数控机床几何误差测量研究现状及趋势

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1、研究现状及趋势米杜正春1，杨建国1，冯其波2(1．上海交通大学机械与动力工程学院，上海200240；2．北京交通大学理学院，北京100044)【摘要】数控机床作为现代制造加工业的“工业母机”，是衡量国家制造业的重要标志。随着技术的发展，对机床加工精度的要求越来越高。因此，我国数控机床精度和精度保持性面临着严峻的挑战，如何快速准确测量数控机床的各种误差成为该领域的一个研究热点和重点。首先从测量仪器角度以及测量策略研究角度回顾了数控机床激光干涉测量、激光跟踪测量、空间体积误差测量、球杆仪测量、平面光栅测试、R—Test、标准件测试等主要几何误差综合测量方法。并对热误差、力

2、误差等相关研究做了简要回顾。在此基础上，分析了当前数控机床误差测量面临的主要挑战以及下一步的发展趋势，为国产数控机床误差测量方法与技术发展提供了建议。关键词：数控机床；几何误差；误差测量；误差补偿DoI：10．160808．issnl671-833x．2017．06．034饿。∥蠢杜正吞工学博士，主持／承担国家自然科学基金2项、自然科学基金重大仪器研制专项1项，国家04科技重大专项课题2项。主参国家973计划，科技支撑计划等国家、省部级项目10余项。+基金项目：国家自然科学基金资助项目(51527806，51175343o34航空制造技术·2017年第6期机床制造业是

3、国民经济的“发动机”和“心脏”，体现了国家装备工业的实力，关系到国家的核心竞争力。数控机床作为现代制造加工业的“工业母机”，是衡量国家制造装配业的重要标志。为提升先进制造水平和国家核心竞争力，各国纷纷出台各种先进制造发展战略。2012年，美国国家科学技术委员会发布《国家先进制造战略计划》，同时启动了国家制造创新网络(NNMI)计划；欧委会于2009年9月正式将先进制造系统(AdvanceManufacturingSystem，AMS)作为欧盟6大关键势能技术之一给予重点扶持；我国政府于2006年发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)》和《国务

4、院关于加快振兴装备制造业的若干意见》(国发『200618号)，明确将发展大型、精密、高速数控装备列为重点支持发展领域，2009年设立了“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项，旨在提高我国数控机床的制造水平。从2002年起，我国就已成为世界第一机床消费大国和进口国，从2009年起，我国又成为世界第一机床制造大国。以2011年为例，我国机床产值276．8亿美元，占世界机床总产值的29．8％，机床消费额383．7亿美元，占世界45．1％，我国机床进口额130．7亿美元，占全世界35．0％，出口额为23．8亿美元，仅占全世界机床出口额的6．0％⋯。由此可以看出，我国是

5、一个机床制造大国，但还不是机床制造强国。在超精密、高性能机械加工等先进技术上，与世界先进水平尚有较大差距，高性能超精密加工设备一直依赖进口，成为我国制造加工业的一个瓶颈。Ⅲ。Mac№。酬未来机床随着现代高新技术的发展，对零部件的加工精度要求从微米级上升到亚微米、纳米级，出现了高精密、超精密加工技术与设备[21。机械加工按照加工精度可分为普通加工、精密加工、高精密加工和超精密加工【3]。普通加工精度能达到10～100I，tm，精密加工能控制在3-lOpm，高精密加工能控制在0．1～3“m，超精密加工能控制在5～100rim。20世纪80年代，美国LLNL实验室研制成功的

6、LODTM大型立式光学金刚石车床，主轴回转精度小于5lnm，加工精度可达28nm，至今仍然处于领先地位；美国MooreNanotechnologySystem公司生产的超精密金刚石车床Nanotech250UPL，控制系统采用激光全息式直线移动的全闭环控制系统，分辨率高达0．034nm，采用了基于PC和Windows的运动控制系统，线性编程精度为lnm、旋转编程精度为0．036”；沈阳机床厂于2014年2月研发的i5系列智能机床，控制精度达到纳米级，产品精度在不用光栅尺测量的情况下达到31．tin。图1为典型的几种国内外最高水平加工设备图片，表1为其精度指标。目前国际

7、上机床的发展趋势可以概括为一个中心(加工效率)和四项基本支持技术(高速、高精度、高可靠性和环保)，即国内外数控机床与加工中心的发展具有两大特点：一是向精密加工、超精密加工以及纳米加工的方向发展；二是向高速、高效率方向发展。因此提高三轴、五轴数控机床的加工精度是该领域面临的一个重大课题。误差防止与误差补偿是提高数控机床制造加工精度的主要措施和方法，也是国际上普遍采用。误差防止是通过设计、制造及装配途径减少数控机床的误差，是一种“硬件完善”技术，往往需要在较大幅度提高制造成本的基础上来提高机床的加工精度；而误差补偿法主要是通过测量获得数控机床的空间误差，