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。主要由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，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0.5 0.1μm(温度在20℃下)。 

1.球杆仪的测试原理

利用数控机床的两轴联动做圆弧插补，通过分析圆弧的半径变化和弧线的轨迹特征来判断机床的误差元素。在测量过程中，将支座固定在数控铣床的工作台上，另一端则连载主轴端，其软件提供相应程序，使得数控铣床主轴端相对于工作台作圆周运动。分析圆周过程中球杆仪的杆长微小变化，可以得到数控铣床误差分析情况。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为分辨率为0.1微米位移信号，通过接口传入PC机。

球杆仪实际测量状态为支座靠磁力吸附在工作台上，机床主轴通过精密小球和球杆仪相连，当机床预定程序以球杆仪程序以球杆仪长度为半径走圆时，传感器检测到机床运动半径方向的变化，分析软件可迅速将机床的直线度、垂直度、重复性、反向间隙及各轴的比例是否匹配及伺服性能等从半径的变化中分离出来，从而反映机器执行该项测试的表现如何。 

如果机器没有任何误差，绘制出的数据将显示出一个真圆，出现任何误差都将使该圆变形。从真圆偏离出的数据体现了数控系统，驱动伺服及机器各轴的机械问题和不准确度。 

2 球杆仪的结构 

球杆仪是通过传感器接口盒连接到计算机的一个串行口上的。 传感器接口包括由一节9V电池供电的电子线路，它跟踪传感器的伸缩并通过串行接口把数据读数报告给计算机。

图  球杆仪主要结构 

3 项目实施 

3.1 安装球杆仪系统 如图安装球杆仪系统：

图 球杆仪的连接图 

3.2 将测试程序输入机床 

将测试程序输入机床，该测试程序如下：

连接球杆仪之前，好先试运行一下测试程序，以免对球杆仪造成不必要的损伤。  

3.3 开始测试 

PC方面：

“开始”→“所有程序”→“Renishaw Ballbar 20” →“快速检测

 

”，此时显示如下桌面：

然后选择

，进入测试设定1

机器类型：提供了四个选项按钮。从左到右的顺序是：  立式加工中心，卧式加工中心 ，卧式车床 ，立式车床 。 

测试平面：提供三个选项：XY、YZ和ZX。如果准备运行单一的XY测试平面，如果它还没有被选中，其边框还不是蓝色，请单击XY按钮。 

进给率：你可以双击当前值将它选中，然后键入所需的值，更改此方框中的值。检查其设定值为2000mm/min，与零件程序一致。

测试半径：测试半径必须与你用的球杆仪的长度一样。要更改数值，点击箭头。显示下拉菜单。

选择好机器类型、测试平面、进给率及测试半径，点击

继续。进入测试设定2

选择好弧度及运行方向，点击

继续。进入测试摘要，

检查所显示的测试概要。确保你使用的是屏幕上显示的正确仪器。组装球杆仪和加长杆，使其所显示的测试半径相匹配。准备好待测试机器和零件程序。

点击

继续。

从本屏幕运行完整的测试，步骤如下: 

单击

按钮

 “当前活动”箭头从“等待开始”移到“等待切入进给”。 

现在，你必须启动数控机床零件程序。

箭头从“等待切入进给”移到“正在采集”。现在正在采集运行1的数据，屏幕显示出球杆仪的运动轨迹和球杆仪的读数。 

完成运行测试1后，屏幕将显示运行2和“等待切入进给”。接着你需要运行数控程序做第二部分的测量。 

一旦运行结束，屏幕会显示出球杆仪已经采集的轨迹。 完成测试后，可点击

按扭保存数据，或点击

按钮直接进行分析。 

3.4. 球杆仪测量结果分析及机床调试 我们通过球杆仪测试得出结果如下： 

(1)横向间隙

图 横向间隙因素影响大的分析图 

从诊断值可以看出Y轴的横向间隙对圆度误差影响大，可见运行1和运行2：

图  Y轴产生横向间隙

横向间隙的主要起因在于机器导轨中存在间隙或松动。它将在机器轴作换向运动时出现垂直于导轨方向的运动。它可与反向间隙台阶比较，反向间隙也是由于机器中的间隙引起的，但它与轴的方向相同。如球杆仪圆测试可见，反向间隙为径向误差，而横向间隙为切向误差。 

(2)伺服不匹配

图  伺服不匹配因素影响大的分析图 

从上图的诊断值可以看出伺服不匹配是影响圆度的大因素，通过简化看运行1的图：

图  伺服不匹配呈现图 

从运行1和运行2中，我们可以看到图形呈椭圆，沿45°或135°对角方向拉伸变形。出现伺服不匹配的原因可能是各轴的位置环增益及速度环增益的数值不匹配导致的，还有可能就是进给率的影响，一般情况下，进给率越高造成插补圆的椭圆程度越大。 

我们采取的措施就是： 

·通过调整机器控制器各轴伺服增益(位置环增益、速度环增益)，使其平衡。可使滞后轴的增益加大，也可降低超前轴的增益。 

·由于在较低进给率伺服不匹配影响较小，要得到较高精度的圆弧插补时可采取较低的进给率。 

(3)反向间隙

图 反向间隙因素影响大的分析图  

可以看到机床走圆的图像经过球杆仪的测量出来图像及影响其精度的数据如上图，其中，影响大的是X轴的反向间隙，占了23%。通过简化，我们可以看到如下图形：

图  X轴产生反向间隙 

在本图中在XY轴上显示有不等值反向间隙,其中在X轴上表现的比较明显，对于反向间隙的问题，我们可利用数控系统反向间隙补偿参数设置对机器中存在的反向间隙进行补偿。反向间隙补偿参数为1851和1852。 

(4)反向跃冲

图 反向跃冲因素影响大分析图 

通过球杆仪诊断值我们可以看到X轴的反向跃冲为影响圆度的大的因素，运行1的图像，如下图：

图  X轴产生反向跃冲 

反向跃冲是当某一机器轴向某一方向驱动，然后必须向相反方向反向移动，在换向处机器不是平稳反向运动而可能短时的粘性停顿，产生的可能原因就是： 

·机器在进行反向间隙补偿时伺服响应时间不准确。这意味着机器不能准时地对反向间隙施加补偿，导致轴出现停顿，而由反向间隙带来的停滞被取而代之。  

·伺服响应在伺服换向点很差，导致在轴停止一个方向运动和开始另一方向运动之间出现短暂时延。

对于反向跃冲的问题，我们采取的措施是采用各种不同机器进给率进行一系列测试，试图找出该机器上反向跃冲对加工影响小的进给率。在圆弧插补过程中采用适合精加工的佳进给率。 

(5)垂直度

图  垂直度因素影响大得分析图

通过球杆仪诊断值可以看出垂直度对圆度的影响大，可从运行的图像：

图  垂直度产生 

从图中，我们可以看到图形呈椭圆，沿135°对角方向拉伸变形，出现这样的原因：

·机器轴可能刚性不够，导致某些部位不直。 

·机器导轨可能过分磨损，导致机器在运动时在轴中有一定间隙。

·安装球杆仪时，没有安装好，安装在Z轴上的器件不直。

我们采取的措施是：首先，调整好球杆仪的垂直度，排除球杆仪对圆度的影响，然后在进行测量，若垂直度还是没有变化，则可能是机床的原因，那么可能的话应重新调整机器轴。如果导轨出现严重磨损，可能需要更换磨损部件。