cè)量，其精度曲線差異很大。 對(duì)Y 軸Z 方向的直線度YTZ 進(jìn)行三維空間補(bǔ)償后，馬上驗(yàn)證補(bǔ)償效果，如圖3 所示，藍(lán)色為補(bǔ)償前趨勢(shì)曲線（誤差帶寬為約7μm），綠色曲線為補(bǔ)償后曲線（誤差帶寬為約±1μm），補(bǔ)償效果明顯。

2 RVC-Siemens 軟件應(yīng)用 在意大利Breton 公司配裝Siemens 840D 的Flymill 1000 龍門機(jī)床上, 采用XL-80 激光干涉儀和球桿儀對(duì)各項(xiàng)幾何精度進(jìn)行測(cè)量并完成VCS 空間誤差補(bǔ)償。有關(guān)補(bǔ)償前后結(jié)果對(duì)比如圖4 所示：排在前三位最為明顯的改進(jìn)有X 軸定位精度誤差XTX 由68μm 減小到2μm；Z 軸在Y 方向的直線度誤差ZTY 從18μm 減小到3.7μm ；X軸在Z 方向的直線度誤差XTZ 從15μm 減小到1.1μm。 對(duì)于上述測(cè)量和VCS 補(bǔ)償，采用空間多處測(cè)量線性定位精度的辦法來(lái)驗(yàn)證空間精度整體提高的結(jié)論。例如在沒(méi)有做空間補(bǔ)償前，某空間上高、中、低3 處的位置誤差分別為5.8μm、3.9μm、8.0μm; 而在用XL-80激光干涉儀和球桿儀進(jìn)行VCS 空間誤差后，在該高、中、低三處的位置誤差分別為2.7μm、1.9μm、2.1μm�？梢�(jiàn)空間各處的整體位置精度在VCS 生效后都有所提高，并趨于一致，其ISO230-4 球桿儀測(cè)試圓度相應(yīng)也提高了25%。 在位于德國(guó)Erlangen 的Siemens 技術(shù)中心內(nèi), 對(duì)一臺(tái)配裝Siemens 840D 的Huron機(jī)床進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試表明RVCSiemens軟件與Siemens系統(tǒng)的VCS 功能在機(jī)床上完全有效。垂直度補(bǔ)償效果特別明顯，XY 垂直度XWY 由-9.8〃提高到-0.1〃；同時(shí)線性和角度補(bǔ)償結(jié)果也不錯(cuò)。 參與測(cè)試的有關(guān)人員評(píng)論道，采用雷尼紹 球桿儀和 XL-80 激光干涉儀比其他同類產(chǎn)品使用要快許多，因?yàn)閺膬x器安裝使用上看雷尼紹的產(chǎn)品更為方便。 按ISO230-2 對(duì)Y 軸進(jìn)行線性定位精度的補(bǔ)償前后的對(duì)比，藍(lán)色曲線為補(bǔ)償后誤差（如圖5 所示）。按ISO230-4 進(jìn)行球桿儀測(cè)試的圓度精度提高近40%（見(jiàn)圖6）。


結(jié)論 鑒于數(shù)控機(jī)床三軸幾何精度補(bǔ)償技術(shù)與五軸機(jī)床中回轉(zhuǎn)軸補(bǔ)償技術(shù)的不同（回轉(zhuǎn)軸補(bǔ)償需要數(shù)控系統(tǒng)另外的選項(xiàng)和另外的測(cè)試方法），根據(jù)多數(shù)用戶的需求，目前RVC 軟件主要針對(duì)的是三軸機(jī)床的空間誤差補(bǔ)償。目前用戶在測(cè)試應(yīng)用中產(chǎn)生的若干看法： （1）根據(jù)多個(gè)客戶的測(cè)試反饋來(lái)看，采用XL-80 激光干涉儀和QC20-W 球桿儀進(jìn)行空間誤差補(bǔ)償測(cè)試，由于可以方便地分別對(duì)機(jī)床各項(xiàng)誤差進(jìn)行測(cè)試并快速驗(yàn)證補(bǔ)償效果，還可以有選擇地只挑選部分關(guān)鍵誤差項(xiàng)來(lái)補(bǔ)償，因而在保證準(zhǔn)確性的前提下，也可采用有選擇地補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)節(jié)約時(shí)間。 （2）用ML10/XL80 激光干涉儀逐項(xiàng)測(cè)試線性位移、直線度、角度誤差，容易對(duì)誤差溯源，方便判斷誤差方向。（3）采用QC20-W 無(wú)線球桿儀，在一次安裝的情況下，對(duì)機(jī)床XY 、YZ 和ZX 三個(gè)平面進(jìn)行測(cè)試，可快速對(duì)垂直度進(jìn)行測(cè)量和補(bǔ)償。 （4）測(cè)試結(jié)果證明，用雷尼紹公司的RVC 軟件對(duì)Fanuc 31i 和Siemens 840D sl 的機(jī)床進(jìn)行三維誤差補(bǔ)償，通過(guò)按ISO230-2 標(biāo)準(zhǔn)采用激光干涉儀或/ 和按ISO230-4 標(biāo)準(zhǔn)采用球桿儀儀驗(yàn)證，補(bǔ)償前后效果明顯。