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，對于孔的形位公差的測量是一個(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，手工檢測精度和效率較低;三坐標(biāo)檢測本身測量精度很高，但離線測量不但帶來很大的定位基準(zhǔn)誤差，且對工件的修正加工帶來困難，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，在線測量不僅能更好地滿足工件檢測精度要求，對提高生產(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。

本文針對高精度箱體上相交斜孔位置度在線自動(dòng)檢測問題進(jìn)行了研究，提出了開發(fā)設(shè)計(jì)的思路和方法，并對系統(tǒng)測量宏程序的編制進(jìn)行了深入的分析和研討，通過箱體相交斜孔的生產(chǎn)實(shí)例，編制了檢測宏程序。同時(shí)，對系統(tǒng)的組成原理、工藝性、檢測精度、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)測量系統(tǒng)包括加工中心、計(jì)算機(jī)、測頭系統(tǒng)和工件。接觸式測頭像普通刀具一樣安裝在加工中心刀庫中，可由程序控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)出并安裝在主軸上，測頭就相當(dāng)于一個(gè)重復(fù)精度很高的觸點(diǎn)開關(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)測量宏程序，并將測量宏程序由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)控制測頭向測量點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)測球以一定的速度接觸工件時(shí)，測頭被觸發(fā)，測頭內(nèi)部觸點(diǎn)脫開，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，并通過測頭與數(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)。測頭允許一定的超程，但測頭的運(yùn)動(dòng)速度不能過高，以免損壞，必須用跳步指令來實(shí)現(xiàn)測量工進(jìn)動(dòng)作(如FANUC 0mc系統(tǒng)的跳步指令為G31)。當(dāng)測頭離開工件時(shí)，發(fā)出第2次蜂鳴聲，測桿復(fù)位。

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

2 測量宏程序及其編制

測量宏程序是加工中心在線測量的依據(jù)，是使測頭按照一定速度和特定路線執(zhí)行測量任務(wù)的命令集。在編制某個(gè)工件測量宏程序時(shí)，首先要制定工件的檢測工藝方案，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，將工件的檢測元素、幾何參數(shù)、測頭運(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)檢測功能。工件結(jié)構(gòu)形狀、精度要求不同，檢測程序及參數(shù)也不同。

測量宏程序的編制應(yīng)注意以下幾個(gè)問題:

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

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

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

(4)因?yàn)槭抢脵C(jī)床在線測量，機(jī)床要完成的加工工序比較多，對局部變量(#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，編制測量宏程序最關(guān)鍵的問題是對宏變量的操作。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。通過局部變量可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、條件判斷等功能。

(5)測量路徑的快速性、精確性和安全性是編制測量宏程序的關(guān)鍵。測頭的運(yùn)動(dòng)速度包括定位速度和接近速度，即測量動(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情況下，測量動(dòng)作需要重復(fù)進(jìn)行，以消除在線測量系統(tǒng)中各種可能的隨機(jī)誤差因素。系統(tǒng)記錄每次測量的坐標(biāo)值，并進(jìn)行多次累加求出測點(diǎn)坐標(biāo)平均值。如果采用多次碰撞重復(fù)測量，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，即可保證測量的精度和速度。本系統(tǒng)中精密測量選項(xiàng)即是指重復(fù)測量求取平均值。

測量路徑的安全性是指測量過程中工件和測頭的安全性，既要避免測頭對工件的擦傷，又要避免工件或夾具對測頭的超程撞擊。

對本系統(tǒng)來說，測量路徑的安全性應(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壞測頭或工件。

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

(4)對異形件的測量，要充分考慮到中間障礙物的高度、大小問題。

(5)多使用一些工藝性的防止碰撞的程序段。

3 測量宏程序?qū)嵗?/h2>

圖3為某箱體零件相交孔部分簡化結(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測量精度的影響。對每一被測孔通過坐標(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，便得到被測孔的局部坐標(biāo)系O1X1Y1Z1。測量主程序調(diào)用格式如下:

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

表1 程序表

續(xù)

4 測量數(shù)據(jù)的處理

以上宏程序測得的數(shù)據(jù)就是在局部坐標(biāo)系中被測孔圓周上的一系列點(diǎn)(xi，yi)，根據(jù)測量數(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)工作可以通過計(jì)算機(jī)專用程序軟件完成。z1坐標(biāo)的測量可通過測頭垂直于孔口端面接觸工件來獲得，便得到被測孔的位置坐標(biāo)Om(x1、y1、z1)。

孔的理論位置為O1(0，0，0)，于是，被測孔的位置度誤差為

5 結(jié)語

在線自動(dòng)測量技術(shù)是一項(xiàng)先進(jìn)、高效、精確的檢測技術(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量系統(tǒng)的組成和工作原理、測量數(shù)據(jù)的處理。通過局部坐標(biāo)系的建立，簡化了測量工作。對于測量系統(tǒng)研發(fā)的重點(diǎn)工作即測量宏程序的編制原則、工藝方案以及測量的快速性、精確性、安全性作了重點(diǎn)的分析和討論，并以實(shí)際案例來說明宏程序的編制方法。

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