机床垂直度校准 | 白皮书
机床垂直度校准 | 白皮书
机床垂直度是衡量机床加工精度的重要指标之一。本文详细介绍了ISO230-1标准中规定的五种机床垂直度评估方法，包括机械直角尺和千分表法、机械直尺和分度转台法、光学直角尺和激光干涉仪法、圆测试法以及对角线位移测试法。通过模拟五台具有不同误差组合的机床，评估了各种测试方法的性能，并得出了相应的结论。
垂直度校准的基本概念
符号规约
ISO230-1标准推荐采用另一种符号规约：将一条机床轴定义为“基准轴”，另一条机床轴定义为“参考轴”，基于右手定则，将垂直度误差的方向定义为参考轴相对于基准轴的旋转。在上面的图2中，如果以X轴为基准轴，那么Y轴相对于X轴的垂直度误差为+ve。但是，如果以Y轴为基准轴，那么X轴相对于Y轴的垂直度误差就是-ve。为避免混淆，ISO230-1中还建议注明两轴的夹角大于还是小于90°！显然，在比较垂直度测试结果时，一定要了解所使用的符号规约。
倾斜度测量
虽然ISO定义了参考线相对于其对应的机床轴（X、Y或Z轴）的倾斜度，但在测量垂直度误差时，倾斜度通常是通过参考线相对于由基准标准件或激光光束所定义的正交线之间的偏差来测量的。最终结果是相同的；不过，标准件、分度器或光学棱镜可能会存在垂直度误差，因此在计算时需要纳入这些误差。如果误差未知，则可能需要反转参考基准，通过重复测量取垂直度结果的平均值。
全局性和局部性
如果基于机床轴的整个工作长度测试垂直度，那么该结果具有所谓的“全局性”。如果只针对机床轴的某一部分进行测试，那么得到的是“局部”垂直度结果。
五种机床垂直度评估方法
第1种方法 — 使用机械直角尺和千分表进行双轴直线度测试
这种方法需要先将机械直角尺与相关的机床轴名义上准直，然后使用线性位移传感器（如数显表或千分表），依次测量每条轴的直线度偏差。这种设置如图3所示，本文中将其称为“L”形配置。分别采集两条轴的直线度数据之后，（采用最小二乘法、端点法或最小区域法进行拟合）先计算每组数据的倾斜度（斜率），然后再比较两个倾斜度，即可得出垂直度误差。请注意务必沿用正确的符号规约，具体取决于直角尺和千分表的方向，以及各轴的正向方向。
如果还有可以配合使用的机械直尺，那么可以采用另一种“T”形布局，如图4所示。这种布局的优点是可以反转（即图4的左右镜像），通过这种反转技术可消除直角尺的误差。另一个优点是，这种布局适用于其中一条轴靠近机床工作区域中心的情况。请注意，当测量两条水平轴之间的垂直度时，通过相应地旋转设备，即可在四个不同的方向（0°、90°、180°或270°）上采用“L”形和“T”形配置。然而，如果其中一条轴是垂直轴，则只能在两个方向（0°和90°）上采用“L”形配置，或者在一个方向(180°)上采用倒置的“T”形配置。下文的模拟中会详细介绍这里提到的不同方向。
第2种方法 — 使用直尺、千分表和分度转台进行双轴直线度测试
这种方法需要在角度分度器上安装机械直尺。测量第一条轴的直线度偏差之后，利用分度器将直尺旋转90°，以便测量第二条轴的直线度。这种设置如图5所示，本文中将其称为“十”字形配置。垂直度的计算方法与第1种方法相同。这种方法的优点在于，它适用于两条轴都靠近工作区域中心的情况。但是，它依赖于精密分度器，而且精度必须高于所需测量的垂直度的精度。
第3种方法 — 使用光学直角尺和激光干涉仪直线度测量镜组进行双轴直线度测试
这种方法采用激光干涉仪系统（例如雷尼绍XL- 8 0激光干涉仪），配用直线度测量光学镜组和光学直角尺。这些设备可以设置为“L”形或“T”形配置（取决于机床配置）。“L”形配置如图6所示，常用于测试两条水平轴之间的垂直度。这种设置的工作原理如下：直线度反射镜在空间中投射出一个光学直尺边，再利用光学直角尺将其转向90°。然后，利用直线度干涉镜测（显示）与光学直角尺的两个直尺边之间的直线度偏差。图6中的直线度反射镜和光学直角尺与图3中的机械直角尺之间具有直观的相似性。它们都有一样的“L”形参考线。图6中利用直线度干涉镜与光学直角尺的直尺边测量两轴之间的直线度偏差，图3中利用线性位移传感器与机械直角尺的直尺边测量两轴之间的直线度偏差，这两种方法是相同的。
如图7所示，机械直尺配用千分表和直线度反射镜配用干涉镜之间具有直观的相似性，雷尼绍的白皮书《TE325— 激光干涉法直线度测量及其在移动工作台上的应用》对此做出了详细说明。同样地，当测量两条水平轴之间的垂直度时，根据机床空间的限制，通过相应地旋转设备，即可在四个方向（0°、90°、180°或270°）上采用“L”形配置。下文中模拟了在所有四个方向上采用“L”形配置的情况。此外还可以增设转向镜和大角锥反射镜来重新布置所有组件按“T”形配置进行测试，
如图8a和图8b所示。如果其中一条被测轴是垂直轴，则往往采用这种配置。水平轴用激光头、直线度干涉镜和反射镜进行测试，如图8a所示。垂直轴则用转向镜、光学直角尺和附加的大角锥反射镜进行测试，如图8b所示。请注意务必确保，在测量两条轴之间，直线度反射镜的准直不应发生改变，因为反射镜是完成两次测试的参考基准。同样地，图8 a和图8 b所示的采用激光干涉镜获得的测量结果，与图4所示的采用机械直角尺获得的测量结果之间具有直观的相似性。
垂直度结果的计算方法与第1种和第2种方法完全相同；但是，由于存在制造公差，通常需要对光学直角尺的细微角度误差（通常称为“棱镜误差”）进行修正。用户输入“棱镜误差”值之后，分析软件就会自动应用该修正。激光测量的优点在于，它可以轻松地在大型机床上进行全局性垂直度测量；而机械直尺和直角尺可能并不适用于这种应用场景，因为这样的测量过程过于繁琐或费用高昂，而且它们本身的重量还可能会导致机床结构发生机械变形。
第4种方法 — 圆测试
对于能够在数控系统的控制下进行精确圆弧插补的机床，可以使用伸缩式球杆仪（例如雷尼绍QC20球杆仪）执行动态圆测试，以确定机床的垂直度，如图9所示。ISO230-4中介绍了这种测试方法。对机床进行编程设定，使其以低进给率沿360°圆形轨迹（如红色虚线所示）运动，先顺时针运动，然后再逆时针运动。伸缩式球杆仪的一端连接至圆心处的机床工作台中心座，另一端连接至机床主轴上安装的中心座。当机床绕圆运动时，球杆仪内的传感器会测量半径的变化，并生成一条误差轨迹（如红色实线所示，图中有所夸大）。如果存在垂直度误差，则球杆仪通过顺时针和逆时针运动生成的平均误差轨迹会呈椭圆形，如图所示。通过对比45°对角线（即椭圆的主轴和次轴）的长度，便可估算出垂直度误差。雷尼绍的球杆仪图形诊断软件能够运行大量计算，将垂直度误差与机床可能存在的任何其他误差（如反向间隙、伺服、比例不匹配、周期和直线度误差）区分开来，从而确保垂直度结果不受这些误差的影响。雷尼绍软件还可通过部分圆弧测试（低至220°）估算垂直度。
球杆仪测试的优点是快速、简便。球杆仪测试的速度快意味着垂直度结果基本不受环境变化（如热变化）的影响，而其他测试方法却难免受到环境变化的影响。此外，还可以使用加长杆来改变测试半径，半径范围达到50 mm至1000 mm，因此可测试各种尺寸的机床。球杆仪可沿机床各轴在多个位置进行测试，并对所有结果取平均值，因此可评估各轴轴长明显不等的机床的垂直度（本文末尾详细介绍了这项技术）。如果机器（比如坐标测量机(CMM)）不能进行圆弧插补，则可以使用雷尼绍的坐标测量机空间精度检测规(MCG)执行测试，如图10所示。此外，在小型机器上，还可以使用雷尼绍测头和环规进行测试。
第5种方法 — 对角线位移测试
最后一种评估机床垂直度的方法需要采用激光干涉仪系统（例如雷尼绍XL-80激光干涉仪）配用线性光学镜组，以测量两条对角线的长度，如图11所示。ISO230-6中介绍了这种测试方法。通常，先对激光头进行准直，以便测量第一条对角线的长度。然后，重新准直激光头，再测量第二条对角线。最重要的一点是，在测试过程中，每条轴的移动部分对于两条对角线都是相同的，并且消除任何反向间隙的影响；最好在两个方向上测量每条对角线的长度，然后取平均值。同样重要的一点是，两条对角线必须一个接一个立即测量，以尽可能降低发生热变化的可能性。在小型机床上，还必须确保将激光头与对角线精确准直，以尽可能减少余弦误差。
我们来看一下如何在XY平面中进行测试，如图11所示。假设X是编程设定的X轴行程长度，Y是编程设定的Y轴行程长度，则垂直度（单位为弧度）表示为：垂直度= D0(D1-D2)/(2XY)其中，D0是对角线名义长度，D1和D2是对角线实际长度。如果X=Y，则该方程式可简化为：垂直度= (D1-D2)/ D0这种测试方法的优点是快速简便，非常适用于大型机床和长宽比不相等的机床。如果其中一条轴是垂直轴，那么设置就会稍微复杂一点，可能需要增设转向镜和旋转接头。由于垂直度结果只基于两个激光距离读数进行计算，如果机床的重复性较差，那么就可能需要重复测试，以获得良好的平均值。或者，可以在每条对角线上的多个位置采集数据。将测得的位移量与编程设定的位移量进行比较。然后，将每条对角线的线性误差数据通过最小二乘法拟合出一条直线，再比较两个斜率，最终确定垂直度误差。根据ISO230-1和ISO230-6的建议，本文中基于两条对角线的总长差异来确定垂直度误差。
机床误差模拟
为评估不同的垂直度测试方法的性能，我们模拟了五台具有不同的垂直度、直线度和扭摆误差组合的机床，如图12所示。假设所有五台机床的X轴和Y轴长度均为800 mm，这种模拟方式只考虑XY平面的变形（不过所得到的结果一般也适用于其他两轴组合）。图12中的蓝线表示每台机床的XY平面变形情况，我们将其放大了2,000倍，然后叠加在无变形的方格网（每格边长100 mm）上。
所有五台机床的基础全局性垂直度误差均为+15μm/m。在此基础上叠加X轴和Y轴的各种直线度误差和扭摆变形误差组合。请注意，如果包含扭摆变形误差，那么该误差量通常与该轴的直线度误差相关（假设机床是刚体机械结构，详情请参阅附录I）。另请注意，直线度误差并不一定会引起机床XY平面的角度变形，这取决于机床的运动机械构造（机械结构链）。这也是为什么模拟中包括各种直线度误差组合，分别包含或不包含相关的因扭摆引起的变形。如果由存在直线度误差的轴支撑着工件夹具，那么，该轴所产生的扭摆可能会使工作空间变形，如机床3和5所示。然而，如果存在直线度误差的轴仅支撑着刀具，那么即使存在扭摆误差，也不会造成机床XY平面产生角度变形。我们特意挑选了这些误差组合，以强调在全局性垂直度误差的基础上叠加各种角度误差和直线度误差时（这些误差会造成局部垂直度变化），各种测试方法产生的不同反应。我们重点关注机床3和5，因为虽然它们包含不同程度的因扭摆引起的变形，但它们的局部和全局性垂直度变形是一致的，都是15μm/m。
总体结论
本文研究了ISO230-1对两条线性运动轴之间垂直度的定义，以及用于测量垂直度的各种测试方法。通过模拟各种测试方法，比较了这些方法在机床轴存在各种直线度和扭摆误差组合的条件下的性能。
这些模拟表明了以下几点：
- 通过ISO230-1标准所述各种垂直度测试方法得出的结果，因所用的测试方法、在机床工作区域内的测试位置及测试设备的方向而有所不同。
- 利用球杆仪、激光对角线测试法和“十”字形双轴直线度测试法在所有条件下得出的结果均相同。然而，如果机床的工作区域内存在因俯仰或扭摆引起的角度变形，那么采用“L”形和“T”形双轴直线度测试会得出不同的结果，而且这些结果还会因设备方向而异。
- 请注意，这些结果并不是“错误”结果，它们只是采用了不同的参照系。因此，在比较不同系统的垂直度结果时务必谨慎。如果测试位置或测试方法不同，则结果也可能不同。此外，还需要考虑符号规约和参考线拟合方法之间的差异。
- 如果对机床工作区域的对角或对边重复进行“L”形或“T”形双轴直线度测试，然后对得出的全局性垂直度结果取平均值，那么该平均值会更接近于利用球杆仪、激光对角线测试法或“十”字形双轴直线度测试法得出的结果。
- 对于轴长不等的机床，使用多次球杆仪测试得出的垂直度结果取平均值，可以估算全局性垂直度。
- 由于俯仰和扭摆误差会导致垂直度测试结果因测试方法、测试位置和设备方向而异，因此在执行空间误差补偿时需要谨慎对待垂直度误差。附录II中详细介绍了这一点。作为补充，下图是针对ISO230-1标准中介绍的各种全局性垂直度测试方法列出的“星级评价表”。此表依据的是上述各项模拟的结果，同时结合了每种方法的主要特点和局限性。
参考文件
- ISO230-1:2012《机床测试规范 — 第1部分：机床在空载或准静态条件下运行的几何精度》
2.雷尼绍白皮书《TE325— 激光干涉法直线度测量及其在移动工作台上的应用》 - ISO230-4:2005《机床测试规范 — 第4部分：数控机床的圆测试》
- ISO230-6:2002《机床测试规范 — 第6部分：体对角线和面对角线位置精度的测定（对角线位移测试）》