數控機床在線測量系統校準技術研究

林云川，程志遠

（航空工業成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川成都610091）

0 引言

在現代制造業中，常采用兼顧加工功能和測量功能的數控機床對大型復雜、高精度零件進行加工，達到只需一次裝夾，便可對加工過程中的零件開展多次測量的目的。數控機床在線測量系統有效提升了零件的整體加工效率和精度［1-2］。數控機床在線測量系統包括機床系統、測量軟件和測頭系統，借助計算機的性能優勢完善數控系統的數據處理能力［3-4］。數控機床在線測量技術依托加工中心的機械傳動機構對零件進行測量，因此要保證加工中心的精度符合要求［5］。加工中心在自身重力和主軸受到的切削力的作用下，各機械傳動軸在使用過程中會出現一定的磨損和變形，導致加工中心整體精度下降，進而影響數控機床在線測量系統的精度，因此需要對機床的線性軸線精度定期校準［6］。

為了實現數控機床在線測量系統的高精度、高可靠性、低成本校準，國內外的專家學者依據實際技術要求開展了相關研究［7］。武漢計量測試檢定研究所的金京等人［8-9］提出了一種采用激光干涉儀和傳統標準量塊的校準方法，并將將應用到坐標測量機示值誤差的測量中。天津市計量監督檢測科學研究院的李青等人［10］提出了評定坐標測量機校準綜合誤差不確定度的方法。目前數控機床在線測量系統的校準工作主要存在以下兩方面問題:工作現場環境條件較差和校準過程耗時較長。以三坐標測量機為例，其常年處于恒溫20℃且無震動的測量機房中，而數控機床在線測量系統所處的工作環境較復雜，現場環境溫度受季節、廠房空間以及零件搬運工作等因素影響處于不穩定狀態，因此必然會影響量塊校準尺寸測量示值誤差的擴展不確定度的評定。由于數控機床的種類繁多，不同型號的數控機床在線測量系統相應指令程序的編制與調用均有所差別，另外采用三維觸發式測頭對處于多空間方向量塊的端面進行測量時，需要多次調整三維觸發式測頭姿態并校針，導致校準效率較低。

為解決上述問題，本文分析了數控機床在線測量系統的計量特性和技術指標要求，提出了數控機床在線測量系統校準方法:采用激光干涉儀實測加工中心的線性軸線位移量，并以此作為定位精度補償基準，結合補償程序計算出單位補償值，導入加工中心控制系統，降低位置示值誤差。以三維觸發式測頭為核心的數控機床在線測量系統對成組球規進行接觸式在線測量，對在線測量系統進行多方向的長度示值誤差校準，綜合評定得出在線測量系統的精度。

1 數控機床的技術要求及校準、驗證標準器

1.1 數控機床的技術要求

在數控機床的調平、幾何精度和功能檢驗（21項誤差、軸回轉和軸間聯動精度）都完全符合技術要求的基礎上，才能對其各軸線的定位精度和重復定位精度進行校準。按照規定測量機床和檢測設備的代表性溫度，以便進行對應的溫度補償。數控機床和校準標準器應在校準環境中進行恒溫處理，以降低溫度對測量不確定度的影響。

1.2 雙頻激光干涉儀

XL-80雙頻激光干涉儀（以下簡稱激光干涉儀）是一種以波長為標準對被測長度進行度量的儀器，一般作為長度測量標準使用。校準數控機床在線測量系統時，架設激光干涉儀，調整光照情況，選擇合適的測量軟件參數（在設置激光干涉儀軟件參數時，確保越程、停留時間數值小于數控機床運動程序里的對應參數），加工中心每行進一個步距，激光干涉儀實時記錄一個距離值，最后完成三次循環校準。線性測量配置圖如圖1所示。一般選用德國標準VDI 3441或者國家標準GB/T17421.2-2016生成相應的數據分析結果和圖表。

圖1 線性測量配置圖

1.3 成組球規

為了降低溫度對標準器具尺寸測量示值誤差的影響，選用碳纖維材料作為長度標準器的底座，因為碳纖維材料線膨脹系數極低，受溫度影響較小；為了簡化三維觸發式測頭測長的程序，選用球心距作為標準器具的名義尺寸，一方面球元素的測量不需要投影面，只需要調用測球或圓環的宏指令，使測頭在球體上測量5點，即可計算出球心位置，另一方面三維觸發式測頭在測量球心時無需多次調整姿態和校針。

陶瓷球與碳纖維材料底座組成的長度標準器稱為成組球規，如圖2所示。6個Φ25 mm陶瓷球安裝在碳纖維底座上，其中各球心相對第一球心的距離分別為100，200，500，760，1200 mm。

圖2 成組球規的示意圖

2 數控機床定位精度校準技術

2.1 數控機床軸線運動程序設置

參照數控機床各軸出廠補償文件，設置相應間隔目標點距離、每個目標位置停留時間、機床運動速度、在極限位置的越程距離和正向負向全行程的循環次數。以X軸為例，在開展數控機床校準工作前，設置數控機床和激光干涉儀的相關參數如表1所示，測量循環路徑示意圖如圖3所示。

表1 數控機床和激光干涉儀的相關參數

2.2 鏡組安裝事項

依據數控機床的技術要求，對其各線性軸定位精度進行測量時，測量鏡組的安裝狀態將直接影響最終的測量結果，因此在測量的過程中將固定反射鏡組和可動反射鏡組分別安裝在機床的主軸和工作臺面上。如果主軸和工作臺面無可利用空間，則應選擇穩定可靠的貼合面，如線性軸導軌等，非穩定部位的平面或導軌不能作為測量鏡組安裝的貼合面。

圖3 測量循環路徑示意圖

測量鏡組的安裝狀態必須穩定可靠，一般情況下借助磁性表座使其固定在數控機床的主軸或工作臺面上。當主軸運動時，應避免出現抖動或者晃動，比如加工中心的吸氣裝置會導致測量點的波動較大，重復定位精度也因此受到影響，此時應復查測量鏡組安裝位置的有效性和可靠性。

2.3 單邊全行程校準

首先在數控機床主軸的單邊全行程起始點將激光干涉儀的實測值歸零，然后將數控機床的主軸運動到單行程范圍的最大值，之后比較單軸坐標值變化量與激光干涉儀的實測值之間的差值是否符合定位精度要求，從而決定是否開展定位精度補償。假如差值未達到定位精度要求，則開展一次來回行程的定位精度校準。開展單邊全行程定位精度校準可有效提升工作效率。

2.4 數控機床定位精度補償

當數控機床的定位精度未達到技術要求時，需要補償其定位精度。關閉過去的補償文件，避免累加補償造成的計算復雜問題，之后通過激光干涉儀對數控機床的主軸進行一次來回行程的定位精度校準，采用測量軟件進行定位誤差補償計算，依次選擇參數:均值補償、絕對值、誤差值，繪制誤差補償圖表，獲得各間隔點的補償數據。采用RS-232接口自動傳輸或者手動寫入補償文件并生效執行，最終保證三次循環校準評價結果符合技術要求。以某型號數控機床的X軸為例，圖4所示為補償前、補償后單點誤差變化曲線。本型號設備定位精度的測量不確定度為U=0.4 μm+3.3×10-6ln（k=2）。

通過數控機床在線測量系統定位精度補償，其相應的測量精度能夠達到初始狀態的技術要求。當線性軸的單點誤差變化往返曲線呈現交叉形態，且經過多次補償后該現象仍未消除，說明數控機床的機械傳動結構存在機械誤差，應對數控機床的機械傳動結構進行維護、調修后再開展補償工作。

圖4 補償前、補償后單點誤差變化曲線

3 在線測量系統長度示值誤差校準技術

量值的溯源與傳遞是保證量值準確可靠的重要手段，本文所涉及的量值傳遞關系圖如圖5所示。

采用在線測量系統的測頭測量成組球規的各組長度示值，評價測頭系統的綜合精度，其中包含的影響因素有:測頭直徑、長度的標定準確性、測針觸碰工件彎曲變形量、機床運動部件定位誤差、環境及材料溫度。通過比較成組球規各球心之間的真實值與測量值的差值，綜合評價在線測量系統的長度示值誤差是否符合技術要求。

圖5 計量標準的量值傳遞關系圖

根據加工中心在線測量的范圍大小選擇3組球規作為標準值。通過調用球心或圓環的宏指令使測頭進行在線測量，將球心坐標換算成球心距的校準值，再將校準值與標準值進行比較，評價長度的最大允許示值誤差MPEE是否滿足要求。考慮到實際測量情況，將長度標準器放在加工中心的3個不同位置，每個位置選擇3組尺寸，各測量3次，共進行27次測量。將27個校準值與球心距的標準值進行比較，計算出相應的尺寸測量示值誤差。

依據出廠技術協議，五坐標橋式加工中心的技術要求如下:定位精度誤差為±0.100 mm，重復性為0.035 mm，綜合誤差為±0.100 mm。

表3 五坐標橋式加工中心長度示值誤差校準結果 mm

下面以球1與球4的球心距為例，其中成組球規第一球心與第四球心的真實距離為760.018 mm，其長度示值誤差的校準結果如表3所示。經過計算，重復性為0.015 mm，綜合誤差為0.009 mm，滿足技術要求。

4 結論

對數控機床在線測量系統的校準問題進行分析，提出一種采用激光干涉儀、成組球規進行定位精度及長度示值誤差的校準方法，經實驗證明該方法可有效保證量值傳遞的可靠性，而且提升了校準效率，可以有效控制在線測量的綜合精度，具有一定技術推廣價值。