在大型/重型數控機床的應用中，由于發熱、切削力和軸承準靜態負載產生的變形嚴重影響著工件的加工精度和加工效率。如何實時測量并補償各種原因造成的變形成為提升數控機床性能的重要課題。示意圖1中即描述了由于主軸軸承發熱而引起的刀具中心點位置變化的典型情況。

    為控制數控機床的熱變形，傳統的方法是使用應變儀，但這要求有體積大且昂貴的專用控制電子器件，且只能借助結構的熱模型進行局部變形測量。同時，這種建立結構熱模型的方法是一種靜態、線性的、基于結果的測量和補償方法，不能滿足加工過程中對變形進行實時性和非線性測量和補償的需要，不能良好的對機床變形進行測量和誤差控制，如圖2所示。 
 

圖1. 主軸軸承發熱而引起的刀具中心點的位置變化 

 
圖2. 因機床變造成的名義運動軌跡和實際運動軌跡的誤差

    Sintesi SpA公司基于激光編碼器LASDE構建傳感器測量網絡，可對各種結構數控機床實時進行三維空間變形測量和控制。

1. 激光編碼器LASDE

    LASDE是Sintesi公司在精度等級和成本上都較為適用于數控機床應用的激光編碼器，它由激光源、激光靶和信號處理盒組成，能夠在長達2m的長度內測量5 mm量程的變形，且能夠在較大溫度變化下保證較高的測量精度，LASDE技術參數見圖3。

圖3. 激光編碼器LASDE參數表

 2. 數控機床空間三維測量網絡的構建

    顯然，由于數控機床變形的復雜性，僅利用激光編碼器進行單軸變形測量并不能反映出刀具中心點的變形情況。Sintesi的變形控制解決方案采用多個LASDE激光編碼器在數控機床上構造傳感器網絡，網絡的基本單元為光學三角形，如圖4所示。采用LASDE激光編碼器網絡的方式，能夠實時、高精度地將刀具中心點的三維變形量測量出來，發送給數控系統進行補償。

圖4. 基于激光編碼器LASDE構建傳感器網絡 

    根據特定的應用，也可以構建為二維或三維網絡進行不同的空間測量，其中唯一的要求為每個網絡側面具有光學可見性。同時，此解決方案靈活性很大，可適用于不同的機床構造或各種幾何形式的軸。

3. 數控機床變形造成的誤差補償

    數控系統讀取LASDE激光編碼器測量的高精度變形值后對誤差進行補償，修正數控機床的運動，以減小加工誤差、增加加工效率，如圖5所示。在使用高速加工工件時，測量和控制的實時性尤為重要，目前比較成熟的方式是采用實時性較好的測量元件和控制系統來進行，例如LASDE激光編碼器和Orchestra控制系統就能夠實現較高的實時性。

圖5. 數控機床變形誤差補償流程 

    通過LASDE構建變形測量和控制網絡，能夠有效的提高數控機床的加工精度達80%，這會在大型、重型數控機床包括龍門機床以及CMM測量機上有廣泛的應用。事實上，大型龍門數控機床在不同的加工位置、不同的加工速度時的變形較為復雜（如圖6藍色、紅色兩種加工狀態所示），無法用既定的數學模型進行事先補償，只能通過實時的多維測量和控制進行良好的補償。

圖6. 大型龍門數控機床變形示意圖