通过机床误差的测量和补偿以提高机床的精度等级，该项技术首先在三坐标机床上获得了实际应用，能使三坐标测量机的精度保持在2μm以内，极大地提高了三坐标测量机的精度等级。然而对数控机床来说，远未达到预期效果，主要由于误差的测量技术和实际工作状态差异较大，难以获得实际加工状况下的机床误差数值，导致误差建模和补偿效果不理想，成为进一步提升数控机床精度的瓶颈。
机床几何误差是由机床零部件原始制造、安装或磨损引起的系统性误差，是数控机床最重要的误差源。反向间隙是几何误差中的重要组成部分，目前对其认识仍停留在静态阶段。同三坐标测量机相比，数控装备的动态特性更加明显；目前数控机床的综合动态误差测量和补偿是研究的难点和热点，随着研究的进一步深入，对机床几何误差的认识也在不断的提升和变化，本文从机床几何误差和反向间隙两方面分析目前研究现状和发展动态。1 数控机床几何误差几何误差是机床的原始误差，也是机床最重要的误差源。一般认为几何误差属于确定性误差，即在机床使用环境不变的一段时间内以基本确定的规律影响加工结果，重复度很高。实际应用中，不论三轴还是多轴数控机床，三个平动轴的误差项始终是整个机床几何误差研究的关键部分，形成相对系统的测量方法和装置。国际标准ISO230系列推荐的测量仪器有：精密水平仪、直角尺、平尺、平行光管、千分表、测微仪、高精度心轴、多度盘、自准直仪等；这些仪器操作比较简单，但测量精度或者信息量不足。测量过程复杂、测量精度高的仪器主要有激光干涉仪(测量机床的单向误差)、球杆仪、平面光栅、R-Test、ETVE主轴分析仪、标准件测试（附加三坐标测量）等。此外，激光追踪法、二维球杆仪、三维步距规等仪器通常适用于特定的测量环境。如何兼顾测量效率/测量精度和获取的信息量是测量仪面临的挑战。一方面，开发高效、高精度的误差测量仪器是几何误差研究的重要方向；另一方面，使用现有高精度仪器提出新的测量和误差辨识方法，也是公认的重要研究方向。一般来讲，采用激光干涉仪等单项误差直接测量法更精确，其测量原理更简单，但比较耗时。测量过程中，对测量环境要求比较严格，机床单轴（一维）按照测量要求（间歇）运动，机床处于“准静态”；这种测量方法基于追寻影响机床精度的主要零部件，是生产厂家为向用户提供产品出厂参数和进行误差溯源，以提高机床的制造精度而进行。综合误差测量参数辨识法借助参考物或测量仪器，首先获取数控机床工作空间内指令位置点或机床加工轮廓轨迹的综合误差信息，然后通过理论分析获得机床的相关单向误差。杨建国等提出了空间误差的分布对角线测量方法。范晋伟等提出了14线测量法的误差辨识技术。付璇提出“十二线法”原理，可以辨识三轴数控机床的21项几何误差。张大卫等提出了多轴加工中心旋转轴C轴4项误差元素的球杆仪检测方法和基于球杆仪的热误差检测方法。W.T.Lei等使用球杆仪对五轴数控机床进行了动态的精度检测。刘焕牢等开发了二维球杆测量装置，并与激光干涉仪进行了比对试验验证。彭芳瑜等基于平面光栅提出一种数控进给驱动动态性能的测试和评价方法。Ziegert J.C.教授带领的研究小组开发了激光球杆仪；B.Bringmann等提出使用三维球列的方法。李斌等提出三维步距规误差辨识技术。同激光干涉仪相比，综合测量法可以同时完成两个轴（二维）或三个轴（三维）运动误差信息，测量过程中机床处于“运动状态”，测量结果不能直接用于误差补偿，需要对测量结果进行分析和分解，各单向误差之间存在耦合关系，因而该过程较为复杂。2001年，冯其波等指出了数控机床的动态特性与其静态特性有很大的差别。对于精密加工和高速加工场合，差别更为突出，因而研究数控机床的动态精度测量方法及其动态特性极其重要。由以上分析可知，数控机床的几何误差是机床重要的原始误差，虽然平动轴几何误差的检测和辨识研究已经开展数十年，现有的几何误差检测、辨识方法种类较多，能够为获取平动轴几何误差提供相应的理论指导。但目前这些检测方法还都依赖于高精高效的检测仪器和检测者的操作水平，误差的分解或者解耦过程也比较复杂；同时所有几何位置精度都是数控机床在静态或准静态状态时测量得到。由于零件加工时数控机床处于动态运动中，测量静态特性并不能完全反映数控机床的工作状态，进一步认识几何误差在机械加工过程中的理论和作用，无疑是非常重要的研究方向。2 近年来几何误差研究趋势分析随着对几何误差认识的不断增强，近年来研究趋势发生了明显的变化。梅雪松等将机床定位误差在机床冷态时称作几何误差，当机床工作时该误差称为机床热态时的热误差，提出数控机床的准静态空间误差研究应综合考虑各几何误差和热误差项，同时需要分析多误差共同作用下的机床精度影响效应。刘辛军等对三轴数控机床18项几何误差和21项几何误差建模方法进行了比对试验，证明21项几何误差的建模方法存在3项冗余角度误差项。杨婧等对当前数控机床几何误差研究现状进行了详细的总结和分析，指出数控机床几何误差、热误差、力误差、伺服误差等相互作用产生最终加工误差，目前这些误差相互作用机理不明，给误差测量与建模带来困难。章婷指出几何误差可分为几何运动误差和几何静止误差，前者由运动部件的运动引起，为运动参量的函数；后者是零部件间及其运动轨迹间的相对位置误差，该类误差值为常量；并进一步指出数控机床的动态特性与静态特性存在明显的差异，应该测量数控机床的动态几何误差并评价其动态特性。杜丽等的研究表明，S形试件可以综合复现机床的几何误差和动态误差，通过S试件加工误差对机床的动态特性进行溯源将成为机床动态误差检测的重要途径。Florussen G.H.J.等利用IBS公司商业化的Rtest检测工具，表明C轴的动态反向间隙严重影响了机床动态精度。Andolfatto L.等对影响刀具空间位置误差的主要因素进行了系统分类，将机床的动态误差定义为由于机床进给率、速度或加速度变化产生的动态力载荷作用下机械系统中产生的误差。Li B.等基于试验和运行模态测试，对机床进行了不同进给率条件下的模态测试试验，发现五轴机床的频率和阻尼会随着机床进给率发生变化。研究进一步指出，目前关于动态误差规律和特征的研究还都停留在定性分析和描述的阶段，未来很长一段时间内动态误差典型特征的数学化表达将是重点突破方向。从以上几何误差研究趋势分析可知，科研工作者不再满足于对传统的静态几何误差项测量和分解，认识到误差源具有随运动轴速度和加速度而变化的力学特性和时变特性，数控机床综合了机械、电气及数字等部件，每一部分的特性又与数控机床的速度、加速度、摩擦力、驱动力、机床振动等因素有关。这些因素都会影响数控机床的加工状态与加工精度，特别是在精密和超精密加工条件下，机床的动态误差因素已经成为影响机床空间定位精度的关键因素，因此需进一步认识几何误差项的相互关联性/误差的耦合和敏感度，加强对动态几何误差的研究。3 数控机床传动轴反向间隙在传动轴的设计制作过程中，数控装备都有预先预紧和消除间隙的装置，以消除传动过程中运动方向的改变产生的位置误差，也叫反向间隙误差（backlash error）。反向间隙对机床几何精度影响明显，反向间隙可以通过机床系统自带软件予以补偿，以提高机床的精度等级。刘强等基于激光干涉仪的多轴联动测量方法，对五轴数控机床旋转轴几何精度及反向间隙进行了测量，有效提升了机床的旋转精度等级。杜柳青等利用圆运动误差轨迹的图形，提取圆图形的特征角点，获取了反向间隙、周期误差等特征矩阵，实现了对数控机床误差的快速溯因。Jozef V-r-s针对反向间隙研究不足的现状，认为反向间隙具有刚性和动态非线性特性（a hard (i.e.non-differentiable) and dynamic nonlinearity），提出了分析动态非线性反向间隙的方法，并进行了实验验证和仿真分析。，Israel U.Ponce等对反向间隙在负载作用下引起的延时/振动/冲击（delays，oscillations，and impacts）进行研究，提出了一种跟踪力载荷信号兼顾外部干扰和测量误差，并具有一定鲁棒性的控制方法。，S.Hasanzadeh等明确提出反向间隙对各类机械结构和控制系统影响不容忽视，并通过实验和仿真分析了多关节机器人直线轴和旋转轴的结合面特性，给出了反向间隙参数识别方法，建立了反向动力学模型（inverse kinematics），并经补偿验证获得良好效果，明确提出需要进一步加大对反向间隙的动态力学特性研究。由以上分析可知，反向间隙广泛存在于机械/液压和气动各类传动中（直线和旋转），数控装备几何误差中包含了反向间隙的影响，并且经过系统自带的位置误差和反向间隙补偿后，可以直接将误差描述为空间位置的函数而不用考虑反向间隙的作用，这也从处于准静态工作的三坐标测量机的成功案例中得到了验证。对反向间隙的分析（尤其是对其动态特性的定量分析）更少；然而，数控机床的动态特性明显，反向间隙反映联接构建之间的相互关系，接触面的形式及接触面的刚度特性，具有动态延时/振动/冲击等特性，都将对动态几何误差产生显着的影响，其作用机理及影响机制尚不清楚；目前仍然延用准静态状况下的分析方法，已经成为制约数控机床的几何误差分析和补偿的瓶颈，对反向间隙动态特性研究是几何误差动态特性不可或缺的方向。4 小结对准静态几何误差和温度误差的测量和补偿取得了进展，几何误差和温度误差的综合补偿在三坐标测量机上得到了很好的应用，目前所有的三坐标测量机都有误差的自动补偿功能，极大地提高了测量机的精度。数控加工机床具有更为复杂的工作状态，数控机床工作状况动态特性明显，目前对数控装备的误差测量和补偿，本质上仍然沿用准静态环境下三坐标测量机的方法，严重制约了相关理论的发展，导致难以获得突破性的实际应用。数控机床几何误差(包括反向间隙)属于机床的原始性误差，数控机床的所有误差项都建立在此基础上，毋庸置疑是影响机床的关键因素。因此，对数控机床几何误差的再认识，尤其是对处于动态情况下的几何误差特性的研究尤其必要，相关研究还严重缺乏。综上所述，几何误差动态特性可以认为是在实际加工过程中，由机床零部件制造、安装或磨损误差等原因导致的机床实际运动轨迹偏离理想轨迹的性质。需从运动学、动力学等角度研究数控机床几何误差的动态特性，进一步推动数控机床动态误差补偿技术的发展，为提高我国装备制造业水平提供有力的技术支撑，几何误差的动态特性及相关内容将是重要的研究方向。原载《工具技术》 作者：刘焕牢书讯
▪
▪
▪
欢迎关注工具技术微信公众平台
微信公众号：gjjs1964
E-mail：toolmagazine@
toolmagazine@
论文投稿系统：
