圖1  在機床運動的空間內隨機選（xuǎn）取200～400個參照點（diǎn）

  
 　　使用空間（jiān）誤差補償的方法對大型機床工作（zuò）時產生（shēng）的誤差進行修正已經（jīng）在理論上被證實為是減小機床定位誤差的（de）有效方法。使用這種方（fāng）法可以通（tōng）過生成（chéng）機床整個工作（zuò）過程的（de）誤差參數來全麵了解機（jī）床工作（zuò）時在精度上的（de）偏差，從而生成補償參數，並將補償參數輸入機（jī）床控製係統從而（ér）對機床現有的定（dìng）位誤差（chà）進行實（shí）時糾正。而現代大（dà）型機床（chuáng）也（yě）在技術上支持這種空間誤差補償的操作方法。　　

      21項（xiàng）誤（wù）差補償法是被公認的傳統機床的校準方法。以結構（gòu）較簡單的普通3軸（zhóu）機床為例，這種（zhǒng）方法需要使（shǐ）用激光幹涉儀（yí）對機床（chuáng）的每個軸（X、Y、Z）分別進行測量。而在（zài）進（jìn）行這些測量之前，需要對測試儀器做大量的（de）安裝調試，以便（biàn）使（shǐ）幹涉（shè）儀（yí）的（de）激光束與機床相吻合，且對（duì）於每個軸的測量（liàng），都（dōu）需要重新調整激光幹涉儀的位置，並運行各自（zì）的測量步驟（zhòu）。如此，便耗費了大量的時間，使機床閑（xián）置，導（dǎo）致生產力的下降。而且由於激光幹涉儀工作時間過長（zhǎng），還要將熱（rè）漂移的因素考慮在內。　　

      每一個線性軸都會產生6個誤差參數（即線性定位誤差、水平直線度（dù）誤差、垂直直線（xiàn）度誤差、俯仰角、偏擺角、滾動角（jiǎo））。通常來（lái）講（jiǎng），為確保測量的精度及數據的準確性，需要（yào）對每個線（xiàn）性（xìng）軸上的6個可能（néng）發生的（de）誤差參數各進行（háng）2次測量。從而，至少要進行36次測量（liàng），才可以收集到18個誤差參數；再加上三個軸兩兩之間（X到Y，Y到Z，Z到X）的垂直度，就可以得到21項誤差參數。接下來，根據收集到的誤差參數就可以分別確定對於各（gè）個軸的補償參數。完成這一過（guò）程，通常需要進行幾天甚至是幾周的測量，而測量期間內（nèi）由於天氣的不同以及晝夜溫差導致的溫度（dù）變（biàn）化也會對測（cè）量結果有較大影響（xiǎng）。　　如果在測量中使用API最高配置的XD6型激光幹涉儀，便可以在一（yī）次測（cè）量中得到一（yī）條線性軸（zhóu）上的6個（gè）誤差參數（shù）。在同樣測量3軸機床（chuáng）的情況下，便將（jiāng）通常需進行（háng）的36次測量（liàng）減（jiǎn）少到（dào）了6次，從而大幅縮減了測（cè）量時間。然而，即便使（shǐ）用XD6型激（jī）光幹涉儀進行測量（liàng），仍然不能在不安裝輔助儀器的（de）情況（kuàng）下對垂（chuí）直（zhí）軸的滾動角進行測量。此外，在測（cè）量結構較為複雜的5軸、6軸機床時，熱漂移現象仍會帶來不（bú）可忽視的影響。　

    　高精（jīng）度（dù）的VEC技術　　

       空間誤差補償技術（VEC）的使用較（jiào）其他機床標定方法更為簡單且精確度更高。由於（yú）VEC技術的測量（liàng）是在（zài）一個整體的坐標係中完成，而不是像其他技術（shù）那樣要分別對（duì）機床（chuáng）的每一個軸（zhóu）進行測（cè）量（liàng），所以隻需（xū）一次安裝檢測（cè）儀器，便可以對從較為簡單（dān）的3軸機床到結（jié）構複雜的6軸機床進行精確的測量；且激光跟蹤儀對機床運行的整個過程進行跟蹤測量，所以測量所得結果與機床實際運動（dòng）軌跡完全吻合，從而達到極高的測量精度。使用VEC技（jì）術在幾個小時內就可以（yǐ）完成（chéng）對6軸大型機床的測量，較傳統方法大幅縮短了時間，從而解決（jué）了大型機床標（biāo）定過程時間（jiān）過長的問題。而且這樣（yàng）還能將熱漂（piāo）移對測量精度的影響降到最低。　

     　配合軟件自動計（jì）算出誤差補償值，進行核實後上載（zǎi）到機床控（kòng）製器，從而對機床（chuáng）進行實時誤差補償。經實驗證明，使用VEC空間誤差補（bǔ）償的方法校準過的機（jī）床比一般方法校準的機床精度高出4倍以上。

圖2  每個待（dài）測的參照點與其前一個被測量的點之間都會形成一個杆狀的（de）連接，

隨著（zhe）測量進程的發展（zhǎn），所連接的點就（jiù）越多
 　　 

      空間誤差補償（cháng）技術（VEC）的數據計算方式是基於切比雪夫多項（xiàng）式（Chebyshev Polynomials）演變而來。API獨有的測量軟件計算出多項式的運動學方程來描述機床運動時產生的不同誤（wù）差，從（cóng）而對機床運動空間內的任何坐標上的誤差進行精準補償。　　

     使用VEC技術（shù）的第一個步驟就是建立VEC機床（chuáng）模型。應用機床的CAD模型，根據不同機床的特征建立運動誤差模型。根據建立的運動誤（wù）差（chà）模型，API的測量軟件會計算並提供出（chū）一個測量路徑的最佳解決方案，並避免（miǎn）與機床運行過程中有可（kě）能關聯到的物體，例如固定裝置、夾具等相（xiàng）衝突。利用這種（zhǒng）計算方法，可以使帶有複雜結構（gòu）的機床（如帶旋轉軸的機床和6軸機床等）的測量標定變得像標準3軸機床一樣簡（jiǎn）單。

      API測量軟件（jiàn）計算出的測量路徑可以（yǐ）避免測量過程中可能發生的部件相互碰撞的情況。而這一（yī）測量路徑是如何得出的呢？方法（fǎ）就是：在機（jī）床運動的空間（jiān）內隨機選取200～400個參照（zhào）點（圖1），將機床在這一運行空間內每（měi）個軸上的所有可能形成的姿態（tài）進行模擬，從（cóng）而根據這一（yī）數（shù）據來計算出最終的測量路徑。測量時，機床主（zhǔ）軸會（huì）沿著預（yù）先設計好的路線進行運動，與此同時，API的T3激光跟蹤儀發射（shè）出的激光束將會始終（zhōng）跟（gēn）蹤固定在（zài）位於機床中心點機床主軸上的API Active Target活動（dòng）靶（bǎ）標（biāo），對機床運行的完整路線進行測量。由於測量軟件已為測量設計出了（le）最佳路線，所（suǒ）以在測量過程中絕不會發生（shēng）碰（pèng）撞事件，也不會因為主軸的運動遮擋了激光束而（ér）中斷測量。　

    　實際測量中，無論機床的大小和結構（gòu）複雜與否，整（zhěng）個測量的過程會在1～3h之內完成。由於API的T3跟蹤儀在設（shè）計上的緊湊性、便攜性、高複合性（xìng）以及測量範圍極廣的特性（xìng），在（zài）測量時，T3激（jī）光跟蹤儀既（jì）可以被安裝（zhuāng）在機床上，也可以被安置於機床之外。而Active Target活動靶標則被安裝固定在位於機床中心點的機床主軸上。Active Target實際上是一（yī）個機動化（huà）的SMR，其特有的內置反射（shè）鏡進行不間（jiān）斷的轉（zhuǎn）動，從而可以在移動中始終（zhōng）鎖定T3激光跟蹤儀發射（shè）出的激光束，不會將激光束跟丟。測量時，每當機床（chuáng）運行到一個新的測量點就會停頓3～4s，使機床完成休整並穩定在其所應到達的位置，T3激光跟（gēn）蹤儀會在這一間隙對這個參照位置實施30～100次的測量。當計算出測（cè）量（liàng）數（shù）據的平均值，便（biàn）會反射信號至機床，使其移動到下（xià）一個（gè）待測位（wèi）置。　　

        整個過程需要對（duì）待（dài）測機床進行三次測量（圖2）：第一次測量時應使（shǐ）用一個稍長（zhǎng）的適配杆用來固定Active Target；第（dì）二次重複第一次的過程，以便核（hé）實、檢查數據的準確性；第（dì）三次，也（yě）就（jiù）是最後一次則（zé）應使用一個較（jiào）短的適配（pèi）杆固定Active Target進行測（cè）量。這（zhè）個（gè）過（guò）程不僅僅是簡單的三次測（cè）量，實際（jì）上，使用長短不（bú）同的（de）適配杆固定（dìng）Active Target進行測量，為（wéi）每（měi）一個待測的參照點生成了向量。使用這（zhè）種方法既可（kě）測得位置參數，又可以測得方向的數據。其原因在於（yú）：每個（gè）待測的參照點與（yǔ）其前一個被（bèi）測量的點之間都會形成一個杆狀的連接（jiē），隨著（zhe）測量進程（chéng）的發展，所連接（jiē）的點就越多，而這樣（yàng），通過200～400個隨機參照點，就形成了點雲（Point Cloud），而不是簡單的三個平麵。　　通過這些向量（杆狀連接）可以確定機床運動空間中的（de）每一個（gè）點，並通過上萬次的計算得（dé）到這些參照（zhào）點的位置參數（X、Y、Z）以及（jí）方向參數（如俯仰角、偏擺角、滾動（dòng）角）。接下來，軟件將會根據測得的參數計算（suàn）出補償（cháng）值，將補償參數儲存，以便上傳至機床的控製係統，在機床實際作業中進行空間誤差的（de）補償（cháng）。

  　　數據的驗證　　

      當參數數據收集完畢（bì）後，需要使用K倍交叉驗證法（K-Fold Cross-Validation）來驗證（zhèng）、核實收集數（shù）據的準確性，之（zhī）後才能將數據上傳到機（jī）床的控（kòng）製器進行實際補償。K倍交叉驗證法的過程是：首先將收集來的（de）原始數據分成K數量的二級數據樣本；其次，在K數量的二（èr）級數據樣本（běn）中保留（liú）一個數據樣本作為（wéi）參照數（shù）據，用來測試其他（K-1數量的）數據（jù）是否準確（què）；最後將這一測（cè）試（shì）過程重複執行K次，每（měi）一次從K數量的數據樣（yàng）本中抽選出一個作為參照數據，且參照數據不得重複。待K次驗證進行完畢後，軟件（jiàn）就（jiù）會自動計算出平均值，將所得數據（jù）儲存、待用。　

    　數據被核實驗證後，軟件係統會直接將驗證好的（de）數據傳（chuán）輸至機床的控製器。由此，機床每運動一次，補償數據就會對機床的運動誤差進行實時補償。　　有時，人們並不能及（jí）時（shí）發現機床工作時所發生的誤差，直到對其進行校準（zhǔn）時才發現機床已發生了很大的偏差；而使用VEC方（fāng）法可以對機床工作時發生的（de）誤（wù）差進行（háng）實時（shí）補償，完（wán）全不用擔（dān）心機床誤差無法被及時發現的問題了。　　經過理論的證明與實踐的證實，空間誤差補償方法（VEC）被認定（dìng）為是可以（yǐ）大幅度提高機床工作精度的實用方法。其測量（liàng）方法（fǎ）簡單，測（cè）量儀器安裝簡便，隻需對T3激光跟蹤儀以及Active Target活動靶標進行（háng）幾個簡單步驟的安裝就可以解決即便是結構複雜的大型5軸、6軸機床（chuáng）的調校工作，大幅度減（jiǎn）小了因儀器安裝等因素造成的額外誤（wù）差。VEC對機床的測量、調校貫穿於機床在其工作空間內（nèi）運（yùn）動的整個過程，所以使用VEC方法既可以對動態誤差（chà）進行實時補償，又可以測得機床運動時相關的幾何效應，從而對（duì）機床誤差（chà）實行更為精準的補（bǔ）償。此外，隻需幾（jǐ）個小時，就可（kě）以完成（chéng）VEC的整個工作（zuò）過程，這比（bǐ）傳統方法需要的幾天甚至（zhì）是幾周大幅提升了工作效率，為企（qǐ）業節省了時間成本（běn），且在提升效率的同時大幅降低（dī）了由於熱（rè）漂移因素所帶來的影（yǐng）響。由此可見（jiàn），VEC方法是值得（dé）信賴的，與傳統機床（chuáng）校準方法相比，VEC優勢更加突出。