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某五軸數控加工（gōng）中心（xīn）在線檢（jiǎn）測關鍵技術研究

2018-7-19 來源：轉載作者：曹著（zhe）明，孫紅梅，史海軍

摘要：眾所周時，當今（jīn）製造業正朝智能製造進行轉型（xíng）升級，智能製造過程中的自感知功能（néng）很大部分是通過在線檢測來實現的。在製造過程中引入在線（xiàn）檢測能大大提高零件的生（shēng）產效率和精（jīng）度。通過研究某五軸（zhóu）數控加工中心中的HEIDENHAIN ITNC530 數控係統，搭建了機床的探測功能；對該（gāi）係統的 TCH PROBE411 探測循環的工（gōng）作原理和執行過程進行了深入研究，進而實現在製造過程的自動對刀和加（jiā）工原點精確修正功能，大大縮短了零件（jiàn）的加工輔助時間（jiān），降低（dī）勞動強度，提高加工效率。

關鍵詞：智能製（zhì）造；在線檢測；探（tàn）測循環；原（yuán）理；效率

1 、在線檢測技術

在線檢測指的是在數控加工中心上安裝觸（chù）發式測（cè）頭，測頭（tóu）在（zài）刀庫中占據（jù）一個特殊的刀具號，測頭工作時不需要主（zhǔ）軸旋轉；在進（jìn）行檢測工作（zuò）時，換刀（dāo）機械手將刀庫裏的（de）測（cè）頭安裝至（zhì）加工中心主軸上；然（rán）後按相應的檢測程序進行檢測，根據檢測結果，進而判斷加工精度，從而決定是否進一步加工工件。

在（zài）線檢測技術把加工過程與檢測過程高效地結合起（qǐ）來（lái），在（zài）加工（gōng）複雜空間（jiān）曲麵的產（chǎn）品時有明顯的優勢，它自（zì）由度大（dà），避免了對（duì）工件多次裝夾造成的誤差，縮短製造周期，降低生產成本，同時能（néng）夠對加工過程給予精（jīng）確的指導，所以在（zài）氣缸、葉（yè）片、整體葉輪以及螺旋槳（jiǎng）等這類結構複雜且為空間曲麵（miàn）的零件加工上有重要的研究意（yì）義。

因此，基於數控加工中心的在線檢測技術得到（dào）迅速的發展，越來越多的專家學者進行了深（shēn）入研（yán）究。

在線檢測相對於離線測量的優勢主要表現在：工件的加工和測量都在機床上完成，節省了工件的拆卸和裝夾時間，縮短產品生產周期；減少（shǎo）貴重的離線測量設（shè）備（如三坐標測量儀）的使用，節約生產成本；避免因將工（gōng）件由（yóu）機床轉移至離線測量設備時產生的（de）裝夾誤差，從而提高（gāo）加工（gōng）精度；加工（gōng）檢測一體化，能增強操作員信心，進而實現無人加（jiā）工。

數控加工中（zhōng）心在線檢測技術發展的趨勢主要表（biǎo）現在智能化、人性化；開放式、網絡化；技術標準化、規範化。在五軸數控加工中心采用探測功能，可以將工件的位（wèi）置快速地確定下來，並設定好坐標係。

在檢（jiǎn）測工件（jiàn）尺寸的同時，還（hái）會根據測量（liàng）的（de）數據結果對刀偏量自動（dòng）地（dì）修正。此外，在線自動檢測技術可以設定夾具和旋轉軸，而且在進行柔性加工中確認工（gōng）件以及夾具。其主要功能包括：自動修正加工坐標係；能在數（shù）控（kòng）加工程（chéng）序中嵌入測量程序；減低夾具的消耗；實現良（liáng）好的過程控製，提高安全性。

2 、五軸數控加工中心探測功能搭建

研究的是基於 DMU60MONOBLOCK 五軸數控加工中心中的 HEIDENHAINITNC530 數控係統，使（shǐ）用的是 HEIDENHAIN460三維觸發式光電測頭。搭建改係統的探測功能，首先要標定探頭的長度和半（bàn）徑，然後對（duì）已加工零件（jiàn）進行尺寸檢測、找正、標定以及對刀修正等。

標定探頭的長度和半徑時，首先先在光電測頭安裝 3.6V 的電池；探頭內的工作模式（shì）選擇 3（自動模式）；在數控係統刀具表中定義探頭刀具時，應在（zài） PLC 參數設置為：%00010000，代表該（gāi）刀具為探頭；同（tóng）時應將 B 和 C 軸複位（wèi）；啟動探頭功能指令 M27（機床快速移動速度降（jiàng）低）。標定探頭長度時首先用 50mm 高（gāo）的標準量塊（kuài）找正主軸端（duān）麵與機（jī）床工作台之間的距離，使（shǐ）它（tā）們之間（jiān）的（de）距離剛好為 50mm，此時將（jiāng）機床該位置設為 Z0；然（rán）後安裝上探頭，在（zài）數控係統中手動/探測功能/標定 L/循環啟動，則探頭的探測量塊上表麵，則（zé）係統（tǒng）能直接顯示探頭（tóu）的高度原理，如圖1 所示。

圖 1 探頭長度測量原理

如圖（tú） 2（a）和 2（b）所（suǒ）示（shì），由於探針的紅寶石觸頭在檢測觸碰（pèng）時，觸（chù）頭會受力，使得探針產（chǎn）生一定（dìng）角（jiǎo）度的傾斜，所以實際工作時的有效半徑將不是觸（chù）頭的實際半徑，因此需要測量出探頭檢測時的有效直徑。檢（jiǎn）測時，首（shǒu）先安裝標準環規（guī） 49.998mm，然（rán）後（hòu）將探頭在手輪模（mó）式下移動至環規的（de）圓環內部，紅寶石觸頭的位置要求是在環規上表麵以（yǐ）下；然後在手動模式下啟動探測（cè）功能，先輸入環規 R 值 2，按（àn）循環啟動，探頭則能（néng）分別朝+X/-X/+Y/-Y 四個方向進行檢測；檢測完後，選擇軟件/旋轉 180，探頭則再次朝+X/-X/+Y/-Y 四個方向進行檢測，然後係統自動計算出有（yǒu）效半徑 R 值。如圖 2（c）所示，探（tàn）頭初始位置是在 O 點，移動過程是依次（cì）點（diǎn） o→點1→點 o→點 2→點 o→點 3→-點（diǎn） o→點 4-→點 o。

由此可測量（liàng）出a\b\c\d 四個直線的距離，由此可以構建 R 探（探頭有效半徑）的計算（suàn）模型，如式（shì）（1）~式（6）所（suǒ）示。

圖 2 標定探頭半徑 R

3 、探測功能及應用研究（jiū）

3.1 探測功能

HEIDENHAIN ITNC530 數控係統中的探測（cè）功能，如表 1 所示。共 10 項，能實現多種模式的測量和標定，大大提高零件的測量和加（jiā）工效率。在移動探頭時應在手輪模式下，以保證安全；在輸入檢測值時，應先選擇設（shè）為原點，鍵入預設表，則係統將該位置設（shè）為加工原點，同時（shí）將原點參數（對刀參數）存儲在預設表的 0 號位置；然後選擇要用（yòng）的預設號/啟用預設，則能把 0 號位的預設值（zhí）參（cān）數複製到相應的預設號（hào）中。

表 1 探測功能

3.2 通用（yòng）參數

為使探頭擁有更廣範的應（yīng）用，應提前完成探測（cè）循（xún）環通用參數的設置，以保證探頭的正確、安全使用，通（tōng）用參數（shù）內容及注釋如表 2 所示。

表 2 通用參數

3.3 探測循環

- - TCH P ROBE411如圖 3（a）所示，探測循環 411（TCH PROBE411）能實現加工原點的偏置，同時也能對加工原點的位置進（jìn）行精確修正，也（yě）可以用於確定矩形凸台的中心並將其定義為原點。如果需要的話，TNC 也可以將坐標輸入到原點表或預定表中。TNC 將（jiāng）按照 MP6150 或MP6361 的設置值快速移動定位，將測頭定位（wèi）在（zài）編程起點（diǎn）位置 1處（chù）。TNC 將執行循環中數據和 MP6140 的安全高（gāo）度數據計算探測起點；然後測頭（tóu）運動到所輸入的測量高度處並以探（tàn）測進給速（sù）率（MP6120 或 MP6360）探測第一觸點；然後將測頭沿近軸運在測量高度處或下一起點 2 的間（jiān）隔高度處並探測第二（èr）觸點；然後 TNC將測頭定位在起點 3 位置處，再定位在（zài）起點 4 位置處，探測第三和（hé）第四觸點；最後 TNC 再將測頭移回間隔高度處並處理根據循環參數 Q303 和 Q305 所確定的原點。TCHPROBE411 循環（huán）各參數的圖解，如圖 3 所（suǒ）示。

探測（cè）循環 411 參數，如表 3 所示。在圖 3（a）中，若在尺寸（cùn）為 110×129×50 的長方體毛坯上，執行將加工原點由位置 1 轉移至位置 2。首先在手動模式下，選擇探測（cè）功（gōng）能/測量 POS/X+、Y+、Z-，分別（bié）探測毛坯的左側、前側和（hé）上表麵，將工件（jiàn）的上表麵左下方的位置 1 設置為加工原點，並激（jī）活（huó）；然後執行（háng）表 3 中的“TCH PROBE411”循（xún）環和相關參數，則能實現將點 2（毛坯上表麵中心）設為原點，並將原點的對刀參數存儲在設表中的 3 號位置處；激活預設表中（zhōng）的 3 號位置，則完成加工原點轉移設置

“TCH PROBE411”同時也可以進行加工坐標係原點的修正，進行精（jīng）確定位。首先在目測模式（shì）下將探頭移動至矩形毛坯上表麵的中（zhōng）心附件（盡量接近，但不要接（jiē）觸）；然後（hòu）將當前位置設為加工原點並激活；然後基於該原點執行“TCH PROBE411”循環，此時“TCH PROBE411”循環中 Q321、Q322 應設置為 0。為避免測頭（tóu）和工件發生碰撞，輸入 Q323

和（hé） Q324 參數時（shí），可輸入較大的估計值（zhí）；循環定義前必須編程一（yī）個刀具調（diào）用功能以定（dìng）義探測軸。

圖 3 探測循環（huán） 411

表 3 探測循環 411 參數

4 、小結

介紹（shào）了基於 HEIDENHAIN ITNC530 數控係統的 DMU60M-ONOBLOCK 五軸（zhóu）聯動加工中心的自動對刀的和在線檢測功能。通過係統的“探測（cè）功能”能（néng）實（shí）現自（zì）動對刀，同時通過“TCHPROBE411”循環能將實現加工（gōng）原點的智能轉換和修正，從而大大提高生產製造效率並減輕勞（láo）動強度。在執行（háng）“TCH PROBE411”循環時為避免測頭和工件發生碰撞，輸入第 1 和第 2 邊長（zhǎng）度較大的估（gū）計值；循環定義前，必須編程一個刀（dāo）具（jù）調用功（gōng）能以定義探測軸。

“探測功能”輸入參數時，應先選擇（zé）設為原點，鍵入預（yù）設表；改（gǎi）變預設，啟用預設則能把 0 號預設複製到其（qí）它序號的預設表（biǎo）中。在（zài）加工零件的加工製造過程中引進在線檢測功能，不但省時省力，而且還提高了加工效率，具有廣泛的應（yīng）用價值。目（mù）前高效、精密製造研究的（de）關鍵（jiàn）技術之一就是在數控機床上對工件進行在線檢測。

文（wén）自：北京電子科技職汽車工（gōng）程學院首都航（háng）天機械

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