數控裝備的精度診斷

老鷹

洪邁生 江建鵬  曲征洪

    先進機械制造系統，多以NC機床、加工中心、快速成型機或機器人這一類可執行復雜軌
跡運動的NC裝備為構架基礎。能否生產和高水平地運行與維修NC裝備，已成為衡量工業先
進國家的標志之一。我國是機床擁有量超過300萬臺的大國和數控機床世界第三進口大國[m,
雖然總體上NC率甚低，但隨改革開放和社會生產力的發展，除自制外，近年來進口NC裝備
的費用達幾十億美元之多，廣東省機床數控化率已達12%,逼近了先進工業國家(美、日等)90
年代初的水平。在上海的一些汽車廠內，一個人操作三臺數控機床并不稀罕。國家經貿委已確
定的“現階段我國工業結構調整方案”表明:將“重點發展數控車床、加工中心、數控磨床、數控
鍛壓機床等”。
    眾所周知，出于現代生產中要求產品為“零缺陷”的需要，作為質量保證體系支柱之一的
“在線檢測與控制”，世界性的動向是由面向工件的“統計質量控制法(( SOC )”轉向面向裝備的
“直接測量控制法(DMC )"，而后者對裝備的“工況監察與精度/故障診斷”的要求更高。這顯然
是因為數控機床、加工中心和機器人一類的數控裝備，經常需要按指令使運動部件執行足夠精
確的運動軌跡控制，然而由于驅動—執行—反饋—伺服系統中不可避免的干擾以及制
造、調整誤差的存在，常使得實際執行的插補運動軌跡與理想的指令大相徑庭。越來越運行在
高速、高精度下數控機床的(復雜)運動(軌跡)誤差，直接影響著被加工對象的幾何精度。能否
確切地掌握該運動誤差，既是進行在線補償加工的必需，又直接關系能否精確地追溯機床各傳
動部件(含伺服系統)精度異常源或故障源，因此近20年來，先進工業國家始終不渝地在研究
適合現場測試數控機床運動誤差的快速、有效的方法和機理(含溯因機理)，試圖既避免使用費
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工費錢又難以溯因的雙頻激光干涉儀一類的儀器，又能以足夠的精度精確掌握(近似于理想
的)指令運動軌跡和實際執行運動軌跡的差異并能溯因。自80年代初起，美國的Lawrence
Livermore國家實驗室、Purdu。大學和NBS等，日本的京都大學、防衛大學和九州大學等，英
國的NPL,Cranfield大學和Manecheste:理工大學等以及其他一些國家和地區都相繼作了有
力度的投入〔z=,-fia=;由于早期I. B. Bryan(1982)`'-和W Knapp(198V'J研究成果的客觀導向作
用，在國際上基本形成了以規則圓軌跡誤差運動測試和溯因方法為主流的傾向，其主流代表就
是雙球規(DBB-Double Ball Bar)法，可說明其主流的顯著標志是:
    (1)國際標準化組織已在1990年把數控機床的圓軌跡插補運動測試方法補充人ISO-
231;
    (2)不少國家都將之投人商品化生產，如美國的API公司，英國的Renishaw公司和德國
的Hcidonhain公司，都各有自己的品牌的DBB法儀器和軟件出售，其用戶數遠遠領先于其他
方法，尤其以Renishaw的QC-10(獲英國女王獎)為最。但DBB法也有不足，主要是測量精
度有限，伸縮管的彎曲變形，球吸座間接觸狀態的細微變化等都影響測量結果，其綜合精度達
不到亞微米級，而且很難作小半徑圓插補運動的軌跡測量。進人90年代后，有關數控機床運動
誤差測試機理和方法的研究仍在深人，日本京都大學垣野、戶等歷經多年研究后率先發表了
敘述DBB法的專著(1993)的著作[E61 .防衛大學的奧山等則發展了全周電容((CBP)法[}93，可惜
可測半徑過小，且無柔性，傳感器也需專門制作，難以推廣;美國Flonda大學的John C Ziogert
等研制了激光雙球規并應用于數控車床)二，可惜依然做成接觸式的，沒有顯示出激光式的優
越性;1996年丘華等(九州大學戶二，姜明甥等(大宇重工少二分別發展了二連桿機構一角編碼
式法和四連桿機構一PSD法;1997年，我國臺灣新竹交大J- M.賴等從DBB法出發發展了診
斷數控機床導軌非線性建模分析法[Eli';同年韓國Kumoh國立技術大學的S. M.洪等也成功
地逆向反溯到運動誤差源，但所用的卻是基于早期W. Knapp的標準試棒一微位移傳感器一
編碼器法[121 ;Hem Jap Pank等(漢城大學，1997)則用DBB法試行了對數控機床的三維誤差無
量綱建模111}, 1998年韓國工業技術研究所H. D Kwon又和英國M. Burdekin一起改進了現有
的DBB結構[zi}
    國內除臺灣地區和我校外，直接在數控機床誤差測試理論和方法研究方面作出努力并有
所建樹的主要有天津大學的劉又午、浙江大學的吳昭同、西北工業大學的馬錫琪和四川工業學
院黎亞元等幾位教授所在的學科群體，前二者或在國家自然科學基金的資助下分別改進了
DBB的結構并取得了國內專利，或作為重點攻關項目檢測了21個分項誤差并進行了補償，后
二者也分別自行研制了雙球規和通過測雙向伺服電機瞬時轉角的辦法掌握“數控圓”山二，前三
者且都不同程度地展開了數控機床運動精度動態特性和補償的理論研究一’三一-Ih;有關三坐標
機和數控機床多維誤差測量和綜合的研究則更多.天津大學的張國雄、原上海機械學院的徐享
鈞等教授以及不少其它院校和研究單位都做了不少有益的工作L’9，勺·，對發展數控裝備運動誤
差測試理論和方法不無借鑒作用，限于篇幅，這里就不一一列舉了。問題在于，所有上述數控機
床運動誤差的各測試方法，要么需使用昂貴的激光雙頻干涉儀，要么必須使用專門研制的專用
儀器。且除CBP法外都大同小異，基本上都可視為1JBB法的各種變型，其基本思路都源于對
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三坐標測量機測量誤差的測試分析.因此都從靜態或準靜態著眼而做成接觸式的，而且即使非
接觸式的如CPB法，也都只能測試圓運動(含主軸回轉誤差和多軸聯動工作臺的圓軌跡插補
運動);引用多體系統的辦法雖然補償效果很好，但仍然不能直接追溯諸如平衡不良、雙向伺服
不一等“器質性病變”，直接接入ISO-231比對也不方便。如果不管機床系統誤差是大還是
小，也不管誤差來源是否正常，都一律地測出多少誤差就去補償多少誤差，則總有些治標之嫌。
不如借鑒“先治病，再強身”的理念，更積極地按’.測量一溯源一調整/維修一補償”即“先測得誤
差—按此追溯器質性故障或精度異常源—調整機床機電系統或更新機床部器件排除故障
或異常，使機床運行至高品質狀態，將機床運動軌跡誤差縮至盡可能地小—再對已縮小的誤
差進行可成倍提高精度的補償”，達到既治本又治標的目的，否則若機床因器質性病變導致運
行很不正常，則通常的微位移補償常常就難以見效!因此只有另辟蹊徑，通過新的測試診斷法，
找出系統軟硬件不良環節，把機床調整到最佳狀態，以成倍地減少異常源，使起始誤差盡可能
小后再去補償，適應日趨高速的數控機床運動誤差測試的需要。著名的日本牧野制作所推出的
MAKINO HYPER型CNC高效高精度模具加工機床，具有Micro FF (Flush和Fine
surface)新理念，其主軸轉速達32000r/min，進給速度高達16m/min，但在檢測時，因受上述現
存的主流方法所限，最高也只能做2m/min(對該機床還只是低進給速度)下的運動誤差測試
就是一個明證。(可資參考的是國外的SIMENSS80CNC系統的最大進給速度為60-100m/
min，國內無論是中華I型、華中I型，還是航天I型，藍天I型，快進給速度都可達24m/min),
而對高低不同進給速度下運動誤差數據的分析，正是評定機床性能/設定補充指令/追溯故障
源或精度異常源的前提。這也是為什么后者的成功率始終不及數控機床運動誤差測試方法本
身的原因之一。
    發展和研究數控裝備，無非是希望(1)能自主地研制出高水平裝備，(2)在引進時驗收好這
些裝備，(3)在使用時能最大限度地發揮其應有的性能，(4)能及時發現裝備的故障和精度異
常，并及時排除或維修之;鑒于進口的運動誤差測試手段和方法，或則只提供大類誤差，但不開
放數據，難以溯因并診斷出“器質性病變”(如Renishaw公司)，或雖則開放數據卻不提供診斷
軟件(如Heidenhain)公司，因此能不能發展有國內自主版權的運動誤差測試新方法，對上述四
個方面都有直接影響:這里且不談一般意義下某種優良測試方法在機電裝備生產/加工/裝配/
驗收和調試中不可缺少的作用，僅就維持該類裝備高品質運行下的開動率為例作些說明:筆者
在日本工作期間了解到，愛知縣豐田汽車廠無人化車間在組建沖壓模加工FMS由6臺加工
中心和輸送小車等組成)過程中，開展了數控裝備的精度和故障診斷，在不到半年的時間內，裝
備開動率從不到90寫迅速提高到80%以上，其中數控裝備的運動誤差測試與診斷起到了關鍵
的作用。作為對比，上海一些汽車廠的現裝備開動率為60 Yo ^-60%，如果在現有基礎上使其中
某一分廠的裝備開動率提高一個百分點，就相當于增產人民幣0.96-1億元(以年產25^30
萬臺發動機計)，其經濟效益非常顯著。京都大學的Kakino教授等，曾使用自研的數控機床運
動誤差測試和診斷法，對企業中包括特種加工機床、加工中心在內的二百多臺NC裝備進行了
運行監察與診斷，不是單純靠補償而主要是設法消除器質性病變，結果機床運行兩年后，其工
作精度不但未見下降，反而大都提高了一個檔次。這與國內通常都認為機床精度總是隨歲月而
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降低，不少(其中不乏有知名度的)企業出現的NC機床運行品質降低了還渾然不覺，或有所察
覺卻難以采取有力的消除器質性病變的針對措施相比，反差顯然不小。值得注意的是:通過檢
測工件或標準試樣，再作先驗型、經驗型的補償實際上一直在進行;更值得注意的是:上述豐田
汽車廠和KAKINO等，所采用的主要還是DBB法，對那時的數控裝備基本上還能適應。而高
質量運行的機床顯然有利于穩定地產出高品質的、有競爭力的產品。此外，只有能提供圓和非
圓復雜運動誤差臨床測試新方法，才能對復雜型面加工提供機床運動軌跡是否適配的最直接
的信息，才能對包括非機床在內的其它復雜運動(軌跡)誤差進行測試和對“器質性病變”溯因，
這是不言而喻的。如果能從硬的方面減小運動誤差，加上從軟的方面加以補償的辦法，則合力
的結果定能使我國數控機床的測試一診斷一補償技術站在世界的制高點上!為此，筆者不揣冒
昧，建議盡快進行下面的研究和開發:
    硬件方面研發可作較高進給速度下(20m/min );精度達“m級的圓和非圓(刀具—工
件)終端相對軌跡測試儀;
    軟件方面研發從“指令圓(和非圓)”經“數控圓(和非圓)”到“終端(圓和非圓)軌跡”三級數
據分析溯因“器質性病變”診斷軟件。

wongkakui

好貼，不過有好多地方不明白！慢慢研究吧！

tmac66

還不太懂 慢慢學一下

niniqiu2222

先回個繼續看，   

gaojian2008

理論性太強！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！