基于五軸加工中心高精度箱體相交孔系位置度在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)

關(guān)雄飛 呼剛義

(西安理工大學(xué)高等技術(shù)學(xué)院，陜西西安710082)

在一些大型、高精度箱體類零件的孔系加工中，對(duì)于孔的形位公差的測(cè)量是一個(gè)決定生產(chǎn)質(zhì)量和效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但在目前實(shí)際生產(chǎn)中所采用的各種方法，手工檢測(cè)精度和效率較低;三坐標(biāo)檢測(cè)本身測(cè)量精度很高，但離線測(cè)量不但帶來(lái)很大的定位基準(zhǔn)誤差，且對(duì)工件的修正加工帶來(lái)困難，多次裝夾工件還增加了工作強(qiáng)度;而利用加工中心機(jī)床本身的功能，在線測(cè)量不僅能更好地滿足工件檢測(cè)精度要求，對(duì)提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度都有著很高的應(yīng)用價(jià)值。

本文針對(duì)高精度箱體上相交斜孔位置度在線自動(dòng)檢測(cè)問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的思路和方法，并對(duì)系統(tǒng)測(cè)量宏程序的編制進(jìn)行了深入的分析和研討，通過(guò)箱體相交斜孔的生產(chǎn)實(shí)例，編制了檢測(cè)宏程序。同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的組成原理、工藝性、檢測(cè)精度、安全性以及數(shù)據(jù)處理等作了必要的論述。

1 基本組成和工作原理

五軸加工中心在線自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)包括加工中心、計(jì)算機(jī)、測(cè)頭系統(tǒng)和工件。接觸式測(cè)頭像普通刀具一樣安裝在加工中心刀庫(kù)中，可由程序控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)出并安裝在主軸上，測(cè)頭就相當(dāng)于一個(gè)重復(fù)精度很高的觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。其工作原理如圖1所示，首先在計(jì)算機(jī)上生成自動(dòng)測(cè)量宏程序，并將測(cè)量宏程序由RS232通信接口傳輸給機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)將程序處理后，發(fā)出控制指令，從而使機(jī)床伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工作部件，利用加工中心系統(tǒng)本身的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制測(cè)頭向測(cè)量點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)測(cè)球以一定的速度接觸工件時(shí)，測(cè)頭被觸發(fā)，測(cè)頭內(nèi)部觸點(diǎn)脫開(kāi)，觸發(fā)信號(hào)傳到轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器發(fā)出短暫的蜂鳴聲，并通過(guò)測(cè)頭與數(shù)控系統(tǒng)的專用接口轉(zhuǎn)變成數(shù)控系統(tǒng)可識(shí)別的信號(hào)，該點(diǎn)瞬時(shí)的機(jī)床坐標(biāo)由運(yùn)行的程序讀出并記入相應(yīng)的變量中。信號(hào)接受后，加工中心立即停止運(yùn)動(dòng)。測(cè)頭允許一定的超程，但測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)速度不能過(guò)高，以免損壞，必須用跳步指令來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量工進(jìn)動(dòng)作(如FANUC 0mc系統(tǒng)的跳步指令為G31)。當(dāng)測(cè)頭離開(kāi)工件時(shí)，發(fā)出第2次蜂鳴聲，測(cè)桿復(fù)位。

在計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)控制下，可對(duì)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算、補(bǔ)償、數(shù)據(jù)庫(kù)鏈接及可視化等各項(xiàng)數(shù)據(jù)處理工作，直至完成全部測(cè)量工作。

2 測(cè)量宏程序及其編制

測(cè)量宏程序是加工中心在線測(cè)量的依據(jù)，是使測(cè)頭按照一定速度和特定路線執(zhí)行測(cè)量任務(wù)的命令集。在編制某個(gè)工件測(cè)量宏程序時(shí)，首先要制定工件的檢測(cè)工藝方案，并根據(jù)所使用的五軸加工中心規(guī)定的指令代碼及程序格式，將工件的檢測(cè)元素、幾何參數(shù)、測(cè)頭運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃以及其他輔助動(dòng)作編制成工件檢測(cè)程序單，再將程序單輸送給數(shù)控系統(tǒng)，從而指揮加工中心實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。工件結(jié)構(gòu)形狀、精度要求不同，檢測(cè)程序及參數(shù)也不同。

測(cè)量宏程序的編制應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題:

(1)由于測(cè)頭和機(jī)床類型的不同組合，為實(shí)現(xiàn)不同測(cè)量功能的宏程序的編制也不盡相同，編程者要對(duì)不同組合的系統(tǒng)進(jìn)行分析和比較。

(2)要明確測(cè)量對(duì)象是序前、序中還是序后測(cè)量。序前測(cè)量由于被測(cè)要素的位置坐標(biāo)不明確，需要手動(dòng)引導(dǎo)測(cè)頭進(jìn)入測(cè)量區(qū)。而序中和序后測(cè)量，由于有準(zhǔn)確的測(cè)量位置坐標(biāo)，可通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。

(3)明確被測(cè)對(duì)象的幾何要素特征，選定相應(yīng)的測(cè)量方法，包括測(cè)量速度、測(cè)點(diǎn)數(shù)、測(cè)點(diǎn)分布、測(cè)頭接觸方式及測(cè)量路徑規(guī)劃等。

(4)因?yàn)槭抢脵C(jī)床在線測(cè)量，機(jī)床要完成的加工工序比較多，對(duì)局部變量(#1～#33)、公共變量(#100～#149，#500～#531)的使用應(yīng)先進(jìn)行設(shè)計(jì)安排并作出規(guī)劃表，以使工件加工和測(cè)量中信息參數(shù)不至于因?yàn)榈刂分丿B而發(fā)生數(shù)據(jù)混亂。從實(shí)現(xiàn)角度講，編制測(cè)量宏程序最關(guān)鍵的問(wèn)題是對(duì)宏變量的操作。宏程序中用系統(tǒng)變量保存模態(tài)信息變量，如記錄刀具偏置值、工件偏置值和坐標(biāo)值等。公共變量是各子宏程序之間共同使用的變量，它們用來(lái)保存標(biāo)定信息或坐標(biāo)轉(zhuǎn)換信息。與公共變量相反，各子宏程序的局部變量相互獨(dú)立，其有效范圍只局限在本程序。通過(guò)局部變量可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、條件判斷等功能。

(5)測(cè)量路徑的快速性、精確性和安全性是編制測(cè)量宏程序的關(guān)鍵。測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)速度包括定位速度和接近速度，即測(cè)量動(dòng)作是由一個(gè)個(gè)定位動(dòng)作、接近動(dòng)作、接觸動(dòng)作和后退動(dòng)作組合而成，如圖2所示。在要求高精度甚至精密檢測(cè)情況下，測(cè)量動(dòng)作需要重復(fù)進(jìn)行，以消除在線測(cè)量系統(tǒng)中各種可能的隨機(jī)誤差因素。系統(tǒng)記錄每次測(cè)量的坐標(biāo)值，并進(jìn)行多次累加求出測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)平均值。如果采用多次碰撞重復(fù)測(cè)量，并合理安排定位動(dòng)作、接近動(dòng)作、接觸動(dòng)作和后退工作的點(diǎn)坐標(biāo)位置和運(yùn)動(dòng)速度，即可保證測(cè)量的精度和速度。本系統(tǒng)中精密測(cè)量選項(xiàng)即是指重復(fù)測(cè)量求取平均值。

測(cè)量路徑的安全性是指測(cè)量過(guò)程中工件和測(cè)頭的安全性，既要避免測(cè)頭對(duì)工件的擦傷，又要避免工件或夾具對(duì)測(cè)頭的超程撞擊。

對(duì)本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，測(cè)量路徑的安全性應(yīng)遵循以下原則:

(1)G31指令程序段的下一段要用反向運(yùn)動(dòng)指令，這樣可有效地避免測(cè)頭的超程撞擊。

(2)要避免相鄰程序段連續(xù)使用G31，以免產(chǎn)生超程撞擊以致?lián)p壞測(cè)頭或工件。

(3)測(cè)頭尋找工件時(shí)用G31指令并使用較小的進(jìn)給速度，絕對(duì)不允許使用G00或G01。

(4)對(duì)異形件的測(cè)量，要充分考慮到中間障礙物的高度、大小問(wèn)題。

(5)多使用一些工藝性的防止碰撞的程序段。

3 測(cè)量宏程序?qū)嵗?/h2>

圖3為某箱體零件相交孔部分簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖。設(shè)計(jì)要求零件上表面的垂直孔與斜側(cè)面上的相交孔有較高的位置度。由于箱體較大，移動(dòng)及安裝定位不易，所以采用在線測(cè)量的方式進(jìn)行檢驗(yàn)。以零件上表面垂直孔作為基準(zhǔn)孔，這樣可以消除零件安裝誤差對(duì)測(cè)量精度的影響。對(duì)每一被測(cè)孔通過(guò)坐標(biāo)系變換，設(shè)定局部坐標(biāo)系，保證主軸軸線與孔軸線平行，局部坐標(biāo)系的原點(diǎn)即為被測(cè)孔的位置理論點(diǎn)。坐標(biāo)變換的原理如圖4所示，先將原坐標(biāo)系平移至被測(cè)孔中心O1(xe，ye，ze)，X軸保持水平，坐標(biāo)系繞X軸旋轉(zhuǎn)α角度，再繞Z軸旋轉(zhuǎn)γ角度，便得到被測(cè)孔的局部坐標(biāo)系O1X1Y1Z1。測(cè)量主程序調(diào)用格式如下:

參數(shù)說(shuō)明:X(#24)、Y(#25)、Z(#26)為被測(cè)孔端面中心坐標(biāo)值;A(#1)、C(#3)為被測(cè)孔局部坐標(biāo)系繞X、Z軸轉(zhuǎn)角;R(#18)為被測(cè)孔半徑;M(#13)為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量(0)和精密測(cè)量(1)的選項(xiàng);F(#9)為測(cè)頭快進(jìn)速度;H(#11)為測(cè)頭慢進(jìn)(工進(jìn))速度;E(#8)為測(cè)頭慢進(jìn)和后退距離，一般應(yīng)大于3.0 mm;Q(#17)為測(cè)頭探測(cè)超程距離，取值在2.0 mm左右;B(#2)為需要的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。測(cè)量宏程序見(jiàn)表1。

表1 程序表

續(xù)

4 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理

以上宏程序測(cè)得的數(shù)據(jù)就是在局部坐標(biāo)系中被測(cè)孔圓周上的一系列點(diǎn)(xi，yi)，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)采用最小二乘法得到擬合曲線圓方程，進(jìn)而得到擬合曲線圓心坐標(biāo)(x1，y1)，如圖5所示，這項(xiàng)工作可以通過(guò)計(jì)算機(jī)專用程序軟件完成。z1坐標(biāo)的測(cè)量可通過(guò)測(cè)頭垂直于孔口端面接觸工件來(lái)獲得，便得到被測(cè)孔的位置坐標(biāo)Om(x1、y1、z1)。

孔的理論位置為O1(0，0，0)，于是，被測(cè)孔的位置度誤差為

5 結(jié)語(yǔ)

在線自動(dòng)測(cè)量技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)、高效、精確的檢測(cè)技術(shù)，尤其適應(yīng)于高精度大型箱體類工件及安裝定位不太容易的工件，對(duì)保證工件加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率具有很高的實(shí)用價(jià)值。本文論述了高精度箱體相交孔系在線測(cè)量系統(tǒng)的組成和工作原理、測(cè)量數(shù)據(jù)的處理。通過(guò)局部坐標(biāo)系的建立，簡(jiǎn)化了測(cè)量工作。對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)研發(fā)的重點(diǎn)工作即測(cè)量宏程序的編制原則、工藝方案以及測(cè)量的快速性、精確性、安全性作了重點(diǎn)的分析和討論，并以實(shí)際案例來(lái)說(shuō)明宏程序的編制方法。

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