精密復(fù)雜零件數(shù)控加工在線檢測方法研究*

□ 毛文亮 □ 楊小平

1.甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅天水 741001

2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)技術(shù)處 蘭州 730000

精密復(fù)雜零件制造是一個國家制造業(yè)水平的集中體現(xiàn)。隨著我國數(shù)控加工技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對在線檢測技術(shù)提出了更高的要求。當(dāng)前國內(nèi)大量在線檢測軟件受機(jī)床系統(tǒng)、測頭品牌等限制，編程煩瑣，價格昂貴，無法通用。開發(fā)一套宏程序在線檢測庫，引入數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)，通過調(diào)用宏程序并賦值，生成所需要的在線檢測程序，控制加工中心自動完成檢測任務(wù)，這樣不但可以有效提高產(chǎn)品檢測精度、效率，還可以大大降低檢測成本［1-4］。

1 精密復(fù)雜零件數(shù)控加工在線檢測原理

復(fù)雜零件通常由圓孔、圓柱、圓錐、凸臺、凹槽、球、橢圓等幾種基本體組合而成，將一個精密復(fù)雜零件按不同特征分解為不同的基本體，在計算機(jī)上生成基本體在線檢測宏程序，將基本體在線檢測宏程序由RS 232通信接口傳輸至數(shù)控機(jī)床，通過調(diào)用基本體在線檢測宏程序庫中的宏程序并賦值，生成所需要的在線檢測程序［5］，機(jī)床伺服系統(tǒng)驅(qū)動測頭對被測件上的點、線、面、圓孔、圓柱、圓錐、凸臺、凹槽、球、橢圓等基本體進(jìn)行測量，測頭測量時發(fā)出的觸發(fā)信號通過測頭與數(shù)控系統(tǒng)的專用接口轉(zhuǎn)換為數(shù)控系統(tǒng)可識別的信號。數(shù)控系統(tǒng)接收信號后，記錄下各測量點坐標(biāo)，對坐標(biāo)進(jìn)行處理，最終獲得組合體的測量結(jié)果。

2 在線檢測路徑規(guī)劃

檢測路徑對工件檢測精度的影響很大，規(guī)劃檢測路徑時既要避免測頭碰撞工件，又要避免測頭超程。測量曲面時，測頭接觸測點的方向有沿軸線方向接觸和沿法線方向接觸兩種方式［6］。測頭沿軸線方向接觸測點如圖1所示，測頭以測點A的Z軸方向接觸工件，測頭與實際工件表面接觸的是B點，檢測系統(tǒng)返回的是C點的坐標(biāo)值，由于測點B的法線矢量方向未知，因此難以通過C點求出測點B的坐標(biāo)值，一般不采用。測頭沿法線方向接觸測點如圖 2所示，這種方法被廣泛應(yīng)用，測頭與實際工件表面B點接觸，檢測系統(tǒng)返回的是C點的坐標(biāo)值，可由沿法線矢量方向測頭半徑補(bǔ)償測量值方便地計算出A點的加工誤差。具體檢測時，測頭以Z軸方向接近某測點，到達(dá)預(yù)設(shè)高度點時停留片刻，再沿工件曲面模型法線方向接觸測點。該測點 檢測完畢后，沿原法線矢量方向返回到預(yù)設(shè)高度，重復(fù)以上動作接觸下一個測點，直到所有測點檢測完畢［7-10］。

▲圖1 測頭沿軸線方向接觸測點

▲圖2 測頭沿法線方向接觸測點

3 在線檢測宏程序庫的建立

3.1 用戶宏程序基本檢測指令

G31是在線檢測程序中最常用的基本檢測指令，它是FANUC Oi數(shù)控系統(tǒng)自定義的模態(tài)跳步指令。指令格式為G31 IP_F_，IP為X軸、Y軸、Z軸中一個軸的移動量。當(dāng)測頭碰觸工件表面時，接觸信號產(chǎn)生，控制系統(tǒng)接收此信號，將X軸、Y軸、Z軸坐標(biāo)值儲存起來并保持不變，僅當(dāng)下一個跳越信號發(fā)出后才能改變，然后立即停止執(zhí)行當(dāng)前程序段的剩余部分，轉(zhuǎn)向下一個程序段。

G92是工件坐標(biāo)系設(shè)定指令，功能是設(shè)定工件坐標(biāo)系的原點。

M02是程序結(jié)束指令，功能是在完成程序段的所有指令后，使主軸進(jìn)給停止。

G65是宏程序調(diào)用指令，指令格式為G65 P L＜宏變量傳遞值＞，P為程序號，L為重復(fù)次數(shù)。

外部輸出指令是加工中心在線測量系統(tǒng)與外部處理器進(jìn)行通信的重要指令，主要包括開通指令POPEN、關(guān)閉指令 PCLOS、數(shù)據(jù)輸出指令BPRNT和DPRNT。

3.2 用戶宏程序變量

FANUC Oi數(shù)控系統(tǒng)中，宏變量用地址符#和后面的數(shù)字來表示，分為空變量（#0）、局部變量（#1～#33）、公共變量（#100～#149、#500～#531）和系統(tǒng)變量（#1000及以上）。空變量的值總是NULL，若沒有值，則可設(shè)置為這種類型。局部變量在一個宏程序中用來保存數(shù)據(jù)，系統(tǒng)斷電時局部變量為NULL，被調(diào)用時參數(shù)賦值給局部變量。公共變量可被不同宏程序分享，系統(tǒng)斷電時，#100～#149為 NULL，#500～#531可保持。 系統(tǒng)變量是用來讀寫數(shù)控系統(tǒng)指令或數(shù)據(jù)的變量。

3.3 在線檢測宏程序舉例

編制點、線、面、圓孔、圓柱、圓錐、凸臺、凹槽、球、橢圓等基本體的在線檢測宏程序，組成在線檢測宏程序庫。測量時，通過調(diào)用宏程庫中的宏程序并賦值，生成所需要的實際測量程序，這樣就可以對工件進(jìn)行測量了。

下面以凸臺在線檢測宏程序的編制來進(jìn)行具體說明［11-12］。

調(diào)用格式為：

G65 P9661 X Y Z U V B F C E Q H

變量的定義見表1。

表1 變量定義

宏程序如下：

4 試驗驗證

采用 FANUC 0i VMC-850B三軸立式加工中心、TP20型觸發(fā)式測頭，通過調(diào)用在線檢測宏程序庫中點、線、面、圓孔、凸臺等基本體的在線檢測宏程序并賦值，對精密復(fù)雜零件的點、線、面、圓孔、凸臺進(jìn)行在線檢測，并將檢測結(jié)果與三坐標(biāo)測量機(jī)的測量結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果顯示，零件的各項數(shù)據(jù)符合技術(shù)要求，與三坐標(biāo)測量機(jī)測量結(jié)果基本一致。在線檢測宏程序測量如圖3所示，零件上選取的5個測量點的檢測結(jié)果與三坐標(biāo)測量機(jī)的檢測結(jié)果進(jìn)行比較，見表2。

▲圖3 在線檢測宏程序測量

表2 檢測數(shù)據(jù)比較 mm

5 結(jié)論

在數(shù)控機(jī)床中引入點、線、面、圓孔、圓柱、圓錐、凸臺、凹槽、球、橢圓等基本體在線檢測宏程序庫，通過調(diào)用賦值，對精密復(fù)雜零件進(jìn)行在線檢測，這樣不但精準(zhǔn)、高效，而且非常簡捷、低成本。通過不斷完善在線檢測宏程序庫，在線檢測宏程序可以完成部分三坐標(biāo)測量機(jī)的功能。在后續(xù)的研究中，將不斷完善，使這項技術(shù)被廣泛推廣應(yīng)用。