前沿利用跟蹤儀的大型多軸機床空間誤差補償技術(shù)

1、空間誤差補償技術(shù)在大型機床中的應(yīng)用作者：美國自動精密工程公司    來源：MM現(xiàn)代制造為進一步縮小大型機床，尤其是5軸、6軸機床工作時的公差范圍，提升其加工精度，美國國家制造科學中心（NCMS）組織了一次名為大型機床空間精度研究（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。大型機床空間誤差補償技術(shù)（VEC，Volu

2、metric Error Compensation）由此誕生。 空間誤差補償技術(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專利產(chǎn)品的Active Target高性能傳感器相配合，在有效時間內(nèi)對大型機床進行精確測量。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床的運動空間進行持續(xù)不間斷的跟蹤測量，以得到機床操作過程中自始至終的運行數(shù)據(jù)?？臻g誤差補償技術(shù)測量的特點就在于：測量是在一個整體坐標系中完成的，而不是像普通測量那樣需要分別測量不同的坐標軸，由此便可以記錄到與機床實際運動最吻合及精確的數(shù)據(jù)。接下來，將這些數(shù)據(jù)輸入計算機，使用軟件工具對機床運行的整個路徑進行模擬，以

3、圖片的形式反映空間誤差，并生成補償數(shù)據(jù)列表、核實空間補償數(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軸機床通常會產(chǎn)生4050個誤差參數(shù)，以至于使用傳統(tǒng)的21項誤差機床檢測法無法對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型機床進行全面的誤差檢測。而相比于傳統(tǒng)的機床誤差檢測方法，VEC技術(shù)對機床運行空間的測量更具持續(xù)性，從而能夠檢測出機床工作時所產(chǎn)生的全部誤差參數(shù)。實驗表明，使用VEC方法進行檢測、校準后的機床精度較傳統(tǒng)檢測方法校準的機床提高了4倍以上。 空間誤差補償技術(shù)（VEC）使用API自主知識產(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 Targe

4、t高性能傳感器相配合，在有效時間內(nèi)對大型機床進行精確測量。傳統(tǒng)的機床校準與補償方法 長期以來，一個普遍的問題一直困擾著使用大型機床進行生產(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、甚至機床本身設(shè)計或安裝時所造成的缺陷等等因素都會使機床工作時產(chǎn)生誤差。 使用空間誤差補償?shù)姆椒▽Υ笮蜋C床工作時產(chǎn)生的誤差進行修正已經(jīng)在理論上被證實為是減小機床定位誤差的有效方法。使用這種方法可以通過生成機床整個工作過程的誤差參數(shù)來全面了解機床工作時在精度上的偏差，從而

5、生成補償參數(shù)，并將補償參數(shù)輸入機床控制系統(tǒng)從而對機床現(xiàn)有的定位誤差進行實時糾正。而現(xiàn)代大型機床也在技術(shù)上支持這種空間誤差補償?shù)牟僮鞣椒ā?21項誤差補償法是被公認的傳統(tǒng)機床的校準方法。以結(jié)構(gòu)較簡單的普通3軸機床為例，這種方法需要使用激光干涉儀對機床的每個軸（X、Y、Z）分別進行測量。而在進行這些測量之前，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，并運行各自的測量步驟。如此，便耗費了大量的時間，使機床閑置，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

6、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)各進行2次測量。從而，至少要進行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(jié)，Y到Z，Z到X）的垂直度，就可以得到21項誤差參數(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償參數(shù)。完成這一過程，通常需要進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API最高配置的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

7、數(shù)。在同樣測量3軸機床的情況下，便將通常需進行的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行測量。此外，在測量結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的5軸、6軸機床時，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) 空間誤差補償技術(shù)（VEC）的使用較其他機床標定方法更為簡單且精確度更高。由于VEC技術(shù)的測量是在一個整體的坐標系中完成，而不是像其他技術(shù)那樣要分別對機床的每一個軸進行測量，所以只需一次安裝檢測儀器，便可以對從較為簡單的3軸機床到結(jié)構(gòu)復(fù)雜的6軸機床進行精確的測量；且激光跟蹤儀對機床運行的整個過程進行跟蹤測

8、量，所以測量所得結(jié)果與機床實際運動軌跡完全吻合，從而達到極高的測量精度。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，從而解決了大型機床標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最低。 配合軟件自動計算出誤差補償值，進行核實后上載到機床控制器，從而對機床進行實時誤差補償。經(jīng)實驗證明，使用VEC空間誤差補償?shù)姆椒ㄐ蔬^的機床比一般方法校準的機床精度高出4倍以上。 空間誤差補償技術(shù)（VEC）的數(shù)據(jù)計算方式是基于切比雪夫多項式（Chebyshev Polynomials）演變而來。API獨有的測量軟件計算出多項式的運動學方程來描述機床運動時

9、產(chǎn)生的不同誤差，從而對機床運動空間內(nèi)的任何坐標上的誤差進行精準補償。 使用VEC技術(shù)的第一個步驟就是建立VEC機床模型。應(yīng)用機床的CAD模型，根據(jù)不同機床的特征建立運動誤差模型。根據(jù)建立的運動誤差模型，API的測量軟件會計算并提供出一個測量路徑的最佳解決方案，并避免與機床運行過程中有可能關(guān)聯(lián)到的物體，例如固定裝置、夾具等相沖突。利用這種計算方法，可以使帶有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的機床（如帶旋轉(zhuǎn)軸的機床和6軸機床等）的測量標定變得像標準3軸機床一樣簡單。 圖1 在機床運動的空間內(nèi)隨機選取200400個參照點API測量軟件計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

10、呢？方法就是：在機床運動的空間內(nèi)隨機選取200400個參照點（圖1），將機床在這一運行空間內(nèi)每個軸上的所有可能形成的姿態(tài)進行模擬，從而根據(jù)這一數(shù)據(jù)來計算出最終的測量路徑。測量時，機床主軸會沿著預(yù)先設(shè)計好的路線進行運動，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床中心點機床主軸上的API Active Target活動靶標，對機床運行的完整路線進行測量。由于測量軟件已為測量設(shè)計出了最佳路線，所以在測量過程中絕不會發(fā)生碰撞事件，也不會因為主軸的運動遮擋了激光束而中斷測量。 實際測量中，無論機床的大小和結(jié)構(gòu)復(fù)雜與否，整個測量的過程會在13h之內(nèi)完成。由于API的T3跟蹤儀

11、在設(shè)計上的緊湊性、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床上，也可以被安置于機床之外。而Active Target活動靶標則被安裝固定在位于機床中心點的機床主軸上。Active Target實際上是一個機動化的SMR，其特有的內(nèi)置反射鏡進行不間斷的轉(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，每當機床運行到一個新的測量點就會停頓34s，使機床完成休整并穩(wěn)定在其所應(yīng)到達的位置，T3激光跟蹤儀會在這一間隙對這個參照位置實施30100次的測量。當計算出測量數(shù)據(jù)的平均值，便會反射信號至機床，使其移動到下一個待測位置。 圖

12、2 每個待測的參照點與其前一個被測量的點之間都會形成一個桿狀的連接， 隨著測量進程的發(fā)展，所連接的點就越多整個過程需要對待測機床進行三次測量（圖2）：第一次測量時應(yīng)使用一個稍長的適配桿用來固定Active Target；第二次重復(fù)第一次的過程，以便核實、檢查數(shù)據(jù)的準確性；第三次，也就是最后一次則應(yīng)使用一個較短的適配桿固定Active Target進行測量。這個過程不僅僅是簡單的三次測量，實際上，使用長短不同的適配桿固定Active Target進行測量，為每一個待測的參照點生成了向量。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：每個待測的參照點與其前一個被測量的點之間都會形

13、成一個桿狀的連接，隨著測量進程的發(fā)展，所連接的點就越多，而這樣，通過200400個隨機參照點，就形成了點云（Point Cloud），而不是簡單的三個平面。 通過這些向量（桿狀連接）可以確定機床運動空間中的每一個點，并通過上萬次的計算得到這些參照點的位置參數(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)計算出補償值，將補償參數(shù)儲存，以便上傳至機床的控制系統(tǒng)，在機床實際作業(yè)中進行空間誤差的補償。 數(shù)據(jù)的驗證 當參數(shù)數(shù)據(jù)收集完畢后，需要使用K倍交叉驗證法（K-Fold Cross-Validation）來驗證、核實收集數(shù)據(jù)的準確性，之后才能將數(shù)據(jù)上傳到機床的

14、控制器進行實際補償。K倍交叉驗證法的過程是：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)是否準確；最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次驗證進行完畢后，軟件就會自動計算出平均值，將所得數(shù)據(jù)儲存、待用。 數(shù)據(jù)被核實驗證后，軟件系統(tǒng)會直接將驗證好的數(shù)據(jù)傳輸至機床的控制器。由此，機床每運動一次，補償數(shù)據(jù)就會對機床的運動誤差進行實時補償。 有時，人們并不能及時發(fā)現(xiàn)機床工作時所發(fā)生的誤差，直到對其進行校準時才發(fā)現(xiàn)機床已發(fā)生了很大的偏差；而使用VEC方法可以對機床工作時發(fā)生的誤差進行實時補償，完全不用擔心機床誤差無法被及時發(fā)現(xiàn)的問題了。 經(jīng)過理論的證明與實踐的證實，空間誤差補償方法（VEC）被認定為是可以大幅度提高機床工作精度的實用方法。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活動靶標進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軸機床的調(diào)校工作，大幅度減小了因儀器安裝等