提高觸發(fā)式測(cè)頭測(cè)量精度的方法

□ 姜成偉

沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司 沈陽(yáng) 110142

1 研究背景

目前,數(shù)控機(jī)床上已廣泛應(yīng)用觸發(fā)式測(cè)頭系統(tǒng)對(duì)工件進(jìn)行在機(jī)測(cè)量,實(shí)現(xiàn)工件加工前、加工中及加工后的高精度自動(dòng)測(cè)量和加工數(shù)據(jù)的及時(shí)修正,顯著提高了工件的加工效率和加工精度。

觸發(fā)式測(cè)頭是在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)中的核心元件,觸發(fā)式測(cè)頭自身的測(cè)量精度至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)觸發(fā)式測(cè)頭測(cè)量精度進(jìn)行誤差分析,筆者提出一種簡(jiǎn)單而有效的測(cè)量精度補(bǔ)償方法，用于減小測(cè)量誤差,進(jìn)而提高在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度。

2 觸發(fā)式測(cè)頭工作原理

大部分觸發(fā)式測(cè)頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為探針、觸點(diǎn)副、結(jié)構(gòu)件、預(yù)緊彈簧共四部分。在測(cè)頭內(nèi)部每120°設(shè)置一對(duì)觸點(diǎn)副,共三對(duì)觸點(diǎn)副,這三對(duì)觸點(diǎn)副之間為串聯(lián)關(guān)系[1-4]。預(yù)緊彈簧的作用是使探針在與工件接觸后回到初始狀態(tài)。觸發(fā)式測(cè)頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

觸發(fā)式測(cè)頭在測(cè)量時(shí),探針與工件測(cè)量點(diǎn)接觸，并引起觸發(fā)力。當(dāng)觸發(fā)力克服彈簧預(yù)緊力后,探針出現(xiàn)微量偏移。此時(shí),三對(duì)觸點(diǎn)副中至少有一對(duì)觸點(diǎn)副脫開(kāi),使原本構(gòu)成的串聯(lián)電路出現(xiàn)斷路,進(jìn)而產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)接收到觸發(fā)信號(hào)后,進(jìn)給軸停止運(yùn)動(dòng),系統(tǒng)鎖存進(jìn)給軸坐標(biāo)數(shù)據(jù),結(jié)束測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集進(jìn)程。

▲圖1 觸發(fā)式測(cè)頭機(jī)械結(jié)構(gòu)

3 誤差分析

由觸發(fā)式測(cè)頭的工作原理可知,探針與工件測(cè)量點(diǎn)接觸后,探針會(huì)產(chǎn)生微小的擺動(dòng),測(cè)頭立即產(chǎn)生脈沖信號(hào)。由于測(cè)頭擺動(dòng)滯后、信號(hào)延遲,以及彈簧預(yù)緊力、觸發(fā)方向、數(shù)據(jù)傳輸與處理等因素的影響,測(cè)頭的測(cè)量數(shù)據(jù)必然會(huì)存在誤差。在對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)機(jī)床進(jìn)給軸的移動(dòng)距離稱(chēng)為測(cè)頭的預(yù)行程誤差[6-7]。

觸發(fā)式測(cè)頭內(nèi)部同一水平面上均布的三對(duì)觸點(diǎn)副,其中任意一對(duì)斷開(kāi)，即會(huì)產(chǎn)生測(cè)頭的信號(hào)觸發(fā)?；跍y(cè)頭所具有的三角特性結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,測(cè)頭從任意方向趨近工件時(shí),均存在由觸發(fā)位置變化帶來(lái)的測(cè)量誤差,這一測(cè)量誤差稱(chēng)為測(cè)頭的各向異性誤差[8-10]。

以上這兩項(xiàng)觸發(fā)式測(cè)頭的誤差是測(cè)頭測(cè)量精度的主要影響因素,并且由測(cè)頭自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定。因此，只要對(duì)測(cè)頭自身的測(cè)量誤差通過(guò)技術(shù)方法進(jìn)行采集,并加以參數(shù)補(bǔ)償,就能大幅度提高測(cè)頭在機(jī)測(cè)量時(shí)的精度。

4 數(shù)據(jù)采集及補(bǔ)償方法

應(yīng)用數(shù)控機(jī)床,并采用環(huán)規(guī)、千分表來(lái)輔助進(jìn)行測(cè)頭測(cè)量誤差數(shù)據(jù)的采集工作。在XY平面上準(zhǔn)確確定環(huán)規(guī)的中心，方法為將環(huán)規(guī)放置在機(jī)床工作臺(tái)上,將千分表安裝在主軸端面,表針與環(huán)規(guī)內(nèi)徑圓周接觸,緩慢旋轉(zhuǎn)主軸直至在0°～360°范圍內(nèi)表針基本顯示在一個(gè)固定讀數(shù)位置,數(shù)值誤差控制在0.003 mm以內(nèi)。

保持機(jī)床的X軸、Y軸坐標(biāo)不動(dòng),將測(cè)頭安裝至機(jī)床主軸上。按照?qǐng)A周不同方向等分角度間隔,使測(cè)頭沿環(huán)規(guī)內(nèi)徑法向方向以相同速度趨近測(cè)量,得到各測(cè)量點(diǎn)在XY平面上的坐標(biāo)值，記為A1(x1,y1)、A2(x2,y2)、…、An(xn,yn)。n為測(cè)量點(diǎn)數(shù)量,數(shù)值越大,采樣數(shù)據(jù)越可靠,測(cè)量誤差補(bǔ)償后的測(cè)量精度越高。以環(huán)規(guī)半徑為基準(zhǔn),計(jì)算不同矢量方向測(cè)點(diǎn)處的半徑誤差值E1、E2、…、En,再將誤差值沿X軸、Y軸方向進(jìn)行分解,獲得各矢量方向測(cè)量點(diǎn)處的誤差坐標(biāo)分量,即可得到不同矢量方向的誤差補(bǔ)償量。

5 驗(yàn)證分析

采用觸發(fā)式測(cè)頭在配置i5數(shù)控系統(tǒng)的立式五軸雕銑中心上進(jìn)行驗(yàn)證,觸發(fā)式測(cè)頭的應(yīng)用環(huán)境如圖2所示。

▲圖2 觸發(fā)式測(cè)頭應(yīng)用環(huán)境

采用內(nèi)圓直徑為50 mm的環(huán)規(guī),按照前述測(cè)頭數(shù)據(jù)采集流程操作,確定環(huán)規(guī)中心。在環(huán)規(guī)圓周360°上均勻布置60個(gè)測(cè)量點(diǎn),并在測(cè)量軟件上生成初始測(cè)量程序,然后在立式五軸雕銑中心上進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算各矢量方向的半徑極大值為25.036 2 mm,極小值為25.019 3 mm,極差值為0.016 9 mm。半徑數(shù)據(jù)雷達(dá)圖如圖3所示。由圖3可以看出,由于觸發(fā)式測(cè)頭的三角特性,數(shù)據(jù)雷達(dá)圖呈現(xiàn)三角形式分布,明顯反映了觸發(fā)式測(cè)頭自身機(jī)械結(jié)構(gòu)影響測(cè)量精度。

表1 補(bǔ)償前測(cè)量數(shù)據(jù)

將計(jì)算后得到的各矢量方向半徑差值沿X軸、Y軸方向分解,得到測(cè)量誤差補(bǔ)償量。 分解后各矢量方向測(cè)點(diǎn)補(bǔ)償量見(jiàn)表2。

表2 各矢量方向測(cè)點(diǎn)補(bǔ)償量

▲圖3 補(bǔ)償前環(huán)規(guī)半徑數(shù)據(jù)雷達(dá)圖

按前文所述計(jì)算得到不同矢量方向的誤差補(bǔ)償量,生成具有測(cè)量誤差補(bǔ)償數(shù)值的測(cè)量程序,再測(cè)量環(huán)規(guī)進(jìn)行驗(yàn)證。基于測(cè)量誤差補(bǔ)償數(shù)值，通過(guò)測(cè)量程序?qū)Νh(huán)規(guī)再次進(jìn)行測(cè)量，獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)顯示環(huán)規(guī)半徑極大值為25.003 9 mm,極小值為24.995 8 mm,極差值為0.008 1 mm。補(bǔ)償后環(huán)規(guī)半徑數(shù)據(jù)雷達(dá)圖如圖4所示。可見(jiàn),對(duì)測(cè)頭進(jìn)行XY平面內(nèi)的矢量方向測(cè)量誤差補(bǔ)償,可以有效提高觸發(fā)式測(cè)頭的測(cè)量精度。

▲圖4 補(bǔ)償后環(huán)規(guī)半徑數(shù)據(jù)雷達(dá)圖

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行補(bǔ)償，提出了提高觸發(fā)式測(cè)頭測(cè)量精度的方法，通過(guò)在配置i5數(shù)控系統(tǒng)的立式五軸雕銑中心上應(yīng)用,驗(yàn)證了方法的有效性。