大型深孔加工機床在線檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計
2018-4-8 來源：廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程 佛山新成洪鼎 作者：劉洲 張平 李新濤 張國根
摘要: 目前大型深孔( d ＞ 500mm，h ＞ 80000mm) 現(xiàn)場加工機床的主軸定位均采用手工卡尺測量或是人工打表等方法，針對這些方法不足的問題，文章開發(fā)出了一套在線式自動檢測與加工一體化裝置。該裝置運用激光位移傳感器在線掃描被加工件內(nèi)腔輪廓，采用互為基準(zhǔn)的自動定心方法，應(yīng)用雙重迭代算法快速得到虛擬軸的空間位置。調(diào)整機構(gòu)的快速響應(yīng)和檢測元件實時的反饋，使得機床主軸與虛擬軸自動調(diào)整重合并進行后續(xù)加工。在現(xiàn)場的實際應(yīng)用表明系統(tǒng)很好地滿足了便攜式鏜孔機自動定心要求，極大的降低了工人勞動強度，提高了定心精度和工作效率。
關(guān)鍵詞: 在線檢測; 自動定心; 迭代算法
0 引言
便攜式鏜孔機主要應(yīng)用于大型重工行業(yè)，例如: 船舶加工制造業(yè)、軍事加工制造業(yè)、核電產(chǎn)業(yè)等大型難加工，且加工精度要求特別高的行業(yè)。鏜孔加工過程中鏜桿軸線的位置決定了加工后孔的位置精度，同時對加工孔的形狀精度也有直接影響。目前國內(nèi)便攜式鏜孔機的定心方式均采用手動測量、人工估算、手動調(diào)整的定心方法，特別是針對有磨損的大型深孔修復(fù)時，使用這種調(diào)整方法不僅效率低、工人勞動強度大、定位精度差，而且工件加工后易產(chǎn)生廢品，導(dǎo)致巨大浪費; 對于空間位置有限深孔或盲孔，受條件限制工人無法安裝操作時，這就需要運用自動化手段實現(xiàn)鏜孔機自動定心。
因此，開發(fā)便攜式鏜孔機的在線檢測自動定心系統(tǒng)是現(xiàn)場加工行業(yè)的自動化發(fā)展的需求，對現(xiàn)場加工行業(yè)的發(fā)展有重要的推動作用。
1 、在線檢測自動定心系統(tǒng)
依據(jù)現(xiàn)場加工環(huán)境，以及系統(tǒng)安裝條件為了實現(xiàn)便攜式鏜孔機的自動定心功能，設(shè)計如圖 1 所示的便攜式鏜孔機測控系統(tǒng)圖。
圖 1 大型深孔現(xiàn)場加工機床智能控制系統(tǒng)
該機床的在線檢測系統(tǒng)采用激光位移傳感器的非接觸式測量方式，通過多次測量調(diào)整來實現(xiàn)自動定心功能。測控系統(tǒng)主要分為三大模塊: 數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、運動調(diào)整模塊。數(shù)據(jù)采集模塊: 在選定的測量截面內(nèi)控制刀架旋轉(zhuǎn)從而帶動激光位移傳感器圓周運動，完成對工件內(nèi)腔的圓周掃描，采集得到一組距離數(shù)據(jù); 運用無線傳輸技術(shù)將這些數(shù)據(jù)傳輸給上位機，并存儲在上位機中。通過對多個截面的圓周掃描后，得到多組原始數(shù)據(jù)點，實現(xiàn)對工件內(nèi)腔原始數(shù)據(jù)的采集。
數(shù)據(jù)處理模塊: 上位機對工件內(nèi)腔原始數(shù)據(jù)進行合理的運算處理，計算出每個檢測截面的圓心位置，然后通過擬合運算擬合出工件內(nèi)腔的虛擬軸線; 根據(jù)內(nèi)腔虛擬軸線與鏜桿軸線的空間位置關(guān)系，在上( 下) 調(diào)整面內(nèi)計算出虛擬軸線點和鏜桿軸線點的空間位置偏差量。
運動調(diào)整模塊: 上位機將空間位置偏差量傳輸給運動控制器，經(jīng)過運動控制器的運算插補后，將插補信息傳輸給驅(qū)動裝置，驅(qū)動裝置驅(qū)使執(zhí)行部件運動帶動鏜桿運動，從而實現(xiàn)鏜桿的空間位置調(diào)整。
便攜式鏜孔機自動定心過程為: 首先，對進行機械本體各部件進行安裝，然后進行測控系統(tǒng)的安裝，將水平傾角傳感器、激光位移傳感器、角度編碼器和壓力傳感器等檢測元件以及各執(zhí)行機構(gòu)的電氣元件同控制系統(tǒng)進行連接，形成一個閉環(huán)控制的測控系統(tǒng)。
其次，標(biāo)定激光位移傳感器發(fā)光點距主軸軸心的距離為 r0，獲取一個原始距離值。以水平傾角傳感器檢測方向為標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)定坐標(biāo)系方向，并建立 O-XYZ 測量坐標(biāo)最后，通過激光位移傳感器對工件原始內(nèi)腔的逐層旋轉(zhuǎn)掃描如圖 2 所示。
圖 2 工件內(nèi)腔檢測模型
獲取工件內(nèi)腔的原始數(shù)據(jù); 將得到的每層原始數(shù)據(jù)運用最小二乘法進行圓形擬合，從而得出每個截面掃描圓的擬合圓圓心及半徑; 然后每個截面處擬合的圓心再通過擬合運算，得出虛擬內(nèi)腔圓柱的軸線; 在調(diào)整截面內(nèi)計算出兩軸線與截面相交點之間的位置偏移量和，通過數(shù)據(jù)和與直線度 d 進行判別比較確定是否需要調(diào)整，如若需要調(diào)整則通過調(diào)整機構(gòu)實現(xiàn)鏜桿自動調(diào)整。
經(jīng)過多次測量、調(diào)整后達到定心精度的要求，完成自動定心，然后進行后續(xù)加工。2 最小二乘法定心算法根據(jù)圖 2 所示，工件內(nèi)腔輪廓掃描過程中將被測工件內(nèi)腔沿鏜桿軸線方向劃分為若干個截面，每個截面內(nèi)在圓周上均分為若干個采樣點，則每個采樣點的極坐標(biāo)為:
由于工件內(nèi)腔截面輪廓為非標(biāo)準(zhǔn)圓，取測量截面中第 K 個截面( k≤n) 為研究對象，如圖 3 所示。
圖 3 第 K 個截面掃描圖
采樣點的位置不可能完全在擬合圓周上，必定會存在誤差，設(shè)誤差為 δik。采用最小二乘法擬合圓曲線 ，其原理如下:
測量 n 個截面可以得到 n 個擬合圓心，將這些擬合圓心值選用最小二乘法進行線性擬合運算，擬合運算后能夠得到一條理想空間直線 C上C下，如圖 4所示。
圖 4 自動定心模型
直線 C上C下為鏜桿所要調(diào)整目標(biāo)的位置軸線，鏜桿上下調(diào)整面的調(diào)整量為 Δx，Δy ，調(diào) 整 范 圍 量 為C上C下的直線度誤差 d，根據(jù)調(diào)整量使鏜桿上下支撐的中心點 A 和點
B 分別與點 C上和點 C下重合，完成一次鏜桿的自動調(diào)整。
3 、實驗分析
運用實驗室虛擬儀器實驗平臺 Lab VIEW 軟件，開發(fā)測控系統(tǒng)軟件 。根據(jù)工件內(nèi)腔建立實體模型，并進行鏜桿自動定心模擬實驗驗證。工件的原始內(nèi)腔曲面模型可以自行建立，其母線可為直線，斜線，單葉雙曲線等，其截面可為圓或是橢圓。本文建立的模型為橢圓斜柱模型，其工件內(nèi)腔各截面 x軸向半徑為 350mm，y 軸向半徑，半徑偏差范圍為，截面個數(shù)為，截距為，相對水平面 x 軸向偏角 α = 10°，y 軸向偏角，生成工件內(nèi)腔原始數(shù)據(jù)。
并通過原始數(shù)據(jù)進行多次迭代自動調(diào)整模擬，調(diào)整過程及結(jié)果如圖5、圖 6 所示:
圖 5 未調(diào)整時原始內(nèi)腔的三維信息圖
圖 6 未調(diào)整時擬合內(nèi)腔的三維信息圖
經(jīng)過三次迭代運算、調(diào)整后的圖形如圖 7 和圖 8所示
圖 7 三次迭代調(diào)整后原始內(nèi)腔的三維信息圖
圖 8 三次迭代調(diào)整后擬合內(nèi)腔的三維信息圖
以建立橢圓斜柱工件內(nèi)腔模型時的坐標(biāo)系為絕對坐標(biāo)系，檢測裝置在工件內(nèi)腔內(nèi)部，沿鏜桿方向運動，對工件內(nèi)腔進行圓周掃描測量從而獲得的的原始曲面如圖 5a，對原始內(nèi)腔圓的圓心在絕對坐標(biāo)下顯示如圖5b，將原始內(nèi)腔截面圓的圓心轉(zhuǎn)化為在以鏜桿為 Z 軸的相對坐標(biāo)系下的坐標(biāo)如圖 5c。對原始曲面進行擬合得到內(nèi)腔擬合曲面如圖 6a，把圖 6a 中擬合曲面圓的圓心在絕對坐標(biāo)系中顯示如圖 6b，將圖 6b 中一系列的圓心進行運算，便可得到內(nèi)腔擬合曲面的圓柱直線度如圖6c。
經(jīng)過合理的處理獲得上下端的調(diào)整量，根據(jù)調(diào)整量對鏜桿進行模擬調(diào)整，一次調(diào)整完成后再次進行數(shù)據(jù)采集、模擬運算然后進行調(diào)整。經(jīng)過三次迭代運算、調(diào)整后得到圖 7 和圖 8 分別對應(yīng)于圖 5 和圖 6。為了實現(xiàn)從原始內(nèi)腔曲面模型的建立到自動運行調(diào)整完成的過程中，對測量數(shù)據(jù)和調(diào)整結(jié)果進行記錄和保存，最終生成檢測報告，以便于輸出和打。自動檢測定心軟件可以自動形成表 1，如下所示。
表 1 自動定心實驗數(shù)據(jù)
以上實驗數(shù)據(jù)和調(diào)整的圖形中可以看出，該自動定心系統(tǒng)用于定心時，經(jīng)過第三次迭代調(diào)整后，能夠得到很好的定心效果。定心偏差結(jié)果如下:
角度偏差:
上端偏差為:
從計算偏差可以看出，對于大型深孔加工過程中通過虛擬軟件控制調(diào)整，說明該自動定心系統(tǒng)能夠很好的實現(xiàn)自動定心要求，并且定心誤差能達到 μm 級，實現(xiàn)現(xiàn)場加工設(shè)備的高精度檢測和精確定位。
4 、結(jié)論
綜上所述，本文采用互為基準(zhǔn)的方法，對便攜式鏜孔機的自動定心測控系統(tǒng)進行了設(shè)計，并通過實驗驗證，結(jié)果表明:
( 1) 該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測，快速進行數(shù)據(jù)處理，定心精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定，操作方便。
( 2) 該系統(tǒng)具有多用性，不僅能用于加工前的系統(tǒng)自動定心，還能夠用于加工后被加工工件的質(zhì)量檢測，可以實現(xiàn)定位檢測和加工質(zhì)量檢測一體化。
( 3) 運用自動化系統(tǒng)，大大降低了操作人員的勞動強度，提高了工作效率，提升了安全性能。同時也提高了現(xiàn)場加工機械的自動化程度，為其他機械自動化的發(fā)展提供了參考。
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