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在線測量技術在精密（mì）磨床中的應用

2018-2-26 來源：中航工業北京航空精（jīng）密機械研究所作者：張東亮，梅（méi）國（guó）平，薑新生，陳宇

[摘要] 通過為（wéi）數控精密磨床裝配雷尼紹測頭，詳（xiáng）細介紹了在線測量在數字控（kòng）精密磨床係（xì）統的構成、工作原理、數據處理方法以及（jí）磨削實驗結（jié）果，使其（qí）具備在線測（cè）量功能，實（shí）現了產品的測量、加（jiā）工一體化。

[關鍵詞（cí）] 數控磨床；在線測量；數據處理

引言

數控加工一（yī）般采用離（lí）線（xiàn）測（cè）量模式，工件加工完成後需要搬運到檢驗部門進行檢（jiǎn）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（jīng）度；工（gōng）件（jiàn）在搬（bān）運、裝卡過程中也容（róng）易出現變（biàn）形與磕碰；造成操作工人勞（láo）動強度高，生（shēng）產效率低。在線測量指工件加工完成後（hòu）不拆卸，通（tōng）過與機床集成在一起的測量係統直接對其進行測量，檢驗加工（gōng）是否合格（gé），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（lǜ）。

精密磨床集成（chéng）在線測量功能（néng）後，可實現工件內廓麵測量成形、加工（gōng） G 代碼自動編程、磨削量自動檢測等功能（néng），使數控磨（mó）床成（chéng）為測量、加工一體（tǐ）化設備。本文介紹了實（shí）現精密磨床在線測量需解決的測量坐標係建立、工件曲麵建模、工件測量加工 G 代碼生成等關鍵技術問題，並通過（guò）磨削試驗驗證了精密磨床在線測量功能。

1 、在線測量精密磨床係統構成

精密數控磨床係統構成（chéng）如圖 1 所示，其包含 X、Y、Z 三個（gè）直線軸和 C 軸、電主軸兩個旋轉軸，其中 C 軸上裝卡工件，通過 X 軸、Z 軸（zhóu）、C 軸三軸聯動實現在線測量和磨削加工；電主軸上安裝磨頭，可（kě）以以最高 12000r/h 轉速對工（gōng）件進行磨削加工。

測頭為雷（léi）尼紹手動旋轉測頭，分（fèn）辨率為 0.001mm，其優（yōu）越的三維測量性能與高精度（dù）光柵尺相配套，可保證產品測量的準確度。旋轉測頭可以克服因被加工（gōng）產品長，被測空間小所帶來（lái）的死區，提高測量效（xiào）率。測頭安裝在測量（liàng）杆上（shàng），信號通過數控係統快速 I/O 接（jiē）口引入，以提高測量精度。測（cè）頭接觸工（gōng）件瞬（shùn）間可觸發（fā）中（zhōng）斷（duàn），數控係統通過 MEAS 命令記（jì）錄當前坐標值，並記錄到測量文件中。通過測（cè）量軌（guǐ）跡（jì）規劃（huá），可實現工件內闊（kuò）麵測量，測量結果作（zuò）為加工 G 代碼自動編程依據，通過（guò）加工前後測量結果對比可檢（jiǎn）驗磨削量是否合格。

精密數控磨床（chuáng）為高精度（dù）機床，任何誤差（chà）引入係（xì）統都將（jiāng）影響加工精度，本係統安裝光學成像設備（bèi）作（zuò）為對刀係統，通過調整高精度光學鏡頭，可將測頭和磨頭在同一焦距下放大數（shù）倍，並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（zhǎo）到二者之間相對位置關係，即可建（jiàn）立測量坐標係和加工坐標係。上位計算機采用高配置工作站，完成測量軌跡規劃、測量 G 代碼自動編程、測量結果曲麵擬合、加工 G代碼自動編（biān）程（chéng）、加工結果校驗等大數據計算（suàn）處理工作，同時提供（gòng）人機交互界麵，實（shí）現加工參數設定，加工 G 代碼仿真執行，操作（zuò）記錄等功能。

840D 數控係統執行測量（liàng）和加工 G 代碼，通過多軸插補運動實現工件的（de）測量和磨削加工。

圖1 精密數控（kòng）磨床係（xì）統構成示意圖

2、測量、加工坐標係建立

工件測量和加工都是基於工件母線曲線方（fāng）程，其原點位於工件頂部，所以進行加工前需建立以該原點為基準的測量坐標係 G54、加工坐（zuò）標係 G55。精密磨床光學對刀係統如（rú）圖 2 所示，通過固定在磨（mó）床上的基準塊和光學成像係（xì）統，找到測頭和（hé）磨頭與工件坐標原點（diǎn）之間相對位（wèi）移，進而建立測量坐標係、加工（gōng）坐標係。

① 在安裝基（jī）準塊時（shí）準確測量其 X、Y、Z 三個（gè）方向與工作坐標原點的坐標差值，並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 精密數控磨（mó）床光（guāng）學對刀係統圖

② 測頭測量基準（zhǔn）塊 X、Y、Z 三個端麵，數控係統自動記錄測頭中心點坐（zuò）標值，通過與基準塊坐（zuò）標差值計算，得到測頭相對（duì）於工件坐標原點（diǎn）位移（yí），在數控係統中設置坐標偏移值，建立測（cè）量坐標（biāo）係 G54。

③ 通（tōng）過光學成像係統找到測頭中（zhōng）心點與磨頭中心點 X 向、Z 向坐標差值，通（tōng）過與（yǔ）測量坐標差值計算，得到磨頭（tóu）相對於（yú）工件坐標原點位移，在數控係統中設（shè）置坐標偏移值，建立加工坐標係 G55。

3 、數據處理方法及加工 G 代碼生成

精密數控磨床通過對工件（jiàn）上分散（sàn）點的（de）測量得到點雲數據，運（yùn）用最小二乘法進（jìn）行母線方向及（jí）圓周（zhōu）方向兩維曲線擬合，得到被測工（gōng）件回轉體曲麵。依此為基礎，結合刀具（磨頭）自（zì）身特點，根據（jù）加工參數自動生成加工 G 代碼，保證加工精度。加（jiā）工完成後可對加工區域再次進行測量，驗證加工效果，檢測（cè）加工誤差，若誤差超出了要求，可對未達標區域進行再加工，直到滿足加工要求。

對工件內廓麵精密測量（liàng）和修磨加工是數控磨床兩大最基本功能，數據處理是將測量和加工聯係起來的橋梁，同時也是按要求精密修磨的關鍵。

數據處理的任務是將（jiāng）測量的數據進行（háng）曲麵建模，建立加（jiā）工基麵（miàn），在此（cǐ）基礎上根據加工去除量和刀具軌跡規劃生成加工 G 代（dài）碼，完成對工（gōng）件的修磨加（jiā）工。曲麵數字化修磨數據處理流程如圖 3 所示：

圖（tú）3 精（jīng）密數控（kòng）磨床數據處理流程圖

① 內廓麵測量

對工件加工區域進行測量（liàng）的過（guò）程如下：測頭沿一條母線按等步（bù）長采集測量數據完畢後，工件沿圓周方向等間距旋轉，使測頭沿另一條母線采集數據，重複上述過程，依次（cì）遍及（jí）整個測量區（qū）域。

② 曲麵建模

對工件（jiàn）內廓麵進行測量之後得到（dào）一係列離散數據點（diǎn），根據工件加工工藝要求，找到所有測量（liàng）點中距離內表麵理論點（diǎn）最高的一（yī）個點，以這個點位（wèi）基準勾勒（lè）出距理論內表麵等距的一（yī）個虛擬曲麵，然後（hòu）在此基礎上根據各點的去處量自動生成（chéng）加工 G 代碼。

針對（duì）工件（jiàn）在圓周（zhōu）方向上的圓度已達（dá）到較高精度且加工區域在母線上曲率變化較平緩這一特點，采用最小二乘法曲（qǔ）線（xiàn）擬合的方法，即根據測量數據點，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，根據母線方向擬合曲線的數（shù）據將圓周方向的 X 坐標與（yǔ） C 坐（zuò）標進行三次多項式曲麵擬合，兩個方向的擬合曲線（xiàn）即（jí）組（zǔ）成了工作基麵；然後（hòu）根據磨削去除量再沿著工件基麵的法線方向計算出（chū）加工基麵。以擬合加工基麵方程為基（jī）準並依據工藝參數以及測頭和磨頭半徑在法向方向上進（jìn）行半徑補償，就可以得到磨頭中心坐標曲麵。最終根（gēn）據加工精度計（jì）算母線方向加工（gōng）步（bù）距和圓周方向加工步距，規劃刀具軌跡，構成加工基麵的型值點（diǎn）集合（hé），生（shēng）成加工 G 代碼（mǎ）。

③刀具軌跡規劃

精密（mì）磨床采（cǎi）用螺旋線（xiàn）形的環切刀具軌跡遍曆內廓形，加（jiā）工過程中磨頭在工件內由裏向外，先（xiān）控製磨頭（tóu）伸到工件的靠頂端處第一個螺旋環第一個節點處，通過控（kòng）製工件在 C 向旋轉和磨頭 X、Z 向微動，三軸聯動來完成（chéng）第一圈修磨；第一圈的（de）終點即為第二（èr）圈（quān）的起點，同樣由工件旋轉和（hé）磨頭微動三軸聯動完成第二周的加（jiā）工，依次完成（chéng）對整個內廓麵的修（xiū）磨。

4 、數控磨床磨（mó）削加工試驗

在線測量（liàng）數控磨床在加工完成後可通過測（cè）量係（xì）統驗證加（jiā）工精度：將加工區域內每條測量母線加工前後的測（cè）量結果相減，得到各條母線加工值（zhí），如圖 4 所示：

圖4 精密數控磨床加工結果數據圖

加工範圍：Z 向（工件母（mǔ）線方（fāng）向）30mm，坐標範圍245~275mm；磨削量：0.07mm，即工件母線（xiàn）的 X 向（磨削進給方向）磨削前後坐標差值（zhí）；圓周采樣步距：90°，即在圓周方向每隔 90° 取一（yī）條母線（xiàn）進行測（cè）量，共采集 4 條（tiáo）母線數據（0°，90°，180°，270°）；母線采樣步距：5mm，即沿母線（xiàn） Z 向每隔 5mm 采集數據，每條母線（xiàn）上得到 7 個數據；圖 4 橫坐標為 4 條母線的 Z 坐（zuò）標；圖 4 縱坐標為加（jiā）工前、後測量點（diǎn） X 坐標的差值，即磨削去除量；每（měi）條母線上方（fāng）的角度（dù）值表示該條母線在（zài）圓周（zhōu）方向的位置（zhì）。

可以看出，工件內表麵的磨削是（shì）以近似相（xiàng）等的（de）去處量進行的，誤差控製在 ±0.01mm 以內，該誤差影響因（yīn）素包括：①雷尼（ní）紹旋轉測頭 0.006mm 測量精（jīng）度；②直線軸 0.007mm 定位精度；③對刀係統誤（wù）差、裝卡誤差等。

5 、結論

在（zài）線測（cè）量技術（shù）應用到精密（mì）數控磨床中，實現了產品的測量、建模、加工一體化，節省了工（gōng）件搬（bān）運（yùn）、重複裝卡的工時，提高了產品測量、加工（gōng）精度，經實際應用其加工精度能控製（zhì）在 ±0.01mm 以內，同時該（gāi）設（shè）備降（jiàng）低了工人勞動強度，顯著提高了（le）生產（chǎn）效率。可以預見，在線測量技術在數控機床中的廣泛應用會成為（wéi）發展趨勢。

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