數(shù)控機(jī)床圓度檢測(cè)誤差分析

趙喆　楊明

摘 要：在如今的工廠中，數(shù)控機(jī)床早已經(jīng)成為精加工作業(yè)最重要的組成部分。但是無(wú)論多少精度的數(shù)控機(jī)床都不可避免有一絲絲的誤差，數(shù)控機(jī)床的誤差基本來(lái)自于制造和裝配過(guò)程中。圓度誤差是各種各樣的誤差中非常重要的一項(xiàng)數(shù)據(jù)，圓度誤差簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是指回轉(zhuǎn)體在正截面相對(duì)于理想圓的變動(dòng)量，圓度誤差的多少對(duì)數(shù)控機(jī)床的功能有著直接而且重要的影響。該文根據(jù)在實(shí)踐中的種種經(jīng)驗(yàn)，對(duì)圓度誤差和圓度誤差檢測(cè)進(jìn)行基本的介紹和分析，希望該文能給需要經(jīng)驗(yàn)的人帶來(lái)或多或少的幫助。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床 圓度誤差 圓度誤差檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（a）-0054-01

1 數(shù)控機(jī)床與誤差

數(shù)控機(jī)床，全稱數(shù)字控制機(jī)床，是一種創(chuàng)于程序控制系統(tǒng)的高精度自動(dòng)化機(jī)床。數(shù)控機(jī)床相對(duì)于傳統(tǒng)的車(chē)床有著顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢(shì)，數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度高、精度高、加工周期短、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等明顯的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床在21世紀(jì)的工廠中已經(jīng)占據(jù)了明顯的主體地位，并在機(jī)械制造業(yè)中尤其是高精度加工有的不可替代的決定性作用。數(shù)控機(jī)床是一種柔性的高效能的子自動(dòng)化機(jī)床，很大程度上代表了現(xiàn)代機(jī)床控制技術(shù)的發(fā)展方向，在未來(lái)必然會(huì)有更快更好地發(fā)展。

但是無(wú)論機(jī)床如何先進(jìn)如何昂貴，機(jī)床的誤差總是不可避免的。任何機(jī)床都會(huì)在機(jī)床的制造和裝配過(guò)程中造成一些細(xì)微的誤差。所以數(shù)控機(jī)床的誤差檢測(cè)的地位十分重要，對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行誤差檢測(cè)要求能認(rèn)識(shí)到數(shù)控機(jī)床誤差產(chǎn)生的規(guī)律，從理論上和實(shí)踐上又要有一定的經(jīng)驗(yàn)，并且能夠知道一種或者多種的對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ源_保數(shù)控機(jī)床的加工的高精度，充分利用起數(shù)控機(jī)床的高效率、高精度、短周期的優(yōu)點(diǎn)。

2 圓度誤差檢測(cè)現(xiàn)狀

圓度誤差，通常意義上指的是回轉(zhuǎn)體在正截面上的實(shí)際輪廓對(duì)比于理想圓的變動(dòng)量，數(shù)控機(jī)床的圓度誤差是一項(xiàng)對(duì)數(shù)控機(jī)床的功能和精度有這直接影響的重要數(shù)據(jù)。目前對(duì)圓度誤差測(cè)量的最常用最優(yōu)先手段是接觸測(cè)量。接觸測(cè)量具體分為兩類(lèi)，分別是使用專用圓度測(cè)量?jī)x器和使用傳感器采集數(shù)據(jù)的微機(jī)圓度測(cè)量系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)的測(cè)量手段主要是圓度測(cè)量?jī)x，圓度測(cè)量?jī)x是一種用于測(cè)量圓度誤差并具有精密回轉(zhuǎn)主軸的儀器。圓度測(cè)量?jī)x從結(jié)構(gòu)上分為兩種，分別是轉(zhuǎn)軸式測(cè)量?jī)x和轉(zhuǎn)臺(tái)式測(cè)量?jī)x。前者是被測(cè)工件固定，測(cè)頭與零件接觸并旋轉(zhuǎn)，應(yīng)用于體型較大的零件；而后者是測(cè)頭固定，被測(cè)零件裝在回轉(zhuǎn)臺(tái)上旋轉(zhuǎn)，適合測(cè)量小的零件。

而使用傳感器的微機(jī)圓度測(cè)量系統(tǒng)的工作原理是利用傳感器的測(cè)頭與零件表面進(jìn)行接觸，經(jīng)過(guò)測(cè)頭測(cè)量出被測(cè)圓輪廓的半徑變化量，之后傳感器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸進(jìn)放大設(shè)備、濾波器、運(yùn)算器、微機(jī)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理。

具體而言，圓度誤差測(cè)量的常用方法的特點(diǎn)如下。

（1）傳統(tǒng)的測(cè)量方法操作簡(jiǎn)單，設(shè)備便捷，但受到人為因素影響非常大，容易出現(xiàn)比較大的測(cè)量誤差，效率低，也不能保證百分百的在線測(cè)量。

（2）圓度儀、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量精度較高，但是測(cè)量過(guò)程復(fù)雜而且成本極高，不適用于工廠等生產(chǎn)環(huán)境中。

（3）在線微機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，支持在線測(cè)量，而且精度較高，但是適應(yīng)性比前二者都差，目前只能做到接觸測(cè)量，所以適用范圍還比較窄。

總體而言，數(shù)控機(jī)床的圓度誤差檢測(cè)發(fā)展方向是基于計(jì)算機(jī)的處理技術(shù)的非接觸檢測(cè)方法的基礎(chǔ)。這種方法與傳統(tǒng)的圓度誤差檢測(cè)方法相比，雖然還處于初步階段，但是已經(jīng)展現(xiàn)了良好的發(fā)展前景，具體包括視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)柔性度高，擴(kuò)展性適應(yīng)性良好；速度快，精度高，基本不受環(huán)境影響；非常適合在線檢測(cè)，能夠明顯精簡(jiǎn)環(huán)節(jié)，促進(jìn)工作效率；成本低，使用范圍廣等等。

3 數(shù)控機(jī)床圓度檢測(cè)誤差

圓度誤差大多數(shù)會(huì)受以下幾種重要因素影響：（1）機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)精度的影響；（2）機(jī)床上面的夾具的影響；（3）加工的工件的影響，例如工件材料硬度等屬性的影響；（4）加工過(guò)程中外力的影響，包括夾緊力、傳動(dòng)力、慣性力等等受力因素；（5）加工零件的內(nèi)應(yīng)力影響；（6）加工工藝影響。圓度誤差是正截面上的輪廓對(duì)其理想圓的變動(dòng)量，通過(guò)半徑差來(lái)進(jìn)行計(jì)量。機(jī)械零件回轉(zhuǎn)表面正截面輪廓的圓度誤差對(duì)機(jī)床功能的影響是巨大的，所以在機(jī)床需要根據(jù)零件的功能性要求來(lái)給定一定范圍的公差。并且對(duì)加工完成的零件進(jìn)行必要的測(cè)量用以判斷是否將零件的圓度誤差控制在了理想范圍之內(nèi)。所以，測(cè)量回轉(zhuǎn)體零件的典型截面的圓度誤差是核查零件加工品質(zhì)的極重要指標(biāo)。

另一方面，被測(cè)實(shí)際要素對(duì)其理想要素的變動(dòng)量稱為形狀誤差。測(cè)量形狀誤差時(shí)如果被測(cè)實(shí)際要素與理想要素二者能夠完全相同，那么就表示形狀誤差不存在；如果二者有一些偏差，那么就表明存在形狀誤差，而實(shí)際要素的形狀誤差值就是該偏差的大小。前文已經(jīng)多次提到了圓度誤差的定義，那么深入剖析，在選擇理想圓是就應(yīng)該保證變動(dòng)量為最小值。測(cè)量誤差的出現(xiàn)是不可避免的，以為無(wú)論采取哪一種測(cè)量方法或者如何定義測(cè)量過(guò)程，都會(huì)受到計(jì)量器具和測(cè)量條件的限制。所以由于測(cè)量誤差的存在，測(cè)量值就只能近似的反映被測(cè)幾何量的值。所以研究人員的最終目的就是使得測(cè)量結(jié)果盡量接近于理想狀態(tài)，這就要求我們了解測(cè)量時(shí)出現(xiàn)誤差的影響因素。

（1）計(jì)量器具誤差。該誤差是計(jì)量器具在設(shè)計(jì)過(guò)程、制造過(guò)程、使用過(guò)程中因?yàn)榉N種因素造成的計(jì)量器具本身的誤差變現(xiàn)，這些誤差經(jīng)過(guò)累加作用最終表現(xiàn)在最終的測(cè)量結(jié)果上面，有很強(qiáng)的重復(fù)性。

（2）方法誤差。該誤差是指測(cè)量時(shí)方法的缺陷造成的影響，誤差可能是計(jì)算公式的錯(cuò)誤，可能是測(cè)量方法不恰當(dāng)，也可能是工件在放置和安裝時(shí)出現(xiàn)偏差。

（3）環(huán)境誤差。這種誤差變現(xiàn)為測(cè)量作業(yè)時(shí)受到實(shí)際環(huán)境的種種因素影響，包括現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度、大氣氣壓和環(huán)境中的電磁場(chǎng)等等因素，其中溫度是對(duì)測(cè)量干擾最大的因素。

（4）人員誤差或者說(shuō)人為誤差。該誤差是指測(cè)量時(shí)測(cè)量人員出現(xiàn)的測(cè)量食失誤，常見(jiàn)為測(cè)量瞄準(zhǔn)不精確，測(cè)量人員估讀等。

整體來(lái)說(shuō)，數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，圓度誤差檢測(cè)技術(shù)的不斷提高也是必然的，而且隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的與日俱進(jìn)和微機(jī)圖像處理技術(shù)的不斷突破，非接觸在線圓度誤差檢測(cè)系統(tǒng)是必然未來(lái)數(shù)控機(jī)床圓度檢測(cè)的主要方式。所以為了加快的圓度誤差的測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，對(duì)大型、長(zhǎng)軸零件的圓度檢測(cè)方法的研究是必不可少的，而且對(duì)計(jì)算機(jī)視覺(jué)的圓度檢測(cè)技術(shù)的深入研究也會(huì)成為圓度誤差的研究方向和重點(diǎn)。

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