數(shù)控機(jī)床圓度檢測誤差分析

趙喆　楊明

摘 要：在如今的工廠中，數(shù)控機(jī)床早已經(jīng)成為精加工作業(yè)最重要的組成部分。但是無論多少精度的數(shù)控機(jī)床都不可避免有一絲絲的誤差，數(shù)控機(jī)床的誤差基本來自于制造和裝配過程中。圓度誤差是各種各樣的誤差中非常重要的一項(xiàng)數(shù)據(jù)，圓度誤差簡單來說是指回轉(zhuǎn)體在正截面相對于理想圓的變動(dòng)量，圓度誤差的多少對數(shù)控機(jī)床的功能有著直接而且重要的影響。該文根據(jù)在實(shí)踐中的種種經(jīng)驗(yàn)，對圓度誤差和圓度誤差檢測進(jìn)行基本的介紹和分析，希望該文能給需要經(jīng)驗(yàn)的人帶來或多或少的幫助。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床 圓度誤差 圓度誤差檢測

中圖分類號：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（a）-0054-01

1 數(shù)控機(jī)床與誤差

數(shù)控機(jī)床，全稱數(shù)字控制機(jī)床，是一種創(chuàng)于程序控制系統(tǒng)的高精度自動(dòng)化機(jī)床。數(shù)控機(jī)床相對于傳統(tǒng)的車床有著顯而易見的優(yōu)勢，數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化程度高、精度高、加工周期短、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等明顯的優(yōu)點(diǎn)。數(shù)控機(jī)床在21世紀(jì)的工廠中已經(jīng)占據(jù)了明顯的主體地位，并在機(jī)械制造業(yè)中尤其是高精度加工有的不可替代的決定性作用。數(shù)控機(jī)床是一種柔性的高效能的子自動(dòng)化機(jī)床，很大程度上代表了現(xiàn)代機(jī)床控制技術(shù)的發(fā)展方向，在未來必然會(huì)有更快更好地發(fā)展。

但是無論機(jī)床如何先進(jìn)如何昂貴，機(jī)床的誤差總是不可避免的。任何機(jī)床都會(huì)在機(jī)床的制造和裝配過程中造成一些細(xì)微的誤差。所以數(shù)控機(jī)床的誤差檢測的地位十分重要，對數(shù)控機(jī)床進(jìn)行誤差檢測要求能認(rèn)識到數(shù)控機(jī)床誤差產(chǎn)生的規(guī)律，從理論上和實(shí)踐上又要有一定的經(jīng)驗(yàn)，并且能夠知道一種或者多種的對誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，以確保數(shù)控機(jī)床的加工的高精度，充分利用起數(shù)控機(jī)床的高效率、高精度、短周期的優(yōu)點(diǎn)。

2 圓度誤差檢測現(xiàn)狀

圓度誤差，通常意義上指的是回轉(zhuǎn)體在正截面上的實(shí)際輪廓對比于理想圓的變動(dòng)量，數(shù)控機(jī)床的圓度誤差是一項(xiàng)對數(shù)控機(jī)床的功能和精度有這直接影響的重要數(shù)據(jù)。目前對圓度誤差測量的最常用最優(yōu)先手段是接觸測量。接觸測量具體分為兩類，分別是使用專用圓度測量儀器和使用傳感器采集數(shù)據(jù)的微機(jī)圓度測量系統(tǒng)。

國內(nèi)的測量手段主要是圓度測量儀，圓度測量儀是一種用于測量圓度誤差并具有精密回轉(zhuǎn)主軸的儀器。圓度測量儀從結(jié)構(gòu)上分為兩種，分別是轉(zhuǎn)軸式測量儀和轉(zhuǎn)臺式測量儀。前者是被測工件固定，測頭與零件接觸并旋轉(zhuǎn)，應(yīng)用于體型較大的零件；而后者是測頭固定，被測零件裝在回轉(zhuǎn)臺上旋轉(zhuǎn)，適合測量小的零件。

而使用傳感器的微機(jī)圓度測量系統(tǒng)的工作原理是利用傳感器的測頭與零件表面進(jìn)行接觸，經(jīng)過測頭測量出被測圓輪廓的半徑變化量，之后傳感器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號傳輸進(jìn)放大設(shè)備、濾波器、運(yùn)算器、微機(jī)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理。

具體而言，圓度誤差測量的常用方法的特點(diǎn)如下。

（1）傳統(tǒng)的測量方法操作簡單，設(shè)備便捷，但受到人為因素影響非常大，容易出現(xiàn)比較大的測量誤差，效率低，也不能保證百分百的在線測量。

（2）圓度儀、三坐標(biāo)測量儀測量精度較高，但是測量過程復(fù)雜而且成本極高，不適用于工廠等生產(chǎn)環(huán)境中。

（3）在線微機(jī)檢測系統(tǒng)，支持在線測量，而且精度較高，但是適應(yīng)性比前二者都差，目前只能做到接觸測量，所以適用范圍還比較窄。

總體而言，數(shù)控機(jī)床的圓度誤差檢測發(fā)展方向是基于計(jì)算機(jī)的處理技術(shù)的非接觸檢測方法的基礎(chǔ)。這種方法與傳統(tǒng)的圓度誤差檢測方法相比，雖然還處于初步階段，但是已經(jīng)展現(xiàn)了良好的發(fā)展前景，具體包括視覺檢測系統(tǒng)柔性度高，擴(kuò)展性適應(yīng)性良好；速度快，精度高，基本不受環(huán)境影響；非常適合在線檢測，能夠明顯精簡環(huán)節(jié)，促進(jìn)工作效率；成本低，使用范圍廣等等。

3 數(shù)控機(jī)床圓度檢測誤差

圓度誤差大多數(shù)會(huì)受以下幾種重要因素影響：（1）機(jī)床主軸的回轉(zhuǎn)精度的影響；（2）機(jī)床上面的夾具的影響；（3）加工的工件的影響，例如工件材料硬度等屬性的影響；（4）加工過程中外力的影響，包括夾緊力、傳動(dòng)力、慣性力等等受力因素；（5）加工零件的內(nèi)應(yīng)力影響；（6）加工工藝影響。圓度誤差是正截面上的輪廓對其理想圓的變動(dòng)量，通過半徑差來進(jìn)行計(jì)量。機(jī)械零件回轉(zhuǎn)表面正截面輪廓的圓度誤差對機(jī)床功能的影響是巨大的，所以在機(jī)床需要根據(jù)零件的功能性要求來給定一定范圍的公差。并且對加工完成的零件進(jìn)行必要的測量用以判斷是否將零件的圓度誤差控制在了理想范圍之內(nèi)。所以，測量回轉(zhuǎn)體零件的典型截面的圓度誤差是核查零件加工品質(zhì)的極重要指標(biāo)。

另一方面，被測實(shí)際要素對其理想要素的變動(dòng)量稱為形狀誤差。測量形狀誤差時(shí)如果被測實(shí)際要素與理想要素二者能夠完全相同，那么就表示形狀誤差不存在；如果二者有一些偏差，那么就表明存在形狀誤差，而實(shí)際要素的形狀誤差值就是該偏差的大小。前文已經(jīng)多次提到了圓度誤差的定義，那么深入剖析，在選擇理想圓是就應(yīng)該保證變動(dòng)量為最小值。測量誤差的出現(xiàn)是不可避免的，以為無論采取哪一種測量方法或者如何定義測量過程，都會(huì)受到計(jì)量器具和測量條件的限制。所以由于測量誤差的存在，測量值就只能近似的反映被測幾何量的值。所以研究人員的最終目的就是使得測量結(jié)果盡量接近于理想狀態(tài)，這就要求我們了解測量時(shí)出現(xiàn)誤差的影響因素。

（1）計(jì)量器具誤差。該誤差是計(jì)量器具在設(shè)計(jì)過程、制造過程、使用過程中因?yàn)榉N種因素造成的計(jì)量器具本身的誤差變現(xiàn)，這些誤差經(jīng)過累加作用最終表現(xiàn)在最終的測量結(jié)果上面，有很強(qiáng)的重復(fù)性。

（2）方法誤差。該誤差是指測量時(shí)方法的缺陷造成的影響，誤差可能是計(jì)算公式的錯(cuò)誤，可能是測量方法不恰當(dāng)，也可能是工件在放置和安裝時(shí)出現(xiàn)偏差。

（3）環(huán)境誤差。這種誤差變現(xiàn)為測量作業(yè)時(shí)受到實(shí)際環(huán)境的種種因素影響，包括現(xiàn)場的溫濕度、大氣氣壓和環(huán)境中的電磁場等等因素，其中溫度是對測量干擾最大的因素。

（4）人員誤差或者說人為誤差。該誤差是指測量時(shí)測量人員出現(xiàn)的測量食失誤，常見為測量瞄準(zhǔn)不精確，測量人員估讀等。

整體來說，數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，圓度誤差檢測技術(shù)的不斷提高也是必然的，而且隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的與日俱進(jìn)和微機(jī)圖像處理技術(shù)的不斷突破，非接觸在線圓度誤差檢測系統(tǒng)是必然未來數(shù)控機(jī)床圓度檢測的主要方式。所以為了加快的圓度誤差的測量技術(shù)的發(fā)展，對大型、長軸零件的圓度檢測方法的研究是必不可少的，而且對計(jì)算機(jī)視覺的圓度檢測技術(shù)的深入研究也會(huì)成為圓度誤差的研究方向和重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄒定海，葉聲華.用于在線測量的視覺檢測系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2014，16（4）：337-340.

[2] 周恒.微機(jī)在工件不圓度自動(dòng)測量中的應(yīng)用[J].基礎(chǔ)自動(dòng)化，2013，18（6）：50-52.

[3] 王玉榮，張應(yīng)昌.公差與技術(shù)測量[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2011.

[4] 潘淑微，曹永潔，傅建中.數(shù)控機(jī)床誤差檢測技術(shù)研究[J].機(jī)床與液壓，2012，36（5）：355-337.