王俊雅，齐培红

浙江凯达机床股份有限公司，浙江 诸暨 311800

数控机床综合了自动化技术、伺服驱动、精密测量和精密机械等各个领域的技术成果，随着数控技术和数控机床的发展，数控机床的精度是机床的性能的一项重要指标，成为影响工件加工的主要因素，为了提高数控机床的加工优势，这就需要对误差进行快速识别和精确的修正，提高数控机床的精度。目前国内对于数控机床的精度检测的传统方法很难分析数控机床误差产生的来源，而且调试周期较长，严重影响了机床生产率和生产质量。球杆仪作为一种综合误差参数测量最有效的工具，很好的解决了这一问题。

1 球杆仪的工作原理

球杆仪主要由仪感器、磁性杯、磁性中心架、球节、磁性工具杯、球杆传递器等组成，由于固有的特点得到了广大用户的认可。球杆仪能够快速、方便、经济地评价和诊断数控机床的精度，适用于各种立卧式加工中心和数控车床等机床，具有操作简单、携带方便的特点。其主要的工作原理是将球杆仪两端的精密球体，一端通过磁体架固定在基础的工作台上，另一端则固定在机床的主轴上，然后测量两轴插补运动形成的圆形轨迹，为了保证得出理想的圆形轨迹，可以自己编制程序使机床作半径等于球杆长度的任一平面内的圆形运动，传感器检测出半径方向的长度变化，也能够检测出机器偏离理想轨道的偏差，然后将得到的数据进行优化，以能够帮助调试任一进行修正误差，改善机床的性能。

2 球杆仪的应用

球杆仪可以快速的找出并分析机床的问题所在，可以检测反向差、反向间隙、伺服增益、垂直度、直线度、周期误差等性能，保证机床的正常运行，在数控机床中得到了广泛的应用。

2.1 数控机床精度检测验收

对于机床制造商来说，利用球杆仪可以快速的进行机床出厂检验，并作为随机机床精度验收文件，目前球杆仪已被国际机床检验标准所采用，同时利用球杆仪可以方便地进行机床之间的性能比较，提示机床问题，建立机床性能档案。

2.2 机床切削参数的快速优化

为了保证数控机床的加工精度，可以在不同给进率条件下进行球杆仪检测机床，这样可以优化切削参数，提高切削精度，从而改进了误差，提高了产品合格率。

2.3 球杆仪的优点

球杆仪可以揭示机床精度变化趋势，及时提醒维修人员进行检查和维修，将影响机床加工的问题及时得到解决，提高数控机床的保养和维修水平；同时球杆仪软件可以进行机床误差的自动分析，提高检查维修的速度，并集中精力去解决。

2.4 机床动态特性检测和评估、分离故障源

球杆仪能够迅速查找机床出现问题的地方，主要检查反向跃冲、间隙、垂直度、直线度、周期误差、伺服不匹配、传动链磨损等。当机床出现问题时，球杆仪进行快速检查，可以确定机床是否能继续工作，并分析出现问题的地方，自动进行误差控制，方便维修人员快速定位故障点，提高解决问题的速度。

2.5 缩短新机床开发研制周期

利用球杆仪检测机床可以分析润滑系统、机床轴承等的选用对机床精度性能的影响，这样可以根据测试情况改变原配套件的选用和设计，从而缩短了新机床的研发周期。

3 误差分析

3.1 比例不匹配

在测量中，如果显示的图形为椭圆或花生形，这是由于比例不匹配，测量轴间出现行程差所引起的，而测量轴出现行程差的主要原因为轴的滚珠杠可能出现故障或过热，出现膨胀，导致丝杠螺距误差增大；还有一种情况就是如果机床存在角度误差，就会导致X轴和Y轴在移动时不能保持90°直角，导致倾斜出测试平面。

补偿方法：在进行误差检查过程中，一般采用误差建模→检测→补偿的方法来抵消存在的误差，由于数控机床加工零件时主要由各数控伺服轴的运动合成刀刃加工轨迹，因此首先要检查所有的线性误差补偿值是否准确；然后检查轴上带状光栅是否正确拉紧，检查滚珠丝杠是否工作正常，温度是否正常，如果出现问题或温度过高，要及时进行更换；做出检查后就可以在不同区域的多个平面内重复进行角度误差测试，通过检查这些图形是否出现变形，是否出现随测试位置离机器工作台面的距离增大而增加。

3.2 周期误差

数控机床在加工过程中，会存在按照频率、幅度发生周期性的正弦误差，这是一种常见的、不可避免的误差，分析其原因主要是由于轴滚珠丝杠使用时间过长，螺纹磨损，导致摩擦阻力增大，使得在运转过程中无法保证匀速，从而出现正弦运动方式；在数控机床安装时，安装人员没有将编码器安装到位，导致位置偏心；滚珠丝杠安装不到位，也会出现周期误差，导致偏心；如果细分装置或感应传感器未调整好，也会出现周期误差；当立轴上下运动周期误差只单方面的存在，机器的平衡机构会出现问题，导致图形受到影响。

补偿方法：首先要通过观察，确定是什么地方出现了故障，如观察图形是逆时针还是顺时针，这样可以鉴别到底是滚珠丝杠出现了故障还是平衡出现了故障。对于滚珠丝杠出现的故障，就要调整滚珠丝杠或安装编码器来消除周期误差；对于平衡机构出现的周期误差，就要调节数控机床的平衡来消除周期误差。

3.3 反向跃冲

当某一轴某一方向驱动，然后必须向相反的方向发生移动，在换向处机器不是平稳反向运动而可能短时的粘性停顿。这是因为该轴驱动施加的弯矩不够，造成在转换处由于摩擦力的方向发生变化而出现粘性停顿。

补偿方法：当机器的控制系统具有除尖峰能力时，可以在开启机器时利用该功能来限制反向跃冲的影响；在进行圆弧插补时，可以进行精加工，采用该找出的给进率。

4 结论

球杆仪能够快速获取数控机床的精度信息，准确检测数控机床的误差，并可查明机床误差来源，为数控机床的故障诊断及维护提供了可靠保障，与传统的工件试切检验方法相比具有不可比拟的优越性。在使用过程中，需要了解其工作原理，掌握球杆仪的使用方法，才能更好的予以运用，提高数控机床的工作性能，保证其加工精度。

[1]洪迈生.数控机床的运动精度诊断[J].机械工程学报，2002.

[2]刘焕牢.基于球杆仪数控机床误差补偿方法研究[J].机械工人，2007.