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大型深（shēn）孔加工機床在線檢測係統的研（yán）究（jiū）與設計

2018-4-8 來源：廣東工（gōng）業大學機電工程佛山新成洪鼎作者：劉洲張平李新（xīn）濤張國根

摘要: 目（mù）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（biǎo）等（děng）方法，針對（duì）這些方法不足的問題，文章（zhāng）開發出了一套在線式自動檢測與加工一體（tǐ）化裝置。該裝置運用激光位移傳感器在線掃描被加工件（jiàn）內腔輪廓，采用互為基準（zhǔn）的自動定心方（fāng）法，應用雙重迭代算（suàn）法快（kuài）速得到虛擬軸的空間位置。調整機構的快（kuài）速響應和檢測（cè）元件實時的反饋，使得機床（chuáng）主軸與虛擬軸自動調整重（chóng）合並進行後續加工。在現場的實際應用（yòng）表明係統很好地滿足了便攜式鏜孔機（jī）自動（dòng）定心要求，極大的降低了工人勞動強度，提高了定心精度和（hé）工作效率。

關鍵詞: 在線檢測; 自動定心; 迭代算法

0 引言

便攜式鏜孔機主要（yào）應用於大型重工行業，例如: 船舶加工製造業、軍事加工製造業、核電產業等大型難加工，且加工精度要求特別高的行業。鏜孔加工過程中鏜杆軸線的位置決定了（le）加（jiā）工後（hòu）孔的位置精度，同（tóng）時對加工孔的形狀精度也有直接影響（xiǎng）。目前（qián）國內便攜式鏜孔機的定心方式均采用手動（dòng）測量、人工（gōng）估算、手動調整的定心方法，特別是針對有磨損的大型深孔修複時，使用這（zhè）種調整方法不僅效率低、工人勞動強度大、定位精（jīng）度差，而且工件加工後易產生廢品，導致（zhì）巨大浪費（fèi）; 對於空間位置（zhì）有限深孔或盲孔，受條件限製工人無法安裝操作時，這就需要運用自動化手段實現鏜孔機自動定心。

因此，開發便（biàn）攜式鏜孔機的在線檢測自動定心係統是現場加工行業的（de）自動化（huà）發展的需求，對現場加（jiā）工行業（yè）的發展（zhǎn）有重要的推（tuī）動作（zuò）用。

1 、在線檢測自動定心係統

依據現場加工環境，以（yǐ）及係統安裝（zhuāng）條件為了實（shí）現便攜式鏜（táng）孔機的自動定心功能，設（shè）計（jì）如圖 1 所示的便（biàn）攜（xié）式鏜孔機測控係統圖。

圖 1 大（dà）型（xíng）深孔現場加工機床智能控製係統

該機床的在線檢測係統采用激光位移傳感器的（de）非接觸式測量方式（shì），通過多次（cì）測（cè）量調（diào）整來實現自動定心功能。測控係（xì）統（tǒng）主（zhǔ）要分為（wéi）三大模塊: 數據采集模塊、數（shù）據處理模塊、運動調（diào）整模塊。數據采集模塊: 在選定（dìng）的測量截麵內控製刀架旋轉從而帶動激光位移（yí）傳感器圓周運動，完成對工件內腔的（de）圓周掃描，采集得到一組距離數據; 運用無線傳（chuán）輸技術將這些（xiē）數據傳輸給上位（wèi）機，並（bìng）存儲在（zài）上位機中。通過對多個（gè）截麵的圓周掃描後，得到多組原（yuán）始數據點，實現對工件內腔原始數據的采（cǎi）集。

數據處理模塊: 上位機對（duì）工件內腔原始數據進行合理的運算處理，計（jì）算（suàn）出每個檢測截麵的圓心位置，然後（hòu）通過（guò）擬合運算擬合出工件內腔的虛擬軸線; 根據（jù）內腔虛（xū）擬軸（zhóu）線與鏜杆軸線的空間位置關係，在上( 下) 調整麵內（nèi）計算（suàn）出虛擬軸線點和鏜杆軸線點的空間位（wèi）置偏差量。

運動調整模塊: 上位（wèi）機將空間位置偏（piān）差量傳輸給運動控製器，經過運動控（kòng）製器的（de）運（yùn）算插補後，將插補信息傳輸給驅動裝置，驅動裝置驅使執行部件運動（dòng）帶動鏜杆運動，從而（ér）實現鏜杆的空間位置調整。

便攜式鏜孔機自動定心過程為: 首先（xiān），對進行機械本體各部（bù）件進行安裝，然後進行測控係統的安裝，將水平傾角（jiǎo）傳感（gǎn）器、激光位移傳感器、角度編碼器和壓（yā）力傳（chuán）感（gǎn）器等檢測元件以（yǐ）及（jí）各執（zhí）行機構的電氣元件同控製係統進（jìn）行連（lián）接，形成一個閉環（huán）控製的測控係統。

其次，標定激光位（wèi）移傳感器發光點距主軸（zhóu）軸心的距離為 r0，獲取一個原始距離值。以水平傾角傳（chuán）感器檢測方向為標準，標定坐標係方向，並建立 O-XYZ 測量坐標最（zuì）後，通過激光位移傳感器對工件原始內腔的逐層旋轉掃描如圖（tú） 2 所示。

圖（tú） 2 工件內腔檢測模型

獲取工件內腔的原始數據; 將得到的每層原始（shǐ）數據運用最小二（èr）乘法進行圓形擬合，從而得出每個截麵掃描圓的擬合圓（yuán）圓心及半徑（jìng）; 然後（hòu）每個截麵（miàn）處擬合的圓心再通過（guò）擬合運算，得出虛擬內腔圓柱的軸（zhóu）線; 在調整截麵內計算出兩（liǎng）軸線與截麵相交點之間的位置偏（piān）移量和，通過數據和與直線度 d 進行判別比較確定是否需要調（diào）整，如若需要調整則通過調整機構（gòu）實現（xiàn）鏜杆自動調整。

經過多次測量、調整後達到定心精度的要求，完（wán）成自（zì）動定心，然後進（jìn）行後續（xù）加工。2 最小二乘法定心算法根據圖 2 所示，工件內腔輪廓掃描過程（chéng）中將被測工（gōng）件內腔沿鏜杆軸（zhóu）線方向劃分為若幹個截麵，每個截（jié）麵內在圓周（zhōu）上均（jun1）分為若幹個采樣點，則每個（gè）采樣點的極坐標為（wéi）:

由（yóu）於工件內腔截麵輪廓為非標準圓，取測（cè）量截麵中第 K 個截麵( k≤n) 為研究對象，如圖 3 所示。

圖 3 第 K 個截麵掃描圖

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 個截麵可以得到 n 個擬合圓心，將這些擬（nǐ）合圓心值選用最小二乘（chéng）法進行線性擬合運（yùn）算，擬合（hé）運算（suàn）後能夠（gòu）得到一條理想空間直線 C上C下，如圖 4所示（shì）。

圖 4 自動定心模型

直線 C上C下為鏜杆所要調整目（mù）標的（de）位置軸線，鏜杆上下調整麵的調整量為 Δx，Δy ，調整範圍量為C上C下的直線（xiàn）度誤差 d，根據調整量（liàng）使（shǐ）鏜杆上下支（zhī）撐的中心點 A 和點

B 分別與點 C上和點 C下（xià）重合，完成一次鏜杆的自動調整。

3 、實驗（yàn）分析

運用實驗室虛擬儀器實（shí）驗平（píng）台 Lab VIEW 軟件，開發（fā）測控係統軟件。根據工件內腔建立實（shí）體模型，並進行鏜杆自動定心模擬實驗（yàn）驗證。工（gōng）件的原始內腔曲麵（miàn）模型可以自行建立（lì），其母線可為直線，斜線，單葉雙（shuāng）曲線等，其截麵可為圓或是橢（tuǒ）圓。本（běn）文（wén）建立的模型為橢圓斜（xié）柱模型，其工件內腔（qiāng）各（gè）截麵 x軸向半徑為 350mm，y 軸向半徑，半徑偏（piān）差範圍（wéi）為，截麵個數為，截距為，相對水平麵 x 軸向偏角 α = 10°，y 軸向（xiàng）偏角，生成工件內腔原始數據（jù）。

並通過原始數據進行（háng）多次迭代自動調（diào）整模（mó）擬，調（diào）整（zhěng）過（guò）程及結果如圖5、圖 6 所示:

圖 5 未調整時原始內腔的三維信息圖

圖 6 未調整時擬合內腔的三維信（xìn）息圖

經過三次迭（dié）代運算、調整後的圖（tú）形如圖 7 和圖 8所示

圖 7 三次迭代調（diào）整後（hòu）原始內腔的三維信息圖

圖 8 三次迭代調整（zhěng）後擬合內腔的三維信息圖

以建立（lì）橢圓斜柱工件內腔模型時的坐標係為絕對坐標係，檢測（cè）裝置在工件內腔內部（bù），沿鏜杆方（fāng）向運動，對工件內腔進行圓（yuán）周（zhōu）掃描測量從而獲得的的原始曲麵如（rú）圖 5a，對原始內（nèi）腔圓的圓心在絕對坐標下顯示如圖5b，將原始內腔截麵（miàn）圓的圓心（xīn）轉化為（wéi）在以鏜（táng）杆為 Z 軸的相對坐標係下（xià）的坐標如圖 5c。對原始曲麵（miàn）進行擬合得（dé）到內腔擬合曲麵如圖 6a，把圖 6a 中擬合曲麵（miàn）圓的圓心在絕對坐標係中顯（xiǎn）示如圖（tú） 6b，將圖 6b 中一係列的圓心進行運算，便可得到（dào）內腔擬合曲（qǔ）麵的圓柱直線（xiàn）度如圖6c。

經過合（hé）理的處理獲得上下端的調整（zhěng）量，根據調整（zhěng）量對（duì）鏜杆進行模（mó）擬調整，一次調整完成後再次進行數據采集、模擬運算然後進行調整。經過三次迭代運算、調整後得到圖 7 和圖 8 分別（bié）對應於圖 5 和圖（tú） 6。為了實現（xiàn）從原始內腔曲麵模型的建立到自動運行調整完成（chéng）的過（guò）程中，對測量數（shù）據和調整結果進（jìn）行記錄和保存，最終生成（chéng）檢測報告，以便（biàn）於輸出和打。自動檢測定心軟件可以自動形成表 1，如下所（suǒ）示。

表 1 自動定心實驗數（shù）據

以上實（shí）驗數據和調（diào）整的圖形中可以看出，該自動定心係統用於定心時，經過第三次（cì）迭代調整後，能夠得到很（hěn）好的定心效（xiào）果。定心偏差結果如下:

角度偏差:

上端（duān）偏差為:

從計算偏差可以看出，對於大（dà）型深孔（kǒng）加工過程中通過虛擬軟件控製調整（zhěng），說明該自動定心係統能夠很好的實現自動定心要求，並且定心誤差能達（dá）到 μm 級，實現現場加工設備的高精度檢測和精確定位。

4 、結論

綜上所述，本文采用互為基（jī）準的方法，對便（biàn）攜式鏜（táng）孔機的自動定心測（cè）控係統進行了設計，並通過實驗（yàn）驗證（zhèng），結果表明:

( 1) 該係統能夠實現在線檢測，快速進行數據處理，定心精度高，係統穩定，操（cāo）作（zuò）方便。

( 2) 該係統具有多用性，不僅能用於加工（gōng）前的係統自動（dòng）定心，還能夠用（yòng）於加工（gōng）後被加工（gōng）工件的質量檢測，可以實現定位檢測和加工質量檢（jiǎn）測一體化。

( 3) 運用自動化係統，大（dà）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。同時也提高了現場（chǎng）加工機械（xiè）的自動化（huà）程度（dù），為其他機械自動化的發展提供了參考。

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