[align=center]A theoretical analysis and application of sequential step volumetric measurement Ni Lifeng Zhang Hongtao Wu Hao Yang Jianguo （Shanghai Jiaotong University） Charles Wang （Optodyne Incorporation, United States）[/align] Abstract：This paper introduces a method of sequential step volumetric displacement measurement. Because these error can be separated from the volumetric displacement error, it is convenient and fast to measure the volumetric positioning accuracy. Meanwhile, the software can automatically generate the compensation codes according to the measured data, then these codes would be loaded into CNC controller to improve volumetric positioning accuracy of the machine. Examples of machine error compensation verify the correctness and high efficiency of this method. Key words: Sequential step measurement, Volumetric Error, Error compensation. 摘 要：本文介紹了多步法體積定位測量。由于這種方法可以分離出各誤差元素，所以可以方便而快速地檢測出機床的體積定位精度。根據(jù)測量出的誤差數(shù)據(jù)生成誤差補償代碼，對其進行補償以提高機床體積定位精度，并通過實例來驗證該測量方法的正確性及高效率性。 關(guān)鍵詞：多步測量，體積誤差，誤差補償 1．介紹 數(shù)控機床由于其本身的運動比較復(fù)雜，因此其運動過程中產(chǎn)生的各種誤差相對來說也比較復(fù)雜。以三軸加工中心為例，有21項誤差元素，包括3個線性誤差，6個直線度誤差，3個垂直度誤差，3個俯仰角誤差，3個偏擺角誤差以及3個旋轉(zhuǎn)角誤差。傳統(tǒng)的測量沒有考慮俯仰角、偏擺角和旋轉(zhuǎn)角的誤差，精度不高，并且機床的體積定位精度的完整檢測非常復(fù)雜耗時。鑒于上述原因，許多國際標準化組織提出沿體對角線進行測量的方法[1]。所謂體對角線就是指在空間直角坐標系中，由機床工作臺三個進給方向上的最大行程所圍成的長方體的對角線。國際標準化組織推薦該方法的主要原因是體對角線的測量對各種誤差元素非常敏感。但是該法的一個比較大的缺陷是在測量過程中它無法獲得足夠的信息用于分離各誤差元素，這樣就很難對誤差進行補償[2]。 多步法體積定位測量考慮了角度的誤差，這樣就具有更高的精度。并且對測量出的結(jié)果進行補償，這樣才具有實際的意義。這種測量方法相對于傳統(tǒng)的激光干涉測量（平行于機床的X軸、Y軸或Z軸）來說，測量簡便，節(jié)時。體積定位誤差由21項機床誤差決定，測量的精確度由機床的重復(fù)度所確定。 這里應(yīng)用該方法對兩臺數(shù)控機床進行了檢測，再通過補償，進而提高機床精度。 2．三軸機床誤差測量 對于3軸機床，21項機床誤差可表示如下： 線性位移誤差：Dx（x）、Dy（y）和Dz（z） 水平平面內(nèi)直線度誤差：Dy（x）、Dx（y）和Dx（z） 垂直平面內(nèi)直線度誤差：Dz（x）、Dz（y）和Dy（z） 旋轉(zhuǎn)角度誤差：Ax（x）、Ay（y）和Az（z） 俯仰角度誤差：Ay（x）、Ax（y）和Ax（z） 偏擺角度誤差：Az（x）、Ax（y）和Ay（z） 垂直度誤差：Φxy、Φyz和Φxz 在這里D指線性誤差，下標是誤差的方向，括號內(nèi)為位置坐標，A為角度誤差，下標為旋轉(zhuǎn)軸。 機床工作體積：x從x=0到X、y從y＝0到Y(jié)，z從z＝0到Z。 傳統(tǒng)的體對角線測量法由于其檢測的快速性曾經(jīng)備受推薦。體對角線測量是沿體對角線方向移動主軸，到達體對角線上新的一點，此時可以測量到一個位移誤差。假設(shè)主軸沿體對角線的位移是R，則所測量到的誤差是位移R的位移誤差dR，接著可以繼續(xù)移動主軸進行位移誤差的測量，一直到主軸運動到對角線的另一個角，同樣地對其它三條對角線進行測量。上述測量的每一個位置的定位精度實際上取決于三個軸的定位精度，通常也受機床的幾何精度的影響[3]。應(yīng)該說體對角線測量法是一個比較好的測量方法，但是其不能識別誤差源，當然也不能用來對機床進行補償[4][5]。 沿體對角線測得的位移誤差是機床21項誤差的綜合反映，同時我們可以將沿體對角線方向測得的位移誤差看成三個運動軸分別運動時產(chǎn)生的位置誤差在體對角線方向的投影和[6]，沿每個軸的位移誤差有三項，沿X軸的誤差為：Dx（x）、Dy（x）、Dz（x），沿Y和Z分別為：Dx（y）、Dy（y）、Dz（y）、Dx（z）、Dy（z）、Dz（z）。上述9項位置誤差中實際上包含了三個軸運動時產(chǎn)生的所有21項誤差（線性位移誤差、直線度誤差、轉(zhuǎn)角誤差、垂直度誤差，甚至其它一些非剛體運動誤差），因此9項位置誤差反映了機床的空間位置精度。從誤差補償?shù)慕嵌瓤矗瑢τ诰哂锌臻g位置誤差補償功能的數(shù)控系統(tǒng)來說，只要補償該9項位置誤差就相當于補償了機床的所有幾何誤差元素對機床位置精度的影響，如補償X軸的運動誤差時，Dx（x）由X軸補償，Dy（x）、Dz（x） 可分別通過Y、Z軸補償，因此只要將九項位置誤差數(shù)據(jù)經(jīng)處理按補償格式傳入數(shù)控系統(tǒng)即可實現(xiàn)機床的幾何誤差補償，來提高機床體積定位精度。由此提出了多步法體積定位測量。 多步法體積定位測量的最大優(yōu)點在于其測量方向和運動的方向可以不在同一個方向，這樣，測量的結(jié)果對多個方向的誤差都敏感，從而多個方向的誤差都被包含進去，只要通過將誤差從整體分離到各個方向，我們就能得到比傳統(tǒng)的測量方法更多的數(shù)據(jù)量，從而可以對誤差分離并對其進行補償。 3．多步測量法 多步測量法與傳統(tǒng)的體對角線測量法的不同點在于采用多步測量，測量過程如圖1所示。進行多步測量，必須首先定義對角線起始點（0，0，0）以及終點（X，Y，Z）。由此可知機床的工作空間范圍為X×Y×Z。假設(shè)每軸的測量點數(shù)為n，則所有測量點數(shù)為3n，各軸的增量分別為Dx、Dy、Dz，其中：Dx=X/n，Dy=Y/n，Dz=Z/n。 如圖2所示機床共有四條體對角線。這里以一條為例，即a→g。采用多步測量法對該條對角線測量的路徑如下：安裝在主軸上的移動光靶（平面反射鏡）從a點（0，0，0）開始，移動Dx后，暫停，暫停過程中，軟件會自動采集數(shù)據(jù)，而后在Y方向以相同的進給率以及暫停時間移動Dy，最后在Z軸方向以相同的進給率和暫停時間移動Dz，重復(fù)上述步驟一直到移動到體對角線的另一點g。對于其它三條對角線而言，要分別改變起始點和各軸的增量來進行測量。 [align=center] 圖1 用平面鏡作為目標的多步測量 圖2 四條體對角線[/align] 從上面的過程可以看到，主軸每次移動到體對角線方向上的一個新的位置，使用多步測量法能夠測量出三個位移誤差。而且沿每個軸方向測量到的數(shù)據(jù)僅僅是由于主軸沿該軸方向運動獨立產(chǎn)生的，這樣就可以將所測量到的誤差數(shù)據(jù)分離為三個軸方向運動獨立產(chǎn)生的，從而達到誤差分離的目的。 對于機床工作臺沿3根導(dǎo)軌進給的最大行程所圍成的長方體來說，共有四條體對角線。在空間直角坐標系中，它們可以分別表示為： 從（0，0，0）到（X，Y，Z），記為PPP； 從（X，0，0）到（0，Y，Z），記為NPP； 從（0，y，0）到（X，0，Z），記為PNP； 從（0，0，Z）到（X，Y，0），記為PPN； 其中PPP表示沿x、y、z方向的進給是沿著各坐標軸的正方向；NPP表示沿X方向的進給是沿著x軸負方向，而沿y軸和z軸的進給是沿著y軸和z軸的正方向；PNP表示沿y方向的進給是沿著y軸負方向，而沿x軸和z軸的進給是沿著x軸和z軸的正方向；PPN表示沿z方向的進給是沿著z軸負方向，而沿x軸和y軸的進給是沿著x軸和y軸正方向的。 4．測量應(yīng)用與補償實例 多步法體積測量裝置圖如圖3所示。 [align=center] 圖3 多步法體積測量裝置圖[/align] 4．1 在Siemens 840的數(shù)控機床上進行體積定位誤差檢測，并根據(jù)測量出的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)補償。機床工作空間為 800mm×600mm×600mm。在測量過程中，測試點增量在X、Y、Z方向分別為20mm、15mm、15mm，n=40。首先是在沒有任何補償?shù)那闆r下測量，體對角線的體積誤差最大為60μm，如圖4所示。 [align=center] 圖4 補償前四條對角線的實測位移誤差[/align] 在對采集到的誤差數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)數(shù)控機床使用的控制系統(tǒng)的型號來自動產(chǎn)生相應(yīng)的誤差補償代碼。將誤差補償代碼輸入控制系統(tǒng)中，就可以補償其位置誤差。 為了驗證補償?shù)男Ч?，在帶有體積誤差補償后的情況下進行了測量，補償后四條對角線上的誤差如圖5所示。 [align=center] 圖5 補償后四條對角線的實測位移誤差[/align] 從圖可以看出，補償前體積誤差較大，最大達到60μm，補償后體積誤差顯著地減小，其最大體積誤差最大只有6.8μm?？梢娊?jīng)過補償后機床的體積定位精度得到了很大提高。 4．2 在JOBS-LINK的五軸數(shù)控機床上進行體積定位誤差檢測，并根據(jù)測量出的數(shù)據(jù)進行補償。其工作空間為 900mm×720mm×720mm，n=30。在測量過程中，測試點增量在X、Y、Z方向分別為30mm、24mm、24mm。首先是在沒有任何補償?shù)那闆r下測量，體對角線的體積誤差最大為58μm，如圖6所示。 [align=center] 圖6 補償前四條對角線的實測位移誤差[/align] 在對采集到的誤差數(shù)據(jù)處理后，選擇數(shù)控機床使用的控制系統(tǒng)的型號，然后將誤差數(shù)據(jù)輸入補償軟件中，就產(chǎn)生誤差補償代碼，將誤差補償代碼輸入控制系統(tǒng)中，就可以補償其位置誤差。為了驗證補償?shù)男Ч?，在帶有體積誤差補償后的情況下進行了測量，補償后四條對角線上的誤差如圖7所示。 [align=center] 圖7 補償后四條對角線的實測位移誤差[/align] 從圖可以看出，補償前體積誤差較大，最大達到58μm，補償后體積誤差顯著地減小，其最大體積誤差最大只有8.7μm?？梢娊?jīng)過補償后機床的體積定位精度得到了很大提高。 5．總結(jié)和結(jié)論 多步法體積定位測量是一種快速測量法，根據(jù)沿每個軸方向測量到的數(shù)據(jù)僅僅是由于沿該軸方向運動獨立產(chǎn)生的，這樣就可以將所測量到的誤差數(shù)據(jù)分離為沿三個軸方向運動獨立產(chǎn)生的，從而達到誤差分離的目的。由于這9項位置誤差包含了三個軸運動時產(chǎn)生的所有21項誤差，因此我們通過對這9項位置誤差的測量和補償，來提高機床的精度。 參考文獻 [1] ISO230-6: 2002 Test code for machine tools-Part 6: Determination of positioning accuracy on body and face diagonal （Diagonal displacement tests）, an International Standard by International Standards organization, 2002. [2] Methods for Performance Evaluation of Computer Numerically Controlled Machining Centers, An American National Standard, ASME B5.54 -1992 by the American Society of Mechanical Engineers, P69, 1992 [3] An American National Standard, ASME B5.54-1992, of the American Society of Mechanical Engineers,1992 [4] 孫長庫 葉聲華 激光測量技術(shù) 天津大學(xué)出版社 2001，7 [5] 殷純永 現(xiàn)代干涉測量技術(shù) 天津大學(xué)出版社 1999，7 [6] 任永強 數(shù)控機床誤差高效測量、建模及補償應(yīng)用研究 上海交通大學(xué)博士論文 2005