回轉(zhuǎn)類工件加工誤差在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)
2017-12-8 來源： 上海大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化及機(jī)器人重點(diǎn) 作者：王為東 沈南燕 吳耀贊 喻志響
摘 要 ：針對(duì)回轉(zhuǎn)類工件輪廓加工誤差檢測(cè)，開發(fā)了一套用于數(shù)控車銑復(fù)合加工中心的在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)。利用接觸式測(cè)頭，讀取數(shù)控機(jī)床各軸坐標(biāo)值獲取測(cè)量數(shù)據(jù)并由以太網(wǎng)上傳至上位機(jī)，配合誤差評(píng)定算法及相關(guān)軟件，實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)類工件尺寸、圓度、圓柱度及同軸度的在機(jī)檢測(cè)。介紹了測(cè)量系統(tǒng)的硬件組成、軟件開發(fā)及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在機(jī)檢測(cè)結(jié)果可以反饋至數(shù)控系統(tǒng)用以補(bǔ)償加工誤差，也可通過車間局域網(wǎng)上傳至車間層用于生產(chǎn)管理，因此該系統(tǒng)在大批量、無人化生產(chǎn)中具有良好的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞 ： 回轉(zhuǎn)類工件 接觸式測(cè)頭 圓度 誤差評(píng)定
機(jī)械加工是先進(jìn)制造技術(shù)的基層作業(yè)，是先進(jìn)制造系統(tǒng)中最基本最活躍的環(huán)節(jié)，其基本目標(biāo)是在低成本、高生產(chǎn)率的條件下保證產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。但在目前的數(shù)控車床加工過程中，零件加工精度的檢測(cè)主要是采用傳統(tǒng)的手工測(cè)量和離線檢測(cè)方法，包括回轉(zhuǎn)軸線法、三點(diǎn)法、投影法等。這些方法都需要將工件轉(zhuǎn)移到專門的夾具里用專門的測(cè)量?jī)x或千分表、卡尺進(jìn)行測(cè)量，顯然這些測(cè)量方式需要二次定位與裝夾，不僅效率低，還會(huì)產(chǎn)生二次定位誤差，越來越不能滿足車間快速加工生產(chǎn)的需要[2]。
如果能把車床和合適的檢測(cè)儀器有機(jī)結(jié)合起來，這樣車床不僅可以用于工件加工，而且可以直接對(duì)剛加工完成的工件進(jìn)行尺寸測(cè)量，再利用 CNC 系統(tǒng)的通訊功能，就可以直接通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件輪廓誤差的評(píng)定。通過這種方法不僅可以有效避免二次裝夾誤差，提高測(cè)量精度，解決離線零件檢測(cè)中的費(fèi)時(shí)費(fèi)力問題，而且可以擴(kuò)大車床的使用范圍，具有很好的應(yīng)用價(jià)值[3]。
因此，針對(duì)以上問題，本文圍繞回轉(zhuǎn)型零件的輪廓檢測(cè)，在數(shù)控車銑復(fù)合加工中心上展開了在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的研究。通過集成在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)型工件輪廓的方便快捷的測(cè)量和評(píng)定。
1 、在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建
數(shù)控系統(tǒng)本身并不具有測(cè)量和誤差評(píng)定的能力，要實(shí)現(xiàn)輪廓的在機(jī)測(cè)量，必須在數(shù)控機(jī)床本身能力的基礎(chǔ)上，集成具有測(cè)量能力的裝置，并開發(fā)具有誤差評(píng)定功能的軟件。因此，有效的系統(tǒng)集成是實(shí)現(xiàn)在機(jī)輪廓測(cè)量的關(guān)鍵。如圖 1 所示，在 HTC50100車銑復(fù)合加工中心上集成了 Marposs 接觸式在線測(cè)量裝置，采用以太網(wǎng)經(jīng)由無線路由器實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)的連接與通訊。
圖 1 在線測(cè)量系統(tǒng)組成
1.1 在線測(cè)量裝置與數(shù)控系統(tǒng)的集成
本次試驗(yàn)使用的測(cè)量裝置為 Marposs E83L 加工中心專用觸發(fā)式測(cè)量系統(tǒng)[4]，主要由信號(hào)發(fā)射器、測(cè)頭和信號(hào)接收器組成。其中信號(hào)發(fā)射器和測(cè)頭作為刀具裝在刀塔上，發(fā)射器和接收器之間通過紅外傳輸?shù)姆绞竭B接。接收器接收發(fā)射器發(fā)射的紅外信號(hào)，并傳送給 CNC 系統(tǒng)，同時(shí)通過指示燈的變化，顯示測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)。例如：若程序運(yùn)行有問題，“Error”指示燈會(huì)閃爍；當(dāng)其接收到觸碰號(hào)時(shí)，“Probe Status”指示燈會(huì)閃爍等[5]。可以根據(jù)指示燈的狀態(tài)，判斷測(cè)量系統(tǒng)的工作情況，并合理的處理異常情況，信號(hào)接收器與 CNC 系統(tǒng)具體接線如圖 2 所示。
圖 2 信號(hào)接收器與數(shù)控機(jī)床的接線圖
在實(shí)現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)時(shí)，利用的是 FANUC 數(shù)控系統(tǒng)的高速跳轉(zhuǎn)指令，即 G31 指令。該指令通常只用于測(cè)量功能，需要外部輸入信號(hào)，輸入信號(hào)地址是X4.7。G31 執(zhí)行過程中如果沒有 SKIP 信號(hào)則和G01 完全一樣，如果在執(zhí)行過程中 SKIP 信號(hào)置“1”，則在 SKIP 信號(hào)置“1”的位置清除剩余運(yùn)動(dòng)量，直接執(zhí)行下一個(gè)程序段。在 SKIP 信號(hào)置“1”時(shí)，進(jìn)給軸的坐標(biāo)值會(huì)儲(chǔ)存在系統(tǒng)變量中，供測(cè)量宏程序計(jì)算使用。本研究中當(dāng)測(cè)頭觸碰到工件后，信號(hào)接收器就可以將觸碰信號(hào)傳送給 CNC 系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)。圖 3 所示為跳轉(zhuǎn)功能示意圖。
圖 3 G31 跳轉(zhuǎn)功能示意圖
1.2 上位機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)的集成
隨著科技的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)也得到了進(jìn)一步的完善。現(xiàn)在數(shù)控系統(tǒng)不僅具有通信功能，能夠通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)連接，而且為用戶提供了許多工具包和函數(shù)庫，供用戶更好的開發(fā)和使用。
本次試驗(yàn)通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)的集成，然后利用 FANUC 系統(tǒng)提供的 focas 函數(shù)庫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(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)存中宏變量的讀寫，進(jìn)而通過上位機(jī)軟件對(duì)工件輪廓作出評(píng)價(jià)。
2 、輪廓檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)
要實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)型零件的輪廓檢測(cè)，不僅僅需要硬件的投入，也要軟件的支撐。本次試驗(yàn)所使用的軟件主要是基于 VC 平臺(tái)開發(fā)的，其中評(píng)定算法是利用 Matlab 語言編寫并編譯成 COM 組件，發(fā)布后供上位機(jī)軟件調(diào)用。軟件功能組成如圖 4 所示。檢測(cè)軟件主要分為三個(gè)模塊，即數(shù)控程序生成模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及輪廓誤差評(píng)定模塊。
圖 4 輪廓在機(jī)檢測(cè)軟件界面
2.1 測(cè)量程序生成模塊
數(shù)控程序生成模塊主要用于生成實(shí)現(xiàn)在機(jī)測(cè)量的數(shù)控程序，并通過以太網(wǎng)下載到數(shù)控系統(tǒng)。這里采用靈活方便、易于操作的數(shù)控宏程序編程，實(shí)現(xiàn)輪廓測(cè)量中的簡(jiǎn)單算術(shù)運(yùn)算、邏輯控制功能[6]。例如，圓度循環(huán)測(cè)量的宏程序：
其中 M71/M70 為測(cè)頭系統(tǒng)的開關(guān)指令，M70為開；M21 為由車銑床狀態(tài)轉(zhuǎn)換，這是因?yàn)閳A度評(píng)定需要在工件圓周上均勻選取 12 個(gè)點(diǎn)，C 軸必須可以精確轉(zhuǎn)到指定角度，故應(yīng)在銑床狀態(tài)下進(jìn)行；然后是循環(huán)測(cè)量，其中 P9011 為安全移動(dòng)宏程序，P9102 為 X 軸方向單一測(cè)量宏程序，我們只需輸入必要參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)我們理想的運(yùn)動(dòng)軌跡和要求。測(cè)量程序在上位機(jī)中生成界面如圖 5 所示。
圖 5 測(cè)量程序生成模塊
2.2 數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)宏變量的讀取和設(shè)置，采集并保存測(cè)頭觸碰工件時(shí)工件尺寸。為此我們利用 FANUC 系統(tǒng)提供的 focas 函數(shù)庫，在上位機(jī)中基于 VC 平臺(tái)開發(fā)了一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，利用focas 函 數(shù) 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(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)存中宏變量的讀寫訪問，最后保存在數(shù)據(jù)庫中，以便進(jìn)行處理。具體界面如圖 6 所示
圖 6 數(shù)據(jù)采集模塊
2.3 輪廓誤差評(píng)定模塊
輪廓誤差評(píng)定模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)分析處理并做出評(píng)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)回轉(zhuǎn)型零件輪廓的在機(jī)檢測(cè)。為此我們基于 VC 和 Maltab 平臺(tái)開發(fā)了一個(gè)輪廓誤差評(píng)定模塊，用于評(píng)定零件的輪廓誤差[7]。具體過程是首先利用 Matlab 完成圓度、圓柱度、圓錐度等評(píng)估算法程序的編寫并編譯成 COM 組件，然后利用 VC 調(diào)用編譯好的 COM 組件完成計(jì)算和評(píng)估。圖 7 為零件輪廓誤差評(píng)定界面。
圖 7 輪廓誤差評(píng)定模塊
3 、在機(jī)輪廓檢測(cè)的誤差分析
在機(jī)輪廓檢測(cè)系統(tǒng)雖然有效的避免了二次裝夾帶來的誤差，但也不可避免的引入了機(jī)床、測(cè)量裝置等硬件的系統(tǒng)誤差，因此，采取有效的方式減少這些誤差才是保證在線輪廓檢測(cè)準(zhǔn)確性的有效途徑[8]。
影響在機(jī)測(cè)量精度的主要包括機(jī)床幾何誤差、測(cè)頭安裝誤差、測(cè)頭系統(tǒng)誤差[9]。首先，對(duì)于機(jī)床幾何誤差是由制造、安裝不善產(chǎn)生的機(jī)床導(dǎo)軌誤差、運(yùn)動(dòng)部件誤差、導(dǎo)軌間位置誤差等因素綜合影響的，它直接影響著機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)的精度，是影響在機(jī)測(cè)量精度的一個(gè)重要因素，這部分誤差主要由機(jī)床本身決定；對(duì)于測(cè)頭安裝誤差，這是影響測(cè)量精度最大的可控因素，因?yàn)闇y(cè)頭是人為地裝夾在刀塔上的，所以為了最大限度的減小測(cè)頭安裝誤差的影響，一方面，我們?cè)趯?duì)刀后，會(huì)用千分表校正測(cè)頭位置，使測(cè)頭和測(cè)桿盡量和 Z 軸重合，另一方面，在執(zhí)行測(cè)量程序前，我們會(huì)先運(yùn)行標(biāo)定程序，這是由于千分表校正后仍會(huì)有誤差存在，通過標(biāo)定程序可以把這些微小誤差測(cè)量出來，并保存在固定的宏變量里，當(dāng)執(zhí)行測(cè)量程序時(shí)，再通過調(diào)用這些宏變量將誤差消除掉；對(duì)于測(cè)頭系統(tǒng)誤差，這是由其測(cè)量原理決定的，由于本測(cè)量裝置是觸發(fā)式的，當(dāng)測(cè)頭觸碰工件后會(huì)有一定的預(yù)行程，因此，必須保證使每次測(cè)量時(shí)預(yù)行程是相等的，所以標(biāo)定和測(cè)量程序中當(dāng)測(cè)頭觸碰工件時(shí)必須具有相同的速度，以減小測(cè)頭系統(tǒng)誤差的影響。
4 、實(shí)例分析
為了驗(yàn)證在機(jī)輪廓測(cè)量的可行性，我們基于以上設(shè)施，設(shè)計(jì)了如下的車削加工及在線測(cè)量實(shí)驗(yàn)：首先在車床狀態(tài)下對(duì)工件進(jìn)行外圓切削，然后在工件圓柱表面上等間距地取四個(gè)截面，并在銑床狀態(tài)下進(jìn)行輪廓測(cè)量。通過使用上位機(jī)中的測(cè)量程序生成模塊生成測(cè)量宏程序，并由以太網(wǎng)下載到數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)。工件每轉(zhuǎn) 30°測(cè)量 1 次，通過上位機(jī)軟件采集和保存測(cè)量結(jié)果。程序運(yùn)行完畢，所得的測(cè)量結(jié)果表 1 所示。
表 1 測(cè)量結(jié)果
對(duì)于以上保存的數(shù)據(jù)，直接調(diào)用輪廓誤差評(píng)定模塊進(jìn)行處理，結(jié)果如下：
表 2 圓度誤差評(píng)定結(jié)果
表 3 圓柱度誤差評(píng)定結(jié)果
表 4 同軸度誤差評(píng)定結(jié)果
5 、 結(jié)語
通過在車銑復(fù)合加工中心上集成在線測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)回轉(zhuǎn)型工件輪廓的在機(jī)測(cè)量。雖然文中只是針對(duì)圓柱型工件進(jìn)行的輪廓形狀誤差評(píng)定，但相似的測(cè)量過程，配合不同的輪廓誤差評(píng)定方法，還可以推廣應(yīng)用在凸輪等具有非圓曲線工件的輪廓檢測(cè)中。相比于離線測(cè)量，在機(jī)輪廓測(cè)量不僅能夠避免二次裝夾帶來的誤差，提高測(cè)量效率，檢測(cè)結(jié)果還可以快速反饋至數(shù)控系統(tǒng)用以補(bǔ)償加工誤差，或者上傳至車間層用于生產(chǎn)管理，有利于構(gòu)建無人化、自動(dòng)化生產(chǎn)車間。
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