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回轉類工件加工誤差在機測量係（xì）統

2017-12-8 來源（yuán）：上海大學機械自動化及機（jī）器人重點作者：王為東沈南燕吳（wú）耀讚喻誌響

摘要：針對回轉類工件輪廓加工誤差檢測，開發了一套用（yòng）於數（shù）控車銑複合加工中心的在機測量係統。利用接觸（chù）式測（cè）頭，讀（dú）取數控機床各軸坐標值獲取測量數據並由以太網上傳至上位機，配（pèi）合誤差評定算法及相關（guān）軟件，實現（xiàn）了回轉類工件尺寸、圓度、圓柱度及同軸度的（de）在（zài）機（jī）檢測。介紹了測量係統的（de）硬件組成、軟件開發及驗證實驗結果。在（zài）機檢測結果可以反饋至數控係統用以補償加（jiā）工誤差，也可通過車間局域網上傳至車間層用於生產管理，因此該係統在大批量、無（wú）人化生產中具有良好的應用（yòng）價值。

關鍵詞：回轉類（lèi）工件接觸式測頭圓度誤差評（píng）定

機械加工是先進製造技（jì）術（shù）的基層作（zuò）業，是先進製造係統中最基本（běn）最活躍的（de）環（huán）節，其基本目標是在低成本、高生產率的條件下（xià）保證產品的質（zhì）量[1]。但在（zài）目前的（de）數控車床加工過程中，零件加工精度的檢測主要是（shì）采（cǎi）用傳（chuán）統的手（shǒu）工測量和離線檢（jiǎn）測方法，包括回轉軸線法、三點法、投影法等。這些方法都需要將工件轉移到（dào）專門（mén）的夾具裏用專門的（de）測量儀（yí）或千分（fèn）表、卡尺進行測量，顯然這些測量方式需要二次定位與裝夾，不僅效率低，還會產生二（èr）次定位誤差，越來越不能滿足車間快速（sù）加工（gōng）生產的需要[2]。

如果能把車床和合適的檢測儀器有機結合起來，這樣車床不僅可以用於（yú）工件加工，而且可以直（zhí）接（jiē）對剛加工完成的工件進行尺寸測量，再利用 CNC 係統的通訊功能，就可（kě）以（yǐ）直接通過上位機實現對工件輪廓（kuò）誤差的評定。通（tōng）過這種方法不僅可以有效避免二次裝夾誤差，提高測量精度，解決離線零件檢測中的費時費力（lì）問題，而且可以擴大車床的使用範圍，具有很好的應用價值[3]。

因此，針對以上問題，本文圍繞回轉型零件的輪廓檢（jiǎn）測，在數控車銑複合加工中心上展開了在機檢測係統（tǒng）的研究。通過集成在機測量係統，實現對回轉型工件輪廓的方便快捷的測量和評定。

1 、在機測量係統的（de）構建

數控係統（tǒng）本身並不具有測量和誤差評定的能（néng）力，要實現輪廓的在機測量，必須（xū）在數控機床本身能力的基礎上，集成具有測量能力的裝置，並開發具有誤差評定功能的軟件。因此，有效的係統集成是實現在機（jī）輪廓測量的關鍵。如圖 1 所示（shì），在 HTC50100車銑複合加工中心上集成了 Marposs 接觸式（shì）在線測量裝置（zhì），采用以（yǐ）太網經由無（wú）線路由器實現上位機和數控係統的（de）連接與通訊。

圖 1 在線測（cè）量係統組成

1.1 在線測量裝置與數控係（xì）統的集成

本次試驗使用的測量裝置為 Marposs E83L 加工中（zhōng）心專（zhuān）用（yòng）觸（chù）發式測量係統[4]，主要由信號發射器、測頭和信號接收器組成。其中信號發射器和測頭作（zuò）為刀具裝在刀（dāo）塔上，發（fā）射器（qì）和接收器之間通過紅外傳輸的（de）方式連接。接收器接收發（fā）射器發（fā）射（shè）的紅外（wài）信號，並傳送給 CNC 係統，同時通（tōng）過指示燈的變化，顯（xiǎn）示測量係統當前狀態。例（lì）如（rú）：若程序運行有問（wèn）題，“Error”指（zhǐ）示燈會閃爍；當其接收到觸碰號（hào）時，“Probe Status”指（zhǐ）示燈會閃（shǎn）爍等[5]。可以根據指示燈的狀態，判斷（duàn）測量係統的工作情況，並合理的處理異常情況，信號接收（shōu）器與 CNC 係統具體接（jiē）線如圖 2 所（suǒ）示。

圖 2 信號接收器與數控機床（chuáng）的接線圖

在（zài）實（shí）現程序跳轉時，利用的是 FANUC 數控係（xì）統的高速跳轉指令，即 G31 指令。該指令通常隻用（yòng）於測量功能，需要外（wài）部輸入信號，輸入信號地（dì）址是X4.7。G31 執行過程中如果沒有 SKIP 信號則和G01 完全（quán）一樣，如果在執（zhí）行過程中 SKIP 信（xìn）號置“1”，則在 SKIP 信號置（zhì）“1”的位置清除剩餘運動量，直接執行下一個程序段。在 SKIP 信號置“1”時，進給軸（zhóu）的坐標值會儲存在係統變量中，供測量宏程序計算使用。本研究中當測頭觸（chù）碰到工件後，信號接收器就可以將（jiāng）觸碰信號傳（chuán）送給（gěi） CNC 係統，以實現程序跳轉。圖 3 所示為跳轉（zhuǎn）功能示意圖。

圖 3 G31 跳轉功能示（shì）意圖

1.2 上位機與數控係統的集成

隨著科技的發展，數控係統也得到了進一步的完（wán）善（shàn）。現在數控係統不僅具有通信功能，能夠通過以（yǐ）太網實（shí）現與上位機連接，而且為（wéi）用戶提供了許多工具包和函數庫，供用戶更好的開發和使用（yòng）。

本次試驗通過以太網實現上位機與數控係統的集（jí）成（chéng），然後利用（yòng） FANUC 係統提供的 focas 函數（shù）庫cnc_download3(unsigned short Flib Hndl, long *length, char *data)以（yǐ）及 cnc_rdmacro(unsigned short Flib Hndl, short number, short length, ODBM *macro)函數，實現對數控係（xì）統內存中宏變量的讀寫，進而通過上位機軟（ruǎn）件對工件輪廓作出評價。

2 、輪廓檢測的實現

要實現回轉型零件的輪廓檢（jiǎn）測，不（bú）僅僅需（xū）要硬件的投入，也要軟件的支撐。本次試驗（yàn）所使用的軟件（jiàn）主要是基於 VC 平台開發的，其中評（píng）定算法是利用 Matlab 語言編寫並編譯成 COM 組件，發布後供（gòng）上位機軟件調（diào）用。軟件功能組成如圖 4 所（suǒ）示。檢（jiǎn）測軟件主要分為三個（gè）模塊，即數控程序生成模塊（kuài）、數據采集模塊以（yǐ）及輪廓誤差評定模塊。

圖 4 輪廓在機檢測軟件界麵（miàn）

2.1 測量程序生成模塊

數控程序生成（chéng）模塊主要（yào）用於生成實現在機測（cè）量的數控程（chéng）序，並通過以太網下載到數控係統。這裏采用靈活方便、易於操作的（de）數控宏程序編程，實（shí）現輪廓測量中的（de）簡單（dān）算術運算、邏（luó）輯控製功能[6]。例如，圓度循環測量的宏程序：

其（qí）中 M71/M70 為測頭係統的開關指令，M70為開；M21 為由車銑床狀態轉換，這是（shì）因為（wéi）圓度評定需要在（zài）工件圓周上均勻選取 12 個（gè）點，C 軸必須可以精確（què）轉到指定角度，故（gù）應在銑床狀態下進（jìn）行；然後是循環測量，其中 P9011 為安全移動宏程序，P9102 為 X 軸方向單一（yī）測量宏（hóng）程序，我們隻需輸（shū）入必要參數，即可實現我們理想（xiǎng）的運動軌跡和要求。測（cè）量程序在上位機中生成界麵如圖 5 所示。

圖 5 測量程序生成（chéng）模塊

2.2 數據采集模塊

數（shù）據采集模塊負責對數控（kòng）係統（tǒng）宏變量的讀取和設置，采集並保存測頭觸碰工件時工件尺寸。為此（cǐ）我們（men）利用 FANUC 係統（tǒng）提供的 focas 函數（shù）庫，在上（shàng）位機中基於 VC 平台開發了一個數據采集模塊，利用focas 函數庫中 cnc_download3(unsigned short Flib Hndl, long *length, char *data) 以及cnc_rdmacro(unsigned short Flib Hndl, short number, short length, ODBM *macro)函數實現對數控係統內存（cún）中宏變量的讀寫訪問，最後保存在數據庫中（zhōng），以（yǐ）便進行處理。具體界麵如圖 6 所示

圖 6 數據采集模塊

2.3 輪廓（kuò）誤差評（píng）定模塊

輪廓誤差評（píng）定模塊負責對采集的數據分析處理並（bìng）做（zuò）出評定（dìng），實現對（duì）回轉型零件輪廓的在機檢測。為此我們基於 VC 和 Maltab 平台開發了一個輪（lún）廓誤差評定模塊，用於評定零件的輪廓誤差[7]。具（jù）體（tǐ）過程是首（shǒu）先利用（yòng） Matlab 完成（chéng）圓度、圓柱度、圓錐度等評估算法程序的編寫並編（biān）譯成 COM 組（zǔ）件，然後利用 VC 調用編譯好的 COM 組件完成計算和評估。圖 7 為零件輪廓誤差（chà）評定界麵。

圖 7 輪（lún）廓誤（wù）差評定模塊

3 、在機輪（lún）廓檢測的誤差分析（xī）

在機輪廓檢（jiǎn）測係統雖然有效的避免了二次（cì）裝夾帶來的誤差（chà），但也不可避免的引入了機床、測量裝置等硬件的係統誤差（chà），因此，采取有效的方式減少這些誤差才是保（bǎo）證在線輪廓檢（jiǎn）測準確性的有效途（tú）徑[8]。

影響在機測量精（jīng）度的主要包括機床幾何誤差（chà）、測頭安裝誤差、測頭係統誤差[9]。首先，對於機（jī）床幾何誤差是由製造（zào）、安裝不善產生的機（jī）床導軌誤差、運動部件誤差、導軌間位（wèi）置誤差等因素（sù）綜合影響的，它直接影響著（zhe）機床坐標係統的精度，是影響在機測量精度的一個重要因素，這部分誤差主要由機床本身決定；對於（yú）測頭安裝誤差，這是影響測量精（jīng）度（dù）最大的可（kě）控因素，因為測頭是人為地（dì）裝夾在刀塔上的，所以為了最大限度的（de）減小測頭安（ān）裝誤差的影響，一方麵，我們在對（duì）刀後，會用千分表校正測頭位置，使測頭和測杆盡量和 Z 軸重合，另（lìng）一方麵，在執行測量程序前（qián），我們會先運行標定程序，這是（shì）由於千分表校正後仍會有誤差存在，通（tōng）過標定（dìng）程序可以把這（zhè）些微小誤差測量出來，並保存在固定的宏變量裏（lǐ），當執（zhí）行（háng）測（cè）量程序時，再通（tōng）過調（diào）用這些宏變量將誤差（chà）消除掉；對於測頭係統誤差，這是由其測量原理決定的，由於本（běn）測量裝置是觸發式的，當測頭（tóu）觸碰（pèng）工件後會（huì）有（yǒu）一定的預行程，因此，必須保證使每次測量時預行程是相等的，所以標定和測量程序中當測頭觸碰工（gōng）件時必須具有相同的速度，以減小測頭（tóu）係統（tǒng）誤差的影響。

4 、實例分析

為了驗證在（zài）機輪廓測量的可行（háng）性（xìng），我們基於以上設施，設計了如下的車（chē）削加工及在線測（cè）量實驗：首先在車床狀態下對工件進行外圓切削，然後在工件圓柱表麵上等間距地取四個截麵（miàn），並在銑床狀態下進行輪廓測量。通過使用上位（wèi）機中的測量程序生成模塊生（shēng）成測量宏程序，並（bìng）由以太網下載到數控係統內。工件每轉 30°測（cè）量（liàng） 1 次，通過上（shàng）位機軟件采集和保存測量結果。程序運行完畢，所得的測量結果表 1 所示。

表 1 測量結果

對於以（yǐ）上（shàng）保存的數據，直接調用輪廓誤差（chà）評（píng）定模塊進行處理，結果如下：

表 2 圓度誤差評定（dìng）結果

表 3 圓柱度誤差評定（dìng）結果

表 4 同軸度誤差評定（dìng）結果（guǒ）

5 、結語

通過在車銑複合加工中心上集成在線測量技術，實現了對回轉型工件輪廓的在機測量。雖然文中隻是針對圓柱型工件進行的輪廓（kuò）形狀（zhuàng）誤差評（píng）定，但（dàn）相似的測量（liàng）過程（chéng），配合不同的輪廓誤差評定方法，還可以推廣應用在凸輪等具有非圓曲線工件的輪廓檢測中。相比於（yú）離線測量（liàng），在機輪廓測量不僅能夠避免（miǎn）二（èr）次裝夾帶來的（de）誤差，提高測（cè）量效率，檢測結果還可以快速反饋至數控係統用以（yǐ）補償加工誤（wù）差，或者上傳至車間層（céng）用於生產管理，有利於（yú）構建無（wú）人化、自動化生產車間。

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