李積云，趙亮社 ，陳濤，李宏鋼

(1. 寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造創(chuàng)新中心，陜西 寶雞 721013；2. 寶雞機(jī)床集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721013)

0 引言

數(shù)控機(jī)床研制中零件檢測工序的目的是判定加工質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)，保證整機(jī)裝配精度和性能。三坐標(biāo)因其高適用性和便捷性而廣泛應(yīng)用。測量機(jī)在測量同時(shí)記錄各關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，傳輸?shù)娇刂破?，?jīng)測量軟件計(jì)算處理后，輸出測量點(diǎn)坐標(biāo)值[1]。

數(shù)控機(jī)床包含的機(jī)械零部件有齒輪、齒輪軸、盤、套、箱體等，需測量圓柱度、平行度、直線度、垂直度等眾多參數(shù)。在保證測量機(jī)性能正常、測量環(huán)境符合要求、測量過程規(guī)范的前提下，提高效率是企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。因?yàn)闄z測是銜接加工制造相關(guān)工序和裝配、調(diào)試工序的中間環(huán)節(jié)，其效率直接影響整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。三坐標(biāo)測量機(jī)是通過3個(gè)線性機(jī)構(gòu)來獲取三維空間位置，加之調(diào)整、校準(zhǔn)、換件等時(shí)間消耗，與預(yù)期存在較大差距。開發(fā)一款針對該類零件裝夾和位置調(diào)整裝置配合測量機(jī)工作，提高測量效率，具有重要的意義。

1 三坐標(biāo)測量

三坐標(biāo)測量機(jī)對形狀規(guī)則零件具有很好的適應(yīng)性，而對具有復(fù)雜形狀的零件需人為干預(yù)，如帶有曲面、齒形、葉片、凸輪等零件。眾多學(xué)者在專用零件檢測、三坐標(biāo)智能檢測及檢測規(guī)劃等方面進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐，通過測量軟件的二次開發(fā)或工裝夾具的設(shè)計(jì)達(dá)到擴(kuò)展測量機(jī)功能、提高效率的目的。

張露基于三坐標(biāo)測量機(jī)開展對專用零件的檢測，將檢測結(jié)果作為控制產(chǎn)品質(zhì)量的依據(jù)，設(shè)計(jì)專用夾具，引入SPC控制方法實(shí)現(xiàn)汽車底盤零件的質(zhì)量控制[1]。宋愛利等設(shè)計(jì)一種針對漸開線齒輪的測量程序，將其應(yīng)用到原測量系統(tǒng)，在擴(kuò)展其功能的基礎(chǔ)上提高測量效率[2]。楊新建將三坐標(biāo)的自動(dòng)測量技術(shù)和CAM、CAPP相結(jié)合，提出了智能測量中檢測規(guī)劃的若干注意事項(xiàng)[3]。歐陽婷婷等對曲面輪廓的測量分別在有基準(zhǔn)約束和無基準(zhǔn)約束兩種情況下的測量差異做了比對[4]。屈力剛等對規(guī)則曲面的策略進(jìn)行研究，提出臨界采樣點(diǎn)數(shù)算法，做為合理采樣的理論基礎(chǔ)[5]。劉濤等利用三坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)合零件檢測軟件Geomagic Qualify完成復(fù)雜三維曲面渦旋零件的精度檢測[6]。張占鋒等設(shè)計(jì)一種數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)的消隙機(jī)構(gòu)[7]，提高轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)精度。以上相關(guān)研究只對于某種專用零件測量，應(yīng)用范圍有限。

2 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及功能

高精度轉(zhuǎn)臺(tái)廣泛應(yīng)用在航天航空、軍事、測控、檢測領(lǐng)域，其綜合性能直接影響測試結(jié)果的可靠性和精度，故將穩(wěn)定性和運(yùn)行精度作為衡量其綜合性能的主要指標(biāo)[8-9]。穩(wěn)定性常采用模態(tài)分析法，依據(jù)結(jié)構(gòu)的振型和固有頻率，對不同載荷下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形式進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化，避免共振；運(yùn)行精度靠高精度傳動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

圖1所示為工作轉(zhuǎn)臺(tái)外形，整體呈圓柱封閉結(jié)構(gòu)。為避免軸承、電機(jī)等元件受到污染和損傷，主要裝置布置在箱體內(nèi)部，大部分機(jī)械及電器元件為軸對稱圓柱形結(jié)構(gòu)，使其機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。箱體外預(yù)留線束接口，方便安裝。底座預(yù)留槽型孔，可安裝在各種臺(tái)面上。

圖1 工作臺(tái)位置布置圖

圖2所示為位置閉環(huán)控制原理，對軸類、盤、齒輪等回轉(zhuǎn)類零件，將零件裝夾在轉(zhuǎn)速可調(diào)且具有高精度位置控制功能的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)上。通過轉(zhuǎn)臺(tái)位置控制系統(tǒng)來調(diào)整待測零件的空間位置，測量機(jī)移動(dòng)副驅(qū)動(dòng)測量機(jī)測頭做微量調(diào)整，測量過程由三個(gè)方向的線性移動(dòng)變?yōu)橐粋€(gè)快速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和幾個(gè)微量的線性移動(dòng)。

圖2 位置閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

圖3為工作臺(tái)內(nèi)部元件位置結(jié)構(gòu)圖，包括箱體、驅(qū)動(dòng)裝置、位置檢測裝置、制動(dòng)裝置。驅(qū)動(dòng)裝置包括力矩電機(jī)和轉(zhuǎn)臺(tái)軸承；電機(jī)定子通過螺栓固定在箱體上，電機(jī)轉(zhuǎn)子與臺(tái)面端面連接，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面旋轉(zhuǎn)。為保證轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)精度，轉(zhuǎn)臺(tái)外圓面與轉(zhuǎn)臺(tái)軸承內(nèi)孔相配合；位置測量裝置采用AMR(磁阻傳感器)原理[10-11]，將粘接有各向異性磁阻特性的磁環(huán)固定在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸與電機(jī)轉(zhuǎn)子固定，傳感器將位置信號傳輸給電機(jī)控制器；制動(dòng)器采用盤式制動(dòng)器，轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)放松，到預(yù)定位置后鎖緊。

圖3 工作臺(tái)零件位置結(jié)構(gòu)圖

2.1 驅(qū)動(dòng)裝置

采用蝸輪蝸桿、齒輪減速箱或諧波減速箱等傳動(dòng)方式的轉(zhuǎn)臺(tái)，傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)間隙是無法避免的[12]。本文采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的動(dòng)力模式，避免機(jī)械傳動(dòng)鏈引起的齒隙誤差。利用伺服控制系統(tǒng)，使整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置具有反應(yīng)速度快，線性度高的優(yōu)勢。通過電機(jī)和控制方式的合理配置提高轉(zhuǎn)臺(tái)的穩(wěn)定性及靜、動(dòng)態(tài)精度。

轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械回轉(zhuǎn)精度主要受支撐軸承結(jié)構(gòu)和精度的影響，故選用專用轉(zhuǎn)臺(tái)軸承，如四點(diǎn)接觸式、交叉圓柱滾子軸承、三排圓柱滾子組合軸承等?？紤]到零件外形及質(zhì)量分布引起振動(dòng)和變形，綜合考慮其他因素，本文采用圓柱滾子和雙向推力滾針組合軸承，安裝位置如圖3所示，轉(zhuǎn)臺(tái)軸承的外圈固定在箱體，內(nèi)圈與軸配合安裝。

2.2 位置檢測裝置

位置檢測裝置是轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行精度的核心部件，對機(jī)床主軸、齒輪、葉片等涉及分度精度和傳動(dòng)精度的零件，可用回轉(zhuǎn)位置的高精度控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，配合三坐標(biāo)進(jìn)行測量。

本文采用某公司的增量式電感測量裝置，該裝置由一個(gè)非接觸式編碼器和安裝移動(dòng)裝置上的磁阻傳感器組成。對于線性位移量，在7m/s速度下分辨率為1μm；對于角度量，分辨率可達(dá)10-3°。

圖4所示為將表面附著有磁阻效應(yīng)涂層的磁阻傳感器磁環(huán)粘接在固定環(huán)上。該測量裝置的精度主要受編碼器特性參數(shù)和安裝調(diào)整方式的影響，在使用時(shí)注意以下兩個(gè)方面：

圖4 AMR傳感器安裝位置示意圖

3 元件選型

型號為TK50S數(shù)控車床中的零件有主軸箱、傳動(dòng)軸、傳動(dòng)齒輪等，其中主軸箱外輪廓尺寸長寬高為520mm×460mm×420mm，最大質(zhì)量為300kg。將工作臺(tái)面外徑設(shè)計(jì)為500mm，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)最大線速度為現(xiàn)有三坐標(biāo)測量機(jī)線性平移速度的2倍(三坐標(biāo)線性副移動(dòng)速度為200mm/min)，最大回轉(zhuǎn)速度為150°/s,最大加速度為30°/s2。

3.1 電機(jī)和軸承

為保證工件穩(wěn)定安裝，依據(jù)載荷選用某公司生產(chǎn)的型號為YRT260高精密轉(zhuǎn)臺(tái)軸承。外徑φ=385mm，內(nèi)徑為φ1=260mm，軸承的極限轉(zhuǎn)速為n=200r/min，軸向動(dòng)載荷Ca=160kN，徑向動(dòng)載荷Cr=93kN，摩擦力矩T=20N·m。由上述運(yùn)行參數(shù)得知，轉(zhuǎn)臺(tái)工作時(shí)的角加速度ε=30°/s2=0.524rad/s2。

轉(zhuǎn)臺(tái)工作時(shí)所克服的力矩包括慣性力矩和摩擦力矩，負(fù)載質(zhì)量為300kg，其他旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)量為150kg，得到運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)最大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=mr2=(300+150)×0.52=112.5(kg·m)，對應(yīng)慣性轉(zhuǎn)矩M=Jε=112.5×0.524=58.95(N·m)；摩擦力矩按照轉(zhuǎn)臺(tái)軸承的起動(dòng)力矩計(jì)算，摩擦力矩T=20N·m。

以上得到轉(zhuǎn)臺(tái)峰值力矩為T0=M+T=78.95N·m?？紤]負(fù)載變化及預(yù)留余量、裝置穩(wěn)定性，選擇某公司的永磁式直流力矩電動(dòng)機(jī)，型號為LYX320LYX02，安裝方式采用為分裝式，電機(jī)的峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩>10N·m，最大空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為80r/min。

3.2 AMR傳感器

數(shù)控車床TK50S主軸箱內(nèi)齒輪既要考慮傳動(dòng)精度，也要考慮傳動(dòng)穩(wěn)定性、噪聲和振動(dòng)，因此以齒輪公差組Ⅰ組和Ⅱ組中的公差與極限偏差項(xiàng)目進(jìn)行零件檢測。兩類公差組中包含的項(xiàng)目有：Fp為齒距累計(jì)誤差、Fr為齒圈徑向跳動(dòng)公差、ff為齒形公差、fpt為齒距極限偏差。選擇5級精度漸開線圓柱齒輪，上述各個(gè)參數(shù)對應(yīng)取值為：Fp=0.01mm、ff=0.008mm、Fr=0.016mm、fpt=±0.007mm。

依據(jù)以上技術(shù)要求，選取編碼器型號為LM10IC002的AMR傳感器，分辨率0.002mm。磁環(huán)型號為MR122E，磁阻傳感器固定環(huán)的外徑為120mm，內(nèi)徑為90mm，采用徑向安裝方式。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以型號為布朗夏普XCEL9.12.9三坐標(biāo)測量機(jī)為基礎(chǔ)，將該轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在三坐標(biāo)測量機(jī)上。待測工件的CAD圖如圖5所示，為一根主軸，基準(zhǔn)A和B對應(yīng)外圓為支撐軸承安裝位置。為保證主軸回轉(zhuǎn)精度，需測量兩端外圓圓柱度，兩端外圓之間的同軸度及軸承安裝端面對外圓面的跳動(dòng)度。

圖5 零件CAD圖

按照常規(guī)測量方法，將三爪卡盤或?qū)Ｓ霉ぱb夾具固定在測量機(jī)底座上，然后固定工件。設(shè)置工件和測量參數(shù)后，選用測量機(jī)附帶的測量程序模塊，如同軸度、圓柱度進(jìn)行測量。正常工作時(shí)整個(gè)工件和工裝夾具是不動(dòng)的，只通過3個(gè)線性移動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)調(diào)整測頭的位置，獲得相應(yīng)的零件尺寸信息。若圖5所示待測零件外徑較大，或軸向尺寸較長，需要幾十分鐘。

將該轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在三坐標(biāo)底座上后，把工件安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面上，隨轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。通過轉(zhuǎn)臺(tái)位置控制和驅(qū)動(dòng)裝置調(diào)整工件待測位置，測量機(jī)測頭只需做微量調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)測量，縮短測量時(shí)間，很好地解決了測量大尺寸零件時(shí)間過長的問題。表1所示為分別用三坐標(biāo)和轉(zhuǎn)臺(tái)與三坐標(biāo)協(xié)同測量兩種方式，測量相同參數(shù)的檢測結(jié)果。

表1 主軸形位公差檢測結(jié)果

通過對比發(fā)現(xiàn)，高精度轉(zhuǎn)臺(tái)的應(yīng)用，可擴(kuò)展三坐標(biāo)的測量功能，在保證測量精度的基礎(chǔ)上提高測量效率。該裝置可在相關(guān)企業(yè)中普及，也可配合機(jī)械臂將此裝置安裝在智能生產(chǎn)線上，提高生產(chǎn)效率。

5 結(jié)語

為解決數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)中出現(xiàn)的零件測量相關(guān)工序效率低的問題，開發(fā)了輔助三坐標(biāo)測量機(jī)測量的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)。

轉(zhuǎn)臺(tái)整體封閉式結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)臺(tái)軸承和力矩電機(jī)的應(yīng)用，極大地提高了測量裝置的穩(wěn)定性和機(jī)械回轉(zhuǎn)精度。利用磁阻傳感器位置控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測量時(shí)零件的位置控制，達(dá)到擴(kuò)展測量機(jī)功能、提高測量效率的目的。該轉(zhuǎn)臺(tái)不但能滿足常規(guī)零件的測量，同時(shí)可測量具有復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)的零件，面向零件測量領(lǐng)域具有一定的推廣實(shí)用價(jià)值。