球杆仪在数控机床中的应用
立式加工中心常用精度检测工具之球杆仪
立式加工中心常用精度检测工具之球杆仪我们都知道，立式加工中心是当今加工设备当中加工精度最高、效率最好、自动化程度最理想的加工设备，特备是立式加工中心配有刀库及自动换刀系统，可以在工件只需经过一次装夹的情况下，完成工件的铣削、镗削、钻削、铰削和攻丝等多道复杂工序，并且整个加工过程是机床本身自主完成，中间几乎无需人工干预，其加工所需的刀具都是由其自主完成更换的。
由此可以看出，立式加工中心具有较强的自动性和较好的复合加工功能。
立式加工中心除了具有以上较好的加工特性外，相对于其它加工设备来说，其加工精度要远远高于其它设备，当然，任何加工设备在长时间使用或由于保养不当都会影响其使用性能加工精度，那么，当立式加工中心需要检测和调整精度误差时，一般采用何种工具可以既好又快的检测呢？本文就简单介绍一下，立式加工中心常用的精度检测工具——球杆仪。
球杆仪检测工具球杆仪是用于立式加工中心两轴联动精度快速检测与机床故障分析的一种工具。
MT21无线球杆仪采用高精度可伸缩式结构及线性位移传感器，两端分别有一个精密球。
在使用中，精密球以机械定位的方式吸附在两个精密磁力碗座上，其中一个磁力碗座连接至机床工作台上，另一个连接到机床主轴或主轴箱上。
当机床按照预设定的圆轨迹运行时，可精确测量机床的真实圆轨迹并实时显示出圆半径值，然后将测量值与设定轨迹进行比较，即可对机床性能做出评估。
理论上，位置性能极佳的机床，其圆轨迹应该与设定的圆轨迹相贴合。
球杆仪主要用途1.机床精度等级的快速标定：通过在不同进给速度下用球杆仪检测立式加工中心，使操作者可选用满足加工工件精度要求的进给速度进行加工，从而避免了废品的产生。
2.机床故障及问题的快速诊断与分析：球杆仪可以快速找出并分析立式加工中心问题所在，主要可检查反向差，丝杠背隙差，伺服增益不匹配、垂直度误差、丝杆周期误差等性能，譬如机床发生撞车事故后，可用球杆仪检测并快速告诉操作者机床精度状况及是否可继续使用。
数控机床圆检验测量技术及应用
个输出的模型。
选取模型：
其中都是与无关的未知参数。
其中达到最小。
分别关于的偏导数，并令他们等于零，得到
化简得
经整理后，参数用矩阵表示为：
2热误差数据采集与建模
在重庆水轮机厂有限责任公司采用无纸记录仪和激光干涉仪采集某数控机床主轴旋转时温度与定位误差数适时设置激光干涉仪的环境参数，以保证检测准确性。
机床测量评定技术，具有非常显著的优势。
一是提高了测量的效率，在很短的时间内就能完成过去很大工作量的工作；二是提升了测量的精度，圆测法能够将检测误差控制。
球杆仪对数控机床精度检测分析
球杆仪对数控机床精度检测分析作者：赵艳妮来源：《价值工程》2018年第06期摘要：数控机床是一种高精度工业加工母机，为了保证数控机床的高精度，需要使用检测仪器进行精度检测与校正，本文讲述使用雷尼绍球杆仪对数控机床的精度检测及结果分析。
Abstract： CNC machine is a kind of high precision industrial processing tools. In order to ensure the high precision CNC machine tools， it needs to use the instrument of detection for precision detection and correction. This paper describes the use of Renishaw ballbar on CNC machine tool accuracy testing and results analysis.关键词：球杆仪；数控机床；精度检测；分析Key words： Renishaw ballbar；CNC machine tool；precision detection；analysis中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）06-0158-020 引言现代数控机床发展强调高转速、高进给率及具有高精密的切削加工，但常常由于机床制造间隙及使用过程中的一些问题会引起精度上的误差，因此我们在机床使用过程中我们常常就要用到球杆仪对数控机床精度进行检测。
球杆仪能快速、方便、经济地评价和诊断数控机床动态精度，适用于各种数控机床和立卧式加工中心等。
本文将对球杆仪对数控机床检测过程中经常出现的误差进行分析并提出解决方案。
1 反向间隙-负值（机器误差）1.1 案例介绍图1所示，有沿某轴线开始向图形中心内凹的台阶，随着机器进给率的变化，并不会影响负值反向间隙的大小。
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用球杆仪定期复验机床 27
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因此，周期性的检查机床工作性能并加以控制是保证质量，提高效率的有 效方法
球杆仪的性能
有助降低费用 定期使用QC10球杆仪可减少数控机床的维修量、停机时间和降低废品率。 易于安装 采用注册专利的中心定位方法，使安装调整方便快速。 快速检测 只需15分钟即可评估机床的性能。 操作方便 具有独特的数据采集和误差诊断软件。 预防性维修 通过定期检测，可以清楚的了解机床性能变化及何时需要维修。 指导机床的调整修理 独特的误差诊断软件，可以提示从何种方式入手来调整和修理机床。 主要符合的标准 国际标准ISO、美国国家标准ANSI、英国质量标准QS、ATA标准和GB/T17421.4-2003
激光干涉仪及球杆仪
激光干涉仪及球杆仪1. 同时测量线性定位误差、直线度误差（双轴）、偏摆角、俯仰角和滚动角2. 设计用于安装在机床主轴上的5D/6D传感器3. 可选的无线遥控传感器最长的控制距离可到25米4. 可测量速度、加速度、振动等参数，并评估机床动态特性5. 全套系统重量仅15公斤，设计紧凑、体积小，测量机床时不需三角架1、仪器应妥善地放在干燥、清洁的房间内，防止振动，仪器搬动时，应托住底座，以防导轨变形。
2、光学零件不用时，应存放在清洁的干燥盆内，以防止发霉。
反光镜、分光镜一般不允许擦拭，必要擦拭时，须先用备件毛刷小心掸去灰尘，再用脱脂清洁棉花球滴上酒精和乙醚混合液轻拭。
3、传动部件应有良好的润滑。
特别是导轨、丝杆、螺母与轴孔部分，应用T5精密仪表油润滑。
4、使用时，各调整部位用力要适当，不要强旋、硬扳。
5、导轨面丝杆应防止划伤、锈蚀，用毕后，仍保持不失油状态。
6、经过精密调整的仪器部件上的螺丝，都涂有红漆，不要擅自5D/6D标准型：1. 线性：0.5ppm .2. 测量范围：40米（1D可选80米）3. 线性分辨力：0.001um.4. 偏摆角和俯仰角的精度：（1.0+0.1/m）角秒或1%显示较大值5. 最大范围：800角秒6. 滚动角精度：1.0角秒7. 直线度精度：（1.0+0.2/m）um或1%显示较大值8. 直线度最大范围：500um9. 垂直度精度：1角秒10. 温度精度：0.2摄氏度11.湿度精度：5%12.压力精度：1mmHg球杆仪球杆仪是用于数控机床两轴联动精度快速检测与机床故障分析的一种工具。
它由一安装在可伸缩的纤维杆内的高精度位移传感器构成，该传感器包括两个线圈和一个可移动的内杆，其工作原理类同于使用LVDT技术的位移传感器。
当其长度变化时，内杆移入线圈，感应系数发生变化，检测电路将电感信号转变成分辨率为0.1μm位移信号，通过接口传入PC 机。
其精度经激光干涉仪检测达±0.5μm(在20℃)。
杂志文章-QC10球杆仪 回转轴 自动误差补偿
应用案例QC10球杆仪在机床生产和使用中的重要作用...............................丁国强 1 方便、快捷的数控机床检测仪器— QC10球杆仪........................王树杰 5 数控机床回转轴位置精度的自动检测............................................李玉文9 数控机床定位精度自动螺距补偿功能的应用..................................李玉文13《数控机床市场》2005年第8期QC10球杆仪在机床生产和使用中的重要作用丁国强上海Fadal机床有限公司装配部经理一、引言随着机床行业的不断发展，高效率和高精度已是业界的共识及共同追求的目标。
为保证实现这一目标，机床精度检测和诊断已成为当今世界研究的前沿课题。
Renishaw公司研发的QC10球杆仪是目前世界上同类产品中功能最强大的仪器。
它不但测量方便、操作简单、软件界面直观，而且全面和客观地揭示了机床内部的各种误差，真正起到了对机床进行精度检测、监控和故障诊断的作用。
笔者在多年的机床装配中，用Renishaw公司的QC10球杆仪对上海Fadal机床有限公司VMC 4020C交流数控立式加工中心进行检测，积累了一些经验，介绍给大家供参考使用。
二、QC10球杆仪简介Renishaw公司的QC10球杆仪是一种主要用于测量数控机床两轴联动精度的专用仪器。
该仪器由两端装有钢球，一端钢球固定，另一端钢球与一个可伸缩的高精度位移传感器所组成。
两个钢球两端借三点定位的磁性吸座进行定位，一端吸附在工作台上，另一端吸附在主轴上。
当工作台相对于主轴作圆周插补运动时，形成一个模拟切削的圆弧轨迹，传感器采集两钢球间距离（插补半径）的变化并传递给计算机，经软件诊断分析，得到两轴联动的圆度精度（也称工作精度）并分离出各种单项误差，如反向间隙、反向跃冲、伺服不匹配、比例不匹配、直线度、垂直度、周期误差以及横向间隙等。
基于球杆仪的数控机床几何误差辨识与建模
安徽理工大学学报(自然科学版). Joarnai of Andut Universitu of Science and Technoloyn(Naturai Science)Vol.01No.3Jan.0221第41卷第1期2221年1月基于球杆仪的数控机床几何误差辨识与建模杨洪涛1，，张宇1，，李莉1，，马群50,汪H831安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南232001；2.安徽理工大学矿山智能装备与技术安徽省重点实验室，安徽淮南232001合肥学院先进制造工程学院，安徽合肥230001)摘要:针对现有激光干涉仪的数控机床几何误差辨识与建模，操作过程复杂、建模效率低等问题，提出了一种新的基于球杆仪的数控机床几何误差辨识与建模方法。
利用三平面圆弧轨迹测量法和球杆仪对误差进行测量，建立了球杆仪读数与机床各平面内对应几何误差之间的辨识模型，实现了几何误差辨识，并建立了机床综合误差预测模型。
同时利用激光干涉仪建立比对实验装置，测量出机床的实际几何误差。
分别将利用球杆仪辨识出的几何误差数据和激光干涉仪测量的误差分别代入机床综合误差预测模型进行对比验证。
从对比结果中可以看出，利用两种方法建立的机床综合误差模型差别在3.0pim，可以满足机床误差补偿的要求。
关键词：球杆仪;几何误差辨识;综合误差预测模型；比对结果中图分类号：TG824文献标志码:A文章编号：1672-1098(2021)01-0018-06A Geometric Error Identification and MoPeliny ot CNC MacOinzT oo；Base)on Double Bali-OarYANG Honytno1^4,ZHANG Yu1，,LI LV^MA Quo1，,WANG Jun8(1.Schooi of Mechanicai Enyineeriny,Andut Universitu of Science and Technoloyn,Huainan Andut232001,China；2.Andut Key LaPoratorp of Mine Intelliyect Equipment and Technoloyn,Andut Universitu of Science and Technoloyn,Huainan Andut232001, China；；.Schooi of Advance)Manufacturiny Enyineeriny,Hefet University,Hefet Andut234001,China)Abstract:To solve the proPlems of the complicate)operation process and the low eOicieccy of yeomethe emu i-de)tiPcation and moPeliny of computee mimlcea oontroi(CNC)machine toois with the exishny Oner interferometers,a new methoP of yeomethe evor idenufication and moPeliny was propose)flu CNC machine toois Oase)on donUte Oalt-Oar.The idenufication moPel was estaplishe)of the p—aionship Oetvee)the donUte Oall-Oar reapiny and the cocesuondiny yeomethe emu in each plane of the machine tool with the three-plane arc trajectop measurement methoP and the donOte Oalt-Oar utilized to measure the eiror,realiziny the yeometPe error Identification and the estaplishmect of a compreCecsive evvr preCiction moPel of the machine tool and a comparison expe—mec-v C device with the laser interferometer use)to measure the actuaO yeomethe error of the machine V o U The yee-metee error data me)tme)by the douUte Odn-Oar and the ewr measure)by the laser interferometer were n-spectV—y suUstitute)into the compreCecsive evOT peniction moPel of the machine tool for comparison and veriV-catiou.Fnm the results,it is f ound that the O—wvc the tco is3.0pjn,which meets the re)uire-ments of the machine Vol error compensation.Key wora：:doaUle ban-bar；yeometrie error identificatiou；compnhensive error preCichou moPei;comparisou results收稿日期：2522-57-15基金项目：国家自然科学基金资助项目(51675054)；安徽高校自然科学研究基金资助项目(KJ2216A0344)作者简介:杨洪涛(1770-),男,畐建莆田人，教授，博士，研究方向:精密测试技术、仪器精度理论及应用。
基于球杆仪的五轴数控机床误差快速检测方法
基于球杆仪的五轴数控机床误差快速检测方法
焦安铃;陈光胜
【期刊名称】《仪器仪表学报》
【年(卷),期】2024(45)1
【摘要】几何误差是五轴数控机床重要误差源,针对传统测量方法仪器昂贵、测量周期长问题,提出基于球杆仪的五轴数控机床几何误差快速检测方法。
对于机床的平动轴误差,利用多体系统理论及齐次坐标变换法,建立平动轴空间误差模型,通过球杆仪在同一平面不同位置进行两次圆轨迹,辨识出4项平动轴关键线性误差;针对五轴机床的转台和摆动轴,设计基于球杆仪的多条空间测试轨迹,完整求解出旋转轴12项几何误差。
实验结果显示,所提方法获得转角定位误差与激光干涉仪法最大误差为0.001 8°,利用检测结果进行机床空间误差补偿,测试轨迹偏差由16μm降至
4μm,为补偿前的25%,验证了方法的有效性。
提出的五轴机床几何误差检测方法方便、便捷,适用于工业现场。
【总页数】11页(P138-148)
【作者】焦安铃;陈光胜
【作者单位】上海理工大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH39;TG80
【相关文献】
1.基于球杆仪检测五轴数控机床主轴的热误差
2.五轴数控机床转动轴误差元素的球杆仪检测方法
3.基于球杆仪的PRS-XY型混联数控机床关键结构参数误差快速检测技术
4.基于球杆仪的三轴数控机床热误差检测方法
5.球杆仪的三轴数控机床几何误差检测方法与误差补偿
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球杆仪在数控机床中的应用
摘要：随着数控技术的发展，对数控机床的加工精度要求也越来越高。如何
快速准确的对数控机床进行标定、故障诊断以及误差补偿，得到研究人员的高度
重视。本文通过介绍球杆仪的工作原理，分析了球杆仪在数控机床误差分析中的
应用。
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。
MT21无线球杆仪
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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
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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。
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误差分析报告
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。
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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。