空间精度测量技术是在机床上有效了解机床精度的技术之一。本文将简要介绍这种技术的好处，通过这种技术，我们可以分析机器空间中任何一点的误差，对机器精度进行估计，提前分析精度检验路径的精度，最后对机器进行补偿，以提高机器精度的性能。时至今日，这项技术仍然有一定的门槛。希望读者通过本文进一步了解这项技术。
直线轴几何误差与机构链的相关性
静态误差占机床所有误差源的70%，几何误差是静态误差的主要组成部分，可分为分量误差和位置误差。元件误差是指随着元件运动位置的不同，误差具有不同的误差值，可以看作是对应不同位置的误差函数，如：定位精度、直线度、俯仰、滚转、偏航。位置误差不随运动而变化，而是一个固定值，如：垂直度、旋转中心误差等。
五轴机床一般包含三个直线轴和两个旋转轴(包括一个旋转轴和一个倾斜轴)。在线性轴部分，由三个线性轴组成的坐标系包含三个由垂直度引起的位置误差，每个线性轴包含六个自由度的分量误差。因此，由三个线性轴组成的坐标系包含二十一个误差。另一方面，一个旋转轴上有5个位置误差和11个6自由度部件误差(定位精度、两个方向的直线度、PITCH、ROLL、YAW)，因此五轴机床包含21个线性轴误差加上22个两个旋转轴误差，共有43个误差。
在空间精度误差的来源中，除了原始零件质量和加工装配工艺造成的定位精度和直线度外，运动角度是一个关键因素(PITCH、ROLL、YAW)。从图1可以看出，当X轴运动过程中出现角度误差时，在不同的Z位置会影响定位精度，这种影响因素也会体现在直线度误差上。
图1不同位置运动角度误差与定位精度的关系
空间精度误差补偿功能
前述的运动角度关系会受到不同直线轴的堆叠关系的影响，因此需要根据机器配置建立机构链来掌握刀尖与工件的相对位置，这样就可以在控制器中完整建立直线轴与旋转轴的堆叠关系，其运行和补偿机构也可以正常运行。简单的概念是从刀具的端点开始，经过各个驱动轴，到达工件的坐标原点，形成一个封闭的结构。
因此，如果能够测量出各直线轴的六自由度误差，然后根据其构型建立相应的误差模型，就可以计算出空间各位置的刀尖误差，如图2所示。
图2机构链模型流程图
目前机床行业常用的三种数控商用控制器均可支持空间精度补偿，按空间精度补偿方式可分为欧洲(HEIDENHAIN，SIEMENS)和日本(FANUC)补偿方式。欧洲控制器采用机构链补偿，日本控制器采用空间网格补偿。
例如，假设一台机床的X、Y、Z轴各轴各测10点6自由度部件的误差，欧洲控制器只需输入X、Y、Z轴各10点6自由度部件的误差信息，控制器就可以利用该误差信息通过机构链计算并补偿空间中的各个位置。如图3所示，如果需要增加补偿点的数量，就需要增加测量点的数量。但日本控制器需要计算空间中各点的误差值，即101010共1000点，并按照控制器的排列规则输入。
因此，为了计算上述空间中各点的误差值，有必要建立其运动学模型。通过输入各轴的六自由度误差，根据不同模型的运动学模型，误差v
当上述技术与实际机床补偿相结合时，还需要将测量位置与实际补偿的刀具长度信息一起输入误差模型，因为实际测量位置需要推回到机床原点(主轴前端)。
空间精度误差分析技术
鉴于此，我中心开发的空间精度分析技术，可以通过不同机构链的误差模型，从各轴的六自由度误差出发，分析机床空间各点的刀尖误差，并可以模拟不同的误差(直线度、角度、垂直度)来可视化空间误差。如图4所示，可以输入测量信息、机床机构链、测量镜头组、主轴机头偏移量等信息。输入不同的刀具长度、垂直度误差和坐标位置来分析每个平面的误差。在附加功能方面，分析功能可以分析三轴的21个误差，将整机的空间精度误差可视化，让用户更清楚地了解整机的空间精度。
图4 误差模型建立功能
开发分析软件以提升机台精度表现
透过市售6D激光量测仪器，能快速得知机台线性轴各自由度误差，本中心所开发之空间精度量测分析软件能直接汇入量测档案，未来将可结合业界现有常见仪器，激光干涉仪、自动视准仪、水平仪等量测设备，并不一定受限于量测仪器之限制，仪器使用自由度及方便性提高。
按照各机型之机构链做误差分析将有助于误差可视化，可帮助使用者快速了解机器误差，并且能快速调整各误差项做分析模拟，以预估不同组装精度所造成机台精度的变化，还能做检验路径精度预估或加工路径精度预估，最终能透过补偿功能产生相对应之补偿数据结合控制器补偿机制，以改善整机机台空间精度误差，以提升机台现有精度表现。
作者：精明的小海豚