基于加工中心的在機測量系統

孫宏強 楊 梅 岳彥芳

(①石家莊學院電氣信息工程系，河北石家莊050035;②石家莊信息工程職業學院計算機應用系，河北石家莊050035;③河北科技大學機械電子工程學院，河北石家莊050018)

加工中心在機測量系統是利用在主軸上安裝觸發式測頭代替加工刀具，運行測量軟件生成的類似于加工程序的測量程序，可以實現工件加工前的安裝定位，加工過程的中間尺寸計算和加工完成后的合格評價。相比三坐標測量機系統成本低，節約生產成本，實現一機多用。

1 總體方案設計

總體方案的設計根據結構組成大致分為計算機中的測量軟件和安裝了測頭的加工中心兩部分，見圖1所示。

首先把測頭尺寸、測量速度、機床坐標系的選擇等測量參數和工件測量要素信息等輸入到測量軟件，軟件會自動生成測量主程序。連同宏程序庫中相應的測量要素的測量宏程序一起由RS232串行通訊接口傳輸給加工中心。

執行測量程序可使裝在主軸上的測頭及工作臺上的被測工件按檢測程序要求產生測量動作，測頭接觸工件時產生電觸發信號，通過屏蔽電纜及I/O接口傳給數控系統，數控系統接收到此開關信號后，執行G31功能，將機床坐標值記入數控系統相應變量中，并實時通過RS232串行通訊接口將數據傳輸給計算機軟件，直至完成全部檢測工作。

數據接收完成后，會自動保存到測量軟件的數據庫中。根據要求，對一些進行計算和評價用到的基準進行構造，選取評價要素及這些基準即可完成尺寸計算和誤差的評價，并可生成數據報告。

2 軟件功能設計

經過詳細的研究和實驗，按照系統工程的開發方法和過程，對在機測量系統進行了從總體到局部的軟件詳細設計。為了提高測量過程的自動化，本著簡便易用的原則，軟件整體分為四大模塊，見圖2所示。考慮到文件操作和誤差補償兩個模塊內容相對較少，這里主要介紹測量程序生成模塊和數據處理模塊。

2.1 測量程序生成模塊

該模塊是整個系統的基礎，通過人機交互方式，由用戶進行列表式選擇或鍵盤輸入以下四項主要內容:

(1)測量參數 列表式選擇，主要涉及測頭工作參數和測頭系統參數兩大項。測頭工作參數包括測量時的快進速度和工進速度、工進距離和觸發后測頭的快退距離、接觸工件后的最大超程量，合理的設置可以提高測量的效率和精確度;測頭系統參數包括不同測頭的球徑、測頭的長度、球心在X和Y方向的標定以及所測工件在加工中心上的坐標系等。

(2)零件總體信息 需要鍵盤輸入測量工件所屬的產品名稱、部件名稱、零件名稱以及在此測量系統中唯一的一個零件編號，以備測量產品增多時進行區別。

(3)測量要素信息 鍵盤輸入主要包括測量基準和被測基本幾何要素(圓、圓柱、圓錐、平面和球)。對于不同的要素需要不同的輸入信息。

(4)機床通訊參數 列表式選擇加工中心的數控系統型號，傳輸所用到的計算機串口、傳輸速率等通訊參數。

以上所有參數輸入完畢并確認后，即可生成相應要素的測量主程序，要素的信息也同時保存到數據庫的相應要素數據表中，以便查詢或修改。

2.2 數據處理模塊

該模塊是在機測量的核心模塊，主要進行特征要素的構造、工件尺寸計算、形狀誤差和位置誤差的計算與評價以及數據報告的生成。具體包括:

(1)特征要素構造 采用面向對象的設計方法，將加工中心返回的測點數據經過構造，構造出用于進行尺寸、誤差計算與評價等所需要的直線、平面、點和圓等特征要素，方便其它模塊的使用和繼承。

(2)尺寸、形位誤差計算與評價 計算工件加工過程中各工序、工步的加工尺寸，如圓孔的直徑、凸臺、凹槽的寬度或深度等中間尺寸等，以便及時測量，提高加工效率。按照最小包容區域原則對形位誤差計算和評價，分析誤差，及時地修改加工程序。

表1 實驗結果與三坐標測量機評價結果對比

3 實驗系統

按照前邊描述的在機測量系統的總體模型我們建立了一套實驗系統:加工中心采用臺灣友嘉精機生產的FV-1000立式加工中心，數控系統為FANUC-0M;測頭系統選用哈爾濱先鋒機電技術開發有限公司的EP6BL-M40電觸發式測頭，其定位精度達到±0.003～ ±0.004 mm;還有 Global系列 777 三坐標測量機進行精度驗證，并且設計了一個典型零件進行測量，見圖3所示。

按照軟件的操作順序，輸入零件和測量參數信息，選擇測量和機床通訊參數，生成測量主程序，和所用到的測量要素宏程序一起發送到加工中心。點擊接收數據，開始測量。測量完成后，構造出如圖3中各個要素的基準，并按照表1所示的基準和被測要素進行評價，得到的結果以及用三坐標測量機驗證的結果一起列入表1中。

4 結語

由表1的數據可以看出，本實驗所計算的結果有幾項與三坐標測量機的測量結果相比有一定的誤差，但總體看來，評價結果絕對誤差都小于0.01 mm。考慮到加工中心的結構、行走機構、工作環境、觸發測頭的重復定位精度等因素與三坐標測量機有一定的差距，還有測量中與三坐標測量機測量的不是同一點(要測同一個點也很困難)，所以它們的精度基本上符合工程中的誤差范圍。

利用三坐標測量機測量的測點數據，本軟件的評價精度與三坐標相比相差無幾，所以本測量軟件算法可靠。對于一般精度要求的零件，這個結果已經屬于比較精確的了，所以本系統軟件的計算和評價結果比較可靠，可以在實際中推廣應用。

1 任建平，趙美虹.加工中心與微機間數據傳輸的實現.機床與液壓，2001(2):7～8

2 李航，利永銅.自動測量技術在加工中心上的應用.組合機床與自動化加工技術，1996(10):39～42

3 王清明，盧澤生，董申.機械加工在線測量技術綜述.計量技術，1999(4):3～6

4 李靜.三坐標測量機同軸度誤差檢測功能的開發.成組技術與生產現代化，2001(2)

5 劉爾編.形位誤差檢測.北京:北京理工大學出版社，1988.

6 Liu Zhanqiang，Patri KVenuvinod，VAOstafiev.On machinemeasurement of workpieces with the cutting tool［J］.Integrated Manufacturing Systems.1998(9):168-172

7 Gao Dong，W.M.Chiu，F.W.Lam.Improvement ofmachining accuracy in precision micro-boring system by forecasting compensatory control technique.Journal of Harbin Institute of Technology(New Series).2001(1)