在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)在精密磨床中的應(yīng)用
2018-2-26 來(lái)源： 中航工業(yè)北京航空精密機(jī)械研究所 作者：張東亮，梅國(guó)平，姜新生，陳宇
[摘要] 通過(guò)為數(shù)控精密磨床裝配雷尼紹測(cè)頭，詳細(xì)介紹了在線(xiàn)測(cè)量在數(shù)字控精密磨床系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理、數(shù)據(jù)處理方法以及磨削實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使其具備在線(xiàn)測(cè)量功能，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的測(cè)量、加工一體化。
[關(guān)鍵詞] 數(shù)控磨床；在線(xiàn)測(cè)量；數(shù)據(jù)處理
引言
數(shù)控加工一般采用離線(xiàn)測(cè)量模式，工件加工完成后需要搬運(yùn)到檢驗(yàn)部門(mén)進(jìn)行檢驗(yàn)，這種測(cè)量方式工件需要重新找正、設(shè)定原點(diǎn)，人為因素帶入一定的誤差，影響測(cè)量精度；工件在搬運(yùn)、裝卡過(guò)程中也容易出現(xiàn)變形與磕碰；造成操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率低。在線(xiàn)測(cè)量指工件加工完成后不拆卸，通過(guò)與機(jī)床集成在一起的測(cè)量系統(tǒng)直接對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，檢驗(yàn)加工是否合格，這種方式可解決離線(xiàn)測(cè)量中存在的各種問(wèn)題有效提高加工效率。
精密磨床集成在線(xiàn)測(cè)量功能后，可實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)廓面測(cè)量成形、加工 G 代碼自動(dòng)編程、磨削量自動(dòng)檢測(cè)等功能，使數(shù)控磨床成為測(cè)量、加工一體化設(shè)備。本文介紹了實(shí)現(xiàn)精密磨床在線(xiàn)測(cè)量需解決的測(cè)量坐標(biāo)系建立、工件曲面建模、工件測(cè)量加工 G 代碼生成等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并通過(guò)磨削試驗(yàn)驗(yàn)證了精密磨床在線(xiàn)測(cè)量功能。
1 、在線(xiàn)測(cè)量精密磨床系統(tǒng)構(gòu)成
精密數(shù)控磨床系統(tǒng)構(gòu)成如圖 1 所示，其包含 X、Y、Z 三個(gè)直線(xiàn)軸和 C 軸、電主軸兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，其中 C 軸上裝卡工件，通過(guò) X 軸、Z 軸、C 軸三軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)測(cè)量和磨削加工；電主軸上安裝磨頭，可以以最高 12000r/h 轉(zhuǎn)速對(duì)工件進(jìn)行磨削加工。
測(cè)頭為雷尼紹手動(dòng)旋轉(zhuǎn)測(cè)頭，分辨率為 0.001mm，其優(yōu)越的三維測(cè)量性能與高精度光柵尺相配套，可保證產(chǎn)品測(cè)量的準(zhǔn)確度。旋轉(zhuǎn)測(cè)頭可以克服因被加工產(chǎn)品長(zhǎng)，被測(cè)空間小所帶來(lái)的死區(qū)，提高測(cè)量效率。測(cè)頭安裝在測(cè)量桿上，信號(hào)通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)快速 I/O 接口引入，以提高測(cè)量精度。測(cè)頭接觸工件瞬間可觸發(fā)中斷，數(shù)控系統(tǒng)通過(guò) MEAS 命令記錄當(dāng)前坐標(biāo)值，并記錄到測(cè)量文件中。通過(guò)測(cè)量軌跡規(guī)劃，可實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)闊面測(cè)量，測(cè)量結(jié)果作為加工 G 代碼自動(dòng)編程依據(jù)，通過(guò)加工前后測(cè)量結(jié)果對(duì)比可檢驗(yàn)?zāi)ハ髁渴欠窈细瘛?/font>
精密數(shù)控磨床為高精度機(jī)床，任何誤差引入系統(tǒng)都將影響加工精度，本系統(tǒng)安裝光學(xué)成像設(shè)備作為對(duì)刀系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)整高精度光學(xué)鏡頭，可將測(cè)頭和磨頭在同一焦距下放大數(shù)倍，并將圖像上傳至上位計(jì)算機(jī)，分別記錄測(cè)頭和磨頭中心點(diǎn)坐標(biāo)值，找到二者之間相對(duì)位置關(guān)系，即可建立測(cè)量坐標(biāo)系和加工坐標(biāo)系。上位計(jì)算機(jī)采用高配置工作站，完成測(cè)量軌跡規(guī)劃、測(cè)量 G 代碼自動(dòng)編程、測(cè)量結(jié)果曲面擬合、加工 G代碼自動(dòng)編程、加工結(jié)果校驗(yàn)等大數(shù)據(jù)計(jì)算處理工作，同時(shí)提供人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)加工參數(shù)設(shè)定，加工 G 代碼仿真執(zhí)行，操作記錄等功能。
840D 數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行測(cè)量和加工 G 代碼，通過(guò)多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工件的測(cè)量和磨削加工。
圖1 精密數(shù)控磨床系統(tǒng)構(gòu)成示意圖
2、測(cè)量、加工坐標(biāo)系建立
工件測(cè)量和加工都是基于工件母線(xiàn)曲線(xiàn)方程，其原點(diǎn)位于工件頂部，所以進(jìn)行加工前需建立以該原點(diǎn)為基準(zhǔn)的測(cè)量坐標(biāo)系 G54、加工坐標(biāo)系 G55。精密磨床光學(xué)對(duì)刀系統(tǒng)如圖 2 所示，通過(guò)固定在磨床上的基準(zhǔn)塊和光學(xué)成像系統(tǒng)，找到測(cè)頭和磨頭與工件坐標(biāo)原點(diǎn)之間相對(duì)位移，進(jìn)而建立測(cè)量坐標(biāo)系、加工坐標(biāo)系。
① 在安裝基準(zhǔn)塊時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量其 X、Y、Z 三個(gè)方向與工作坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)差值，并通過(guò)銷(xiāo)釘將其固定在床身上，確保二者坐標(biāo)差值固定不變。
圖2 精密數(shù)控磨床光學(xué)對(duì)刀系統(tǒng)圖
② 測(cè)頭測(cè)量基準(zhǔn)塊 X、Y、Z 三個(gè)端面，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)記錄測(cè)頭中心點(diǎn)坐標(biāo)值，通過(guò)與基準(zhǔn)塊坐標(biāo)差值計(jì)算，得到測(cè)頭相對(duì)于工件坐標(biāo)原點(diǎn)位移，在數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)置坐標(biāo)偏移值，建立測(cè)量坐標(biāo)系 G54。
③ 通過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)找到測(cè)頭中心點(diǎn)與磨頭中心點(diǎn) X 向、Z 向坐標(biāo)差值，通過(guò)與測(cè)量坐標(biāo)差值計(jì)算，得到磨頭相對(duì)于工件坐標(biāo)原點(diǎn)位移，在數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)置坐標(biāo)偏移值，建立加工坐標(biāo)系 G55。
3 、數(shù)據(jù)處理方法及加工 G 代碼生成
精密數(shù)控磨床通過(guò)對(duì)工件上分散點(diǎn)的測(cè)量得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行母線(xiàn)方向及圓周方向兩維曲線(xiàn)擬合，得到被測(cè)工件回轉(zhuǎn)體曲面。依此為基礎(chǔ)，結(jié)合刀具（磨頭）自身特點(diǎn)，根據(jù)加工參數(shù)自動(dòng)生成加工 G 代碼，保證加工精度。加工完成后可對(duì)加工區(qū)域再次進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證加工效果，檢測(cè)加工誤差，若誤差超出了要求，可對(duì)未達(dá)標(biāo)區(qū)域進(jìn)行再加工，直到滿(mǎn)足加工要求。
對(duì)工件內(nèi)廓面精密測(cè)量和修磨加工是數(shù)控磨床兩大最基本功能，數(shù)據(jù)處理是將測(cè)量和加工聯(lián)系起來(lái)的橋梁，同時(shí)也是按要求精密修磨的關(guān)鍵。
數(shù)據(jù)處理的任務(wù)是將測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面建模，建立加工基面，在此基礎(chǔ)上根據(jù)加工去除量和刀具軌跡規(guī)劃生成加工 G 代碼，完成對(duì)工件的修磨加工。曲面數(shù)字化修磨數(shù)據(jù)處理流程如圖 3 所示：
圖3 精密數(shù)控磨床數(shù)據(jù)處理流程圖
① 內(nèi)廓面測(cè)量
對(duì)工件加工區(qū)域進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程如下：測(cè)頭沿一條母線(xiàn)按等步長(zhǎng)采集測(cè)量數(shù)據(jù)完畢后，工件沿圓周方向等間距旋轉(zhuǎn)，使測(cè)頭沿另一條母線(xiàn)采集數(shù)據(jù)，重復(fù)上述過(guò)程，依次遍及整個(gè)測(cè)量區(qū)域。
② 曲面建模
對(duì)工件內(nèi)廓面進(jìn)行測(cè)量之后得到一系列離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)工件加工工藝要求，找到所有測(cè)量點(diǎn)中距離內(nèi)表面理論點(diǎn)最高的一個(gè)點(diǎn)，以這個(gè)點(diǎn)位基準(zhǔn)勾勒出距理論內(nèi)表面等距的一個(gè)虛擬曲面，然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)各點(diǎn)的去處量自動(dòng)生成加工 G 代碼。
針對(duì)工件在圓周方向上的圓度已達(dá)到較高精度且加工區(qū)域在母線(xiàn)上曲率變化較平緩這一特點(diǎn)，采用最小二乘法曲線(xiàn)擬合的方法，即根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)，求出一個(gè)
將每條測(cè)量母線(xiàn)的X坐標(biāo)與Z坐標(biāo)進(jìn)行三次多項(xiàng)式曲線(xiàn)擬合，根據(jù)母線(xiàn)方向擬合曲線(xiàn)的數(shù)據(jù)將圓周方向的 X 坐標(biāo)與 C 坐標(biāo)進(jìn)行三次多項(xiàng)式曲面擬合，兩個(gè)方向的擬合曲線(xiàn)即組成了工作基面；然后根據(jù)磨削去除量再沿著工件基面的法線(xiàn)方向計(jì)算出加工基面。以擬合加工基面方程為基準(zhǔn)并依據(jù)工藝參數(shù)以及測(cè)頭和磨頭半徑在法向方向上進(jìn)行半徑補(bǔ)償，就可以得到磨頭中心坐標(biāo)曲面。最終根據(jù)加工精度計(jì)算母線(xiàn)方向加工步距和圓周方向加工步距，規(guī)劃刀具軌跡，構(gòu)成加工基面的型值點(diǎn)集合，生成加工 G 代碼。
③刀具軌跡規(guī)劃
精密磨床采用螺旋線(xiàn)形的環(huán)切刀具軌跡遍歷內(nèi)廓形，加工過(guò)程中磨頭在工件內(nèi)由里向外，先控制磨頭伸到工件的靠頂端處第一個(gè)螺旋環(huán)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)處，通過(guò)控制工件在 C 向旋轉(zhuǎn)和磨頭 X、Z 向微動(dòng)，三軸聯(lián)動(dòng)來(lái)完成第一圈修磨；第一圈的終點(diǎn)即為第二圈的起點(diǎn)，同樣由工件旋轉(zhuǎn)和磨頭微動(dòng)三軸聯(lián)動(dòng)完成第二周的加工，依次完成對(duì)整個(gè)內(nèi)廓面的修磨。
4 、數(shù)控磨床磨削加工試驗(yàn)
在線(xiàn)測(cè)量數(shù)控磨床在加工完成后可通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)驗(yàn)證加工精度：將加工區(qū)域內(nèi)每條測(cè)量母線(xiàn)加工前后的測(cè)量結(jié)果相減，得到各條母線(xiàn)加工值，如圖 4 所示：
圖4 精密數(shù)控磨床加工結(jié)果數(shù)據(jù)圖
加工范圍：Z 向（工件母線(xiàn)方向）30mm，坐標(biāo)范圍245~275mm；磨削量：0.07mm，即工件母線(xiàn)的 X 向（磨削進(jìn)給方向）磨削前后坐標(biāo)差值；圓周采樣步距：90°，即在圓周方向每隔 90° 取一條母線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量，共采集 4 條母線(xiàn)數(shù)據(jù)（0°，90°，180°，270°）；母線(xiàn)采樣步距：5mm，即沿母線(xiàn) Z 向每隔 5mm 采集數(shù)據(jù)，每條母線(xiàn)上得到 7 個(gè)數(shù)據(jù)；圖 4 橫坐標(biāo)為 4 條母線(xiàn)的 Z 坐標(biāo)；圖 4 縱坐標(biāo)為加工前、后測(cè)量點(diǎn) X 坐標(biāo)的差值，即磨削去除量；每條母線(xiàn)上方的角度值表示該條母線(xiàn)在圓周方向的位置。
可以看出，工件內(nèi)表面的磨削是以近似相等的去處量進(jìn)行的，誤差控制在 ±0.01mm 以?xún)?nèi)，該誤差影響因素包括：①雷尼紹旋轉(zhuǎn)測(cè)頭 0.006mm 測(cè)量精度；②直線(xiàn)軸 0.007mm 定位精度；③對(duì)刀系統(tǒng)誤差、裝卡誤差等。
5 、結(jié)論
在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到精密數(shù)控磨床中，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的測(cè)量、建模、加工一體化，節(jié)省了工件搬運(yùn)、重復(fù)裝卡的工時(shí)，提高了產(chǎn)品測(cè)量、加工精度，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用其加工精度能控制在 ±0.01mm 以?xún)?nèi)，同時(shí)該設(shè)備降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，顯著提高了生產(chǎn)效率。可以預(yù)見(jiàn)，在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的廣泛應(yīng)用會(huì)成為發(fā)展趨勢(shì)。
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