数控机床的校准

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当需要严格考虑质量问题时，校准和补偿会直接影响周期时间。一台在精度指标范围内的机床可以高速工作并同时保持加工精度。校准允许进行工件在线检测，节约了工件在机床和三坐标测量机之间来回移动的时间。此外，定期校准还可以用来预报机床是否即将偏离精度指标。
以前操作激光校准仪器要求专业的计量人员。需要打开机床罩，这样可以在工作台、主轴以及独立的三角架上调整光学元件。空间校准的过程需要几天时间，这取决于机床的大小。因此，当工件经三坐标测量机测量是在公差范围内时，空间校准就显得不是那么必要了。
9 C; A2 s' p6 E5 E4 \+ D6 f" U# H随着技术的进步，目前激光校准设备的成本大大降低，比如美国光动公司（Optodyne）的产品，同时也不需要专业的计量人员及外部服务，机床停机时间也大大降低。一个受过一天激光校准培训的机械师能够在半天内完成1立方米机床的空间测量。软件可以自动写出补偿表并上载到机床的控制器。

                               
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图1 二个分离的激光头可以同步测量大型龙门机床的主动轴和从动轴的直线位移，且不受行程限制
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! `& @1 a. p/ I0 l7 M* x图2 显示了在二小时内进行分步对角线测量空间误差的过程，机床罩不需要打开
: C# p3 a' S1 o许多年来，在ASME B5.54或者ISO 230-6标准中定义的体对角线位移方法（BDDM）已经为许多厂商，例如波音等航空航天公司提供了一种快速检测空间误差方法。BDDM测量机床工作空间的四条对角线，产生四套包括所有误差的数据。但是，还不能提供足够的数据以鉴别误差的位置。
我们的新方法－－－－－－分步对角线测量法（SSDMM），同样是四条对角线设置，能收集12套数据。根据这些数据，可以测出三个位移误差、六个直线度误差以及三个垂直度误差，并不需要延长停机时间。此外，测量得到的定位误差可用于产生空间补偿表。图2显示了在2小时内进行分步对角线测量空间误差的过程，机床罩不需要打开。
SSDMM不同于BDDM，其x，y，z轴分别依次移动并采集到对角线的定位误差，提供了三倍的数据量，并能使每个轴运动的定位误差都可以测量得到。
6 a' h0 u! S, I* z5 E被测目标移动的轨迹并不是直线，其侧向移动较大。传统的干涉仪不能做这些测量，因为不允许有如此大的侧向运动。而单孔径的激光干涉仪比如激光多普勒位移计（Laser Doppler Displacement Meter）就不受大的侧向移动的影响。使用一平面镜作被测目标，平行于镜子的移动不会转移激光束，也不会改变从光源来的距离。
% ?7 x, b& W1 }8 _6 E预警维护（Predictive Maintenance，PDM）以及其他一些程序，例如机床可变性管理系统、可靠性及可保养性、失效模式及有效分析、全生产性保养等可以预测出机床失效（偏离精度指标）。通过比较用激光校准、振动分析以及红外温度记录等仪器收集到的当前和以前的数据，制成预报图表，以预报数控部分、滚珠丝杠、导轨及伺服电机等机床部件是否需要补偿、服务或者其他必须的修理。
一台精度等级为5.1 μ的机床每6个月要检查一次。假设在最近三次校准中，精度已经降下降了1.27μ， 基于以前这样的信息，可以预测，在6个月内进行校准是合理的。同样，振动分析可以披露主轴以及其他有问题的部件的信息，以确定是否需要保养或者修理了。
) z) ^# s  G( H: t5 Q- K; ~设立一个预警（PDM）程序需要一个长期的过程，首先要选择机床、校准技术以及收集数据。其次确定及采购校准设备。然后用以下基本步骤来建立PDM。
1．  监控机床情况
6 ]6 P# y& M# i/ N2．  诊断并确定问题所在
3．  数据分析，确定纠正措施
0 [( v6 d) r# y2 H8 [* H% b4．  通过综合精密测量系统及制造操作建立早期预警及预报。
7 |3 c/ |1 Q; q+ h7 z在细化以上可重复的基本步骤后，就可以确定可接受的性能以及精度水平。此外，必须
0 O7 l4 ]. C5 m, ^) l: k/ J测量并建立机床的基准线。机床的测量是有规律的，在指定的时间间隔中进行。经过分析，将保养以及维修预报与生产安排结合起来。
使用一有空间检测功能的机床在加工过程中检测工件可以大大减少周期时间并提高加工精度。在航空航天工业中，在线检测并没有得到发展，那是因为在加工工件的同一台机床上检测会出现与其相同的定位误差。因此符合ISO9000以及ISO17025要求的更新的激光校准技术和方法可以同时确保制造及质量保证计划，并使在线检测成为一种可行及可靠的方法。
例如，量规的精度要求是4:1，因此，数控机床的精度必须是所加工工件指定精度的4倍以上。为满足这个要求，在线检测的机床的精度必须要经过认定。一台经过空间定位误差测量的机床，其软件可以自动生成修正查找表，能够使在线检测软件补偿机床的空间定位误差。
/ q6 M$ D) o7 {: U- i6 j0 Z当用一台在线检测的机床时，用一适当的测头来代替刀具，以测量工件的尺寸。其空间定位误差可以列成误差表或补偿表，以使软件纠正所测量测头的位置。用了空间误差纠正，机床本身的几何误差及定位误差可以被消除，提供精确的尺寸测量。因此，满足了4:1量规的精度要求，使带有空间误差补偿的数控机床可以具有三坐标测量机同样的高精度功能。
( y  t7 L# Y7 c9 Q* K# [6 s" d文章关键词：