数控机床误差补偿技术及应用提高在线检测精度的补偿技术
摘要 文章利用在机测量运动链分析，提高测头球心的定位精度；同时以特征分析法来处理测头的内部误差。通过补偿前后与三坐标测量机的实验数据对比，结果表明补偿效果良好。
application of error compensation technique for nc machine
toolscompensating technique for improving on-line inspecting accuracy
zhang qing, et al
abstract:the manufacture proceeding is of high integration and flexibility. it is emphasized how to percerve high efficiency of manufacture system and reduce the waste products. the technique of on-line ispection is one of the most important meanings for monitoring the cutting procedure. the kinematics chain of on-line inspection is discussed, so as to enhance the positioning accuracy of the ballcenter of a probe, meanwhile, the system error of a probe is treated by means of the method of feature analysis. compared the testing data with and without compensation with measured data on cmm, the result shows that the compensative effect is good.
key words: on-line instection, error compensation, nc machine tools
1 概述
加工过程的质量监测问题一直受到人们的重视。制造业如何以低成本、高精度和灵活多变的柔性加工技术迎接二十一世纪的挑战也是人们关心的问题。质量监控是现代加工技术的重要组成部分，作为加工过程监测手段的在机测头，可对工件安装定位、对刀、刀具磨损或破损以及加工件的形位尺寸等进行有效的监控。目前针对测量精度问题的研究主要集中在如何提高测头系统的精度［5］，当测头作为在机测量工具时，机床的坐标精度直接影响测量精度。本文通过在机测量
过程机床运动链分析，并以特征分析法来处理测头的内部误差，用软件补偿法提高测量精度。
2 在线检测过程的运动链分析
在线检测过程的运动链与加工过程相似，其区别是将刀具替换成测头。根据机床几何误差补偿技术分析，将包括机床在内的在机测量系统抽象提炼，以低序体阵列形式描述机床拓补结构，通过相邻体的基本变换（包括位置变换矩阵和位移变换矩阵），其形式为（其中：c=cos,s=sin;αk、βk、γk为坐标系间的相对方位角）
构成计算测头测球中心定位误差模型为
式中：表示多体系统低序体的连乘，为测头测球中心相对于刀具坐标系的坐标值。
基本变换中的误差参数主要为机床的几何误差，通过参数辨识的方法（也可采用双频激光测距仪直接测量）获得［6］。
3 基于特征测头误差处理技术
在机测头测量的基本要素为点、线、面，由此构成形位尺寸的测量。在测量过程中，机床坐标反映的测头测球位置，当处理和补偿测头误差时，以测点的法线方向为依据，获得对测头精度zui大的影响因素—预行程误差（死区误差），其它的误差项如动态误差、重复精度等误差通过多次测量减小其影响。
3.1 测量类型
1）基本测量：主要包括点、线、直线距离和坐标系。
2）简单组合测量：主要包括键槽、台阶、长方孔、圆心及直径、椭圆、扇形、角度。
3）空间基本测量：
球 球心及椭圆度
圆柱不同高度的圆度，中心坐标
圆锥高度、母线测量
曲线测量平面曲线测量
空间曲线测量基于网格的测量
3.2 特征描述
几何特征：内凹、外凸。
位置特征：
方向 x，y，z
基平面xy，yz，zx，xyz
3.3 测量及误差处理技术
（1）测量过程
以下为测量z方向一个点的程序段：
（程序头）
g31 g91 z-10.f30;（以30mm/min的速度测量，此前刀具已定位到测头上方）
g31 g91 z10。f600；（刀具抬起）
g28 g91 z0；（刀具返回参考点）
g01 p10；（暂停）
#12=#4014；（取当前坐标系号）
#100=#5063;（读触发时z坐标）
#101=#［2700+#12］+#100;（把触发坐标换算成机床坐标）
#102=#101-#506;（计算刀长测量值）
#2010=#102;（把刀长值送给刀编号：10号）
（程序尾）（2）处理过程
从图1可看出，对于不同几何特征，同样测量圆心坐标和直径，其测量路径和测头触发方向都不一致。
针对规则形体测量，具体处理流程如图2所示。对空间曲面的测量也可用类似的方法处理，但机械式触发测量系统的效率较低，建议采用模拟测头。
4 在线检测误差补偿实验
本实验采用机床校验标准试件（图3），
在makino fanuc86—a20三坐标立式加工中心上实现。采用renishaw mp3型机械式触发头，其中测头的预行程误差如表1所示。通过rs232c口nc系统与微机相连接，测量数据在
微机上进行后处理。该试件在mitutoyo—bln231三坐标测量机上用ph6触发式测头进行测量验证。在无补偿、有坐标和测头误差补偿以及三坐标测量机的测量结果对比如表2所示。从测量的结果来看，通过误差补偿，测量精度有明显的提高，接近三坐标的测量结果。
表1 测杆长度为50mm的预行程误差
角度（°） 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330
误差值（μm） 17 25 29 19 21 22 16 8 5 15 23 21
表2 标准试件基本尺寸在不同条件下的检测结果
尺寸（mm） a b h d
无补偿措施测量结果 213.901 123.808 14.934 245.220
坐标和测头误差补偿后测量结果 213.920 123.839 14.945 245.247
三坐标测量机测量结果 213.922 123.841 14.946 245.250
5 结论
随着计算机集成技术在机械制造业应用的不断深入，机械制造从劳动力密集型往技术密集型发展，在线检测技术取代了人工测量，成为加工过程重要的监测手段。机械式触发测头价格低廉、可靠性高等优点为广大用户所接受，国内有多家供应商。本文重点介绍的在机测量误差处理方法，利用软件补偿法提高测量精度，通过补偿前后与三坐标测量机的实验数据对比，表明补偿效果良好。该方法有一定的普遍性，适合其它类型的测头误差处理。
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abstract:the manufacture proceeding is of high integration and flexibility. it is emphasized how to percerve high efficiency of manufacture system and reduce the waste products. the technique of on-line ispection is one of the most important meanings for monitoring the cutting procedure. the kinematics chain of on-line inspection is discussed, so as to enhance the positioning accuracy of the ballcenter of a probe, meanwhile, the system error of a probe is treated by means of the method of feature analysis. compared the testing data with and without compensation with measured data on cmm, the result shows that the compensative effect is good.
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1 概述
加工过程的质量监测问题一直受到人们的重视。制造业如何以低成本、高精度和灵活多变的柔性加工技术迎接二十一世纪的挑战也是人们关心的问题。质量监控是现代加工技术的重要组成部分，作为加工过程监测手段的在机测头，可对工件安装定位、对刀、刀具磨损或破损以及加工件的形位尺寸等进行有效的监控。目前针对测量精度问题的研究主要集中在如何提高测头系统的精度［5］，当测头作为在机测量工具时，机床的坐标精度直接影响测量精度。本文通过在机测量
过程机床运动链分析，并以特征分析法来处理测头的内部误差，用软件补偿法提高测量精度。
2 在线检测过程的运动链分析
在线检测过程的运动链与加工过程相似，其区别是将刀具替换成测头。根据机床几何误差补偿技术分析，将包括机床在内的在机测量系统抽象提炼，以低序体阵列形式描述机床拓补结构，通过相邻体的基本变换（包括位置变换矩阵和位移变换矩阵），其形式为（其中：c=cos,s=sin;αk、βk、γk为坐标系间的相对方位角）
构成计算测头测球中心定位误差模型为
式中：表示多体系统低序体的连乘，为测头测球中心相对于刀具坐标系的坐标值。
基本变换中的误差参数主要为机床的几何误差，通过参数辨识的方法（也可采用双频激光测距仪直接测量）获得［6］。
3 基于特征测头误差处理技术
在机测头测量的基本要素为点、线、面，由此构成形位尺寸的测量。在测量过程中，机床坐标反映的测头测球位置，当处理和补偿测头误差时，以测点的法线方向为依据，获得对测头精度zui大的影响因素—预行程误差（死区误差），其它的误差项如动态误差、重复精度等误差通过多次测量减小其影响。
3.1 测量类型
1）基本测量：主要包括点、线、直线距离和坐标系。
2）简单组合测量：主要包括键槽、台阶、长方孔、圆心及直径、椭圆、扇形、角度。
3）空间基本测量：
球 球心及椭圆度
圆柱不同高度的圆度，中心坐标
圆锥高度、母线测量
曲线测量平面曲线测量
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3.2 特征描述
几何特征：内凹、外凸。
位置特征：
方向 x，y，z
基平面xy，yz，zx，xyz
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以下为测量z方向一个点的程序段：
（程序头）
g31 g91 z-10.f30;（以30mm/min的速度测量，此前刀具已定位到测头上方）
g31 g91 z10。f600；（刀具抬起）
g28 g91 z0；（刀具返回参考点）
g01 p10；（暂停）
#12=#4014；（取当前坐标系号）
#100=#5063;（读触发时z坐标）
#101=#［2700+#12］+#100;（把触发坐标换算成机床坐标）
#102=#101-#506;（计算刀长测量值）
#2010=#102;（把刀长值送给刀编号：10号）
（程序尾）（2）处理过程
从图1可看出，对于不同几何特征，同样测量圆心坐标和直径，其测量路径和测头触发方向都不一致。
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表1 测杆长度为50mm的预行程误差
角度（°） 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330
误差值（μm） 17 25 29 19 21 22 16 8 5 15 23 21
表2 标准试件基本尺寸在不同条件下的检测结果
尺寸（mm） a b h d
无补偿措施测量结果 213.901 123.808 14.934 245.220
坐标和测头误差补偿后测量结果 213.920 123.839 14.945 245.247
三坐标测量机测量结果 213.922 123.841 14.946 245.250
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