在線測量技術在精密磨床中的應用
2018-2-26 來源： 中航工業(yè)北京航空精密機械研究所 作者：張東亮，梅國平，姜新生，陳宇
[摘要] 通過為數(shù)控精密磨床裝配雷尼紹測頭，詳細介紹了在線測量在數(shù)字控精密磨床系統(tǒng)的構成、工作原理、數(shù)據(jù)處理方法以及磨削實驗結果，使其具備在線測量功能，實現(xiàn)了產(chǎn)品的測量、加工一體化。
[關鍵詞] 數(shù)控磨床；在線測量；數(shù)據(jù)處理
引言
數(shù)控加工一般采用離線測量模式，工件加工完成后需要搬運到檢驗部門進行檢驗，這種測量方式工件需要重新找正、設定原點，人為因素帶入一定的誤差，影響測量精度；工件在搬運、裝卡過程中也容易出現(xiàn)變形與磕碰；造成操作工人勞動強度高，生產(chǎn)效率低。在線測量指工件加工完成后不拆卸，通過與機床集成在一起的測量系統(tǒng)直接對其進行測量，檢驗加工是否合格，這種方式可解決離線測量中存在的各種問題有效提高加工效率。
精密磨床集成在線測量功能后，可實現(xiàn)工件內(nèi)廓面測量成形、加工 G 代碼自動編程、磨削量自動檢測等功能，使數(shù)控磨床成為測量、加工一體化設備。本文介紹了實現(xiàn)精密磨床在線測量需解決的測量坐標系建立、工件曲面建模、工件測量加工 G 代碼生成等關鍵技術問題，并通過磨削試驗驗證了精密磨床在線測量功能。
1 、在線測量精密磨床系統(tǒng)構成
精密數(shù)控磨床系統(tǒng)構成如圖 1 所示，其包含 X、Y、Z 三個直線軸和 C 軸、電主軸兩個旋轉(zhuǎn)軸，其中 C 軸上裝卡工件，通過 X 軸、Z 軸、C 軸三軸聯(lián)動實現(xiàn)在線測量和磨削加工；電主軸上安裝磨頭，可以以最高 12000r/h 轉(zhuǎn)速對工件進行磨削加工。
測頭為雷尼紹手動旋轉(zhuǎn)測頭，分辨率為 0.001mm，其優(yōu)越的三維測量性能與高精度光柵尺相配套，可保證產(chǎn)品測量的準確度。旋轉(zhuǎn)測頭可以克服因被加工產(chǎn)品長，被測空間小所帶來的死區(qū)，提高測量效率。測頭安裝在測量桿上，信號通過數(shù)控系統(tǒng)快速 I/O 接口引入，以提高測量精度。測頭接觸工件瞬間可觸發(fā)中斷，數(shù)控系統(tǒng)通過 MEAS 命令記錄當前坐標值，并記錄到測量文件中。通過測量軌跡規(guī)劃，可實現(xiàn)工件內(nèi)闊面測量，測量結果作為加工 G 代碼自動編程依據(jù)，通過加工前后測量結果對比可檢驗磨削量是否合格。
精密數(shù)控磨床為高精度機床，任何誤差引入系統(tǒng)都將影響加工精度，本系統(tǒng)安裝光學成像設備作為對刀系統(tǒng)，通過調(diào)整高精度光學鏡頭，可將測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算機，分別記錄測頭和磨頭中心點坐標值，找到二者之間相對位置關系，即可建立測量坐標系和加工坐標系。上位計算機采用高配置工作站，完成測量軌跡規(guī)劃、測量 G 代碼自動編程、測量結果曲面擬合、加工 G代碼自動編程、加工結果校驗等大數(shù)據(jù)計算處理工作，同時提供人機交互界面，實現(xiàn)加工參數(shù)設定，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)行測量和加工 G 代碼，通過多軸插補運動實現(xiàn)工件的測量和磨削加工。
圖1 精密數(shù)控磨床系統(tǒng)構成示意圖
2、測量、加工坐標系建立
工件測量和加工都是基于工件母線曲線方程，其原點位于工件頂部，所以進行加工前需建立以該原點為基準的測量坐標系 G54、加工坐標系 G55。精密磨床光學對刀系統(tǒng)如圖 2 所示，通過固定在磨床上的基準塊和光學成像系統(tǒng)，找到測頭和磨頭與工件坐標原點之間相對位移，進而建立測量坐標系、加工坐標系。
① 在安裝基準塊時準確測量其 X、Y、Z 三個方向與工作坐標原點的坐標差值，并通過銷釘將其固定在床身上，確保二者坐標差值固定不變。
圖2 精密數(shù)控磨床光學對刀系統(tǒng)圖
② 測頭測量基準塊 X、Y、Z 三個端面，數(shù)控系統(tǒng)自動記錄測頭中心點坐標值，通過與基準塊坐標差值計算，得到測頭相對于工件坐標原點位移，在數(shù)控系統(tǒng)中設置坐標偏移值，建立測量坐標系 G54。
③ 通過光學成像系統(tǒng)找到測頭中心點與磨頭中心點 X 向、Z 向坐標差值，通過與測量坐標差值計算，得到磨頭相對于工件坐標原點位移，在數(shù)控系統(tǒng)中設置坐標偏移值，建立加工坐標系 G55。
3 、數(shù)據(jù)處理方法及加工 G 代碼生成
精密數(shù)控磨床通過對工件上分散點的測量得到點云數(shù)據(jù)，運用最小二乘法進行母線方向及圓周方向兩維曲線擬合，得到被測工件回轉(zhuǎn)體曲面。依此為基礎，結合刀具（磨頭）自身特點，根據(jù)加工參數(shù)自動生成加工 G 代碼，保證加工精度。加工完成后可對加工區(qū)域再次進行測量，驗證加工效果，檢測加工誤差，若誤差超出了要求，可對未達標區(qū)域進行再加工，直到滿足加工要求。
對工件內(nèi)廓面精密測量和修磨加工是數(shù)控磨床兩大最基本功能，數(shù)據(jù)處理是將測量和加工聯(lián)系起來的橋梁，同時也是按要求精密修磨的關鍵。
數(shù)據(jù)處理的任務是將測量的數(shù)據(jù)進行曲面建模，建立加工基面，在此基礎上根據(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)廓面測量
對工件加工區(qū)域進行測量的過程如下：測頭沿一條母線按等步長采集測量數(shù)據(jù)完畢后，工件沿圓周方向等間距旋轉(zhuǎn)，使測頭沿另一條母線采集數(shù)據(jù)，重復上述過程，依次遍及整個測量區(qū)域。
② 曲面建模
對工件內(nèi)廓面進行測量之后得到一系列離散數(shù)據(jù)點，根據(jù)工件加工工藝要求，找到所有測量點中距離內(nèi)表面理論點最高的一個點，以這個點位基準勾勒出距理論內(nèi)表面等距的一個虛擬曲面，然后在此基礎上根據(jù)各點的去處量自動生成加工 G 代碼。
針對工件在圓周方向上的圓度已達到較高精度且加工區(qū)域在母線上曲率變化較平緩這一特點，采用最小二乘法曲線擬合的方法，即根據(jù)測量數(shù)據(jù)點，求出一個
將每條測量母線的X坐標與Z坐標進行三次多項式曲線擬合，根據(jù)母線方向擬合曲線的數(shù)據(jù)將圓周方向的 X 坐標與 C 坐標進行三次多項式曲面擬合，兩個方向的擬合曲線即組成了工作基面；然后根據(jù)磨削去除量再沿著工件基面的法線方向計算出加工基面。以擬合加工基面方程為基準并依據(jù)工藝參數(shù)以及測頭和磨頭半徑在法向方向上進行半徑補償，就可以得到磨頭中心坐標曲面。最終根據(jù)加工精度計算母線方向加工步距和圓周方向加工步距，規(guī)劃刀具軌跡，構成加工基面的型值點集合，生成加工 G 代碼。
③刀具軌跡規(guī)劃
精密磨床采用螺旋線形的環(huán)切刀具軌跡遍歷內(nèi)廓形，加工過程中磨頭在工件內(nèi)由里向外，先控制磨頭伸到工件的靠頂端處第一個螺旋環(huán)第一個節(jié)點處，通過控制工件在 C 向旋轉(zhuǎn)和磨頭 X、Z 向微動，三軸聯(lián)動來完成第一圈修磨；第一圈的終點即為第二圈的起點，同樣由工件旋轉(zhuǎn)和磨頭微動三軸聯(lián)動完成第二周的加工，依次完成對整個內(nèi)廓面的修磨。
4 、數(shù)控磨床磨削加工試驗
在線測量數(shù)控磨床在加工完成后可通過測量系統(tǒng)驗證加工精度：將加工區(qū)域內(nèi)每條測量母線加工前后的測量結果相減，得到各條母線加工值，如圖 4 所示：
圖4 精密數(shù)控磨床加工結果數(shù)據(jù)圖
加工范圍：Z 向（工件母線方向）30mm，坐標范圍245~275mm；磨削量：0.07mm，即工件母線的 X 向（磨削進給方向）磨削前后坐標差值；圓周采樣步距：90°，即在圓周方向每隔 90° 取一條母線進行測量，共采集 4 條母線數(shù)據(jù)（0°，90°，180°，270°）；母線采樣步距：5mm，即沿母線 Z 向每隔 5mm 采集數(shù)據(jù)，每條母線上得到 7 個數(shù)據(jù)；圖 4 橫坐標為 4 條母線的 Z 坐標；圖 4 縱坐標為加工前、后測量點 X 坐標的差值，即磨削去除量；每條母線上方的角度值表示該條母線在圓周方向的位置。
可以看出，工件內(nèi)表面的磨削是以近似相等的去處量進行的，誤差控制在 ±0.01mm 以內(nèi)，該誤差影響因素包括：①雷尼紹旋轉(zhuǎn)測頭 0.006mm 測量精度；②直線軸 0.007mm 定位精度；③對刀系統(tǒng)誤差、裝卡誤差等。
5 、結論
在線測量技術應用到精密數(shù)控磨床中，實現(xiàn)了產(chǎn)品的測量、建模、加工一體化，節(jié)省了工件搬運、重復裝卡的工時，提高了產(chǎn)品測量、加工精度，經(jīng)實際應用其加工精度能控制在 ±0.01mm 以內(nèi)，同時該設備降低了工人勞動強度，顯著提高了生產(chǎn)效率。可以預見，在線測量技術在數(shù)控機床中的廣泛應用會成為發(fā)展趨勢。
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