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）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)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激光跟蹤儀與同樣是api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(diǎn)就在于：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(shí)際運(yùn)動zui吻合及的數(shù)據(jù)。接下來，將這些數(shù)據(jù)輸入計(jì)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(shí)空間補(bǔ)償數(shù)值，zui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40～50個誤差參數(shù)，以至于使用傳統(tǒng)的21項(xiàng)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(shí)驗(yàn)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)床提高了4倍以上。
傳統(tǒng)的機(jī)床校準(zhǔn)與補(bǔ)償方法
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：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有多種因素：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)或安裝時所造成的缺陷等等因素都會使機(jī)床工作時產(chǎn)生誤差。
圖1 在機(jī)床運(yùn)動的空間內(nèi)隨機(jī)選取200～400個參照點(diǎn)
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(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(shí)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ā?br>21項(xiàng)誤差補(bǔ)償法是被*的傳統(tǒng)機(jī)床的校準(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裝調(diào)試，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(tǒng)，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，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)行幾天甚至是幾周的測量，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apizui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。
高精度的vec技術(shù)
空間誤差補(bǔ)償技術(shù)（vec）的使用較其他機(jī)床標(biāo)定方法更為簡單且度更高。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(shí)際運(yùn)動軌跡*吻合，從而達(dá)到*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)方法大幅縮短了時間，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zui低。
配合軟件自動計(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，從而對機(jī)床進(jìn)行實(shí)時誤差補(bǔ)償。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，使用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。
圖2 每個待測的參照點(diǎn)與其前一個被測量的點(diǎn)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(diǎn)就越多
空間誤差補(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*的測量軟件計(jì)算出多項(xiàng)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)行補(bǔ)償。
使用vec技術(shù)的*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(jì)算并提供出一個測量路徑的*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，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(jì)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)選取200～400個參照點(diǎn)（圖1），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(jì)算出zui終的測量路徑。測量時，機(jī)床主軸會沿著預(yù)先設(shè)計(jì)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(diǎn)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。由于測量軟件已為測量設(shè)計(jì)出了*路線，所以在測量過程中絕不會發(fā)生碰撞事件，也不會因?yàn)橹鬏S的運(yùn)動遮擋了激光束而中斷測量。
實(shí)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1～3h之內(nèi)完成。由于api的t3跟蹤儀在設(shè)計(jì)上的緊湊性、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(diǎn)的機(jī)床主軸上。active target實(shí)際上是一個機(jī)動化的smr，其*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，每當(dāng)機(jī)床運(yùn)行到一個新的測量點(diǎn)就會停頓3～4s，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(shí)施30～100次的測量。當(dāng)計(jì)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（圖2）：*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)*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zui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(shí)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(diǎn)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(diǎn)與其前一個被測量的點(diǎn)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(diǎn)就越多，而這樣，通過200～400個隨機(jī)參照點(diǎn)，就形成了點(diǎn)云（point cloud），而不是簡單的三個平面。
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(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、滾動角）。接下來，軟件將會根據(jù)測得的參數(shù)計(jì)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(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：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；zui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(yàn)證進(jìn)行完畢后，軟件就會自動計(jì)算出平均值，將所得數(shù)據(jù)儲存、待用。
數(shù)據(jù)被核實(shí)驗(yàn)證后，軟件系統(tǒng)會直接將驗(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(shí)時補(bǔ)償。
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(shí)時補(bǔ)償，*不用擔(dān)心機(jī)床誤差無法被及時發(fā)現(xiàn)的問題了。
經(jīng)過理論的證明與實(shí)踐的證實(shí)，空間誤差補(bǔ)償方法（vec）被認(rèn)定為是可以大幅度提高機(jī)床工作精度的實(shí)用方法。其測量方法簡單，測量儀器安裝簡便，只需對t3激光跟蹤儀以及active target活動靶標(biāo)進(jìn)行幾個簡單步驟的安裝就可以解決即便是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型5軸、6軸機(jī)床的調(diào)校工作，大幅度減小了因儀器安裝等因素造成的額外誤差。vec對機(jī)床的測量、調(diào)校貫穿于機(jī)床在其工作空間內(nèi)運(yùn)動的整個過程，所以使用vec方法既可以對動態(tài)誤差進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償，又可以測得機(jī)床運(yùn)動時相關(guān)的幾何效應(yīng)，從而對機(jī)床誤差實(shí)行更為的補(bǔ)償。此外，只需幾個小時，就可以完成vec的整個工作過程，這比傳統(tǒng)方法需要的幾天甚至是幾周大幅提升了工作效率，為企業(yè)節(jié)省了時間成本，且在提升效率的同時大幅降低了由于熱漂移因素所帶來的影響。由此可見，vec方法是值得信賴的，與傳統(tǒng)機(jī)床校準(zhǔn)方法相比，vec優(yōu)勢更加突出。（文章來源：弗戈在線）