基于五軸加工中心高精度箱體相交孔系位置度在線自動檢測系統的研究與開發

關雄飛 呼剛義

(西安理工大學高等技術學院，陜西西安710082)

在一些大型、高精度箱體類零件的孔系加工中，對于孔的形位公差的測量是一個決定生產質量和效率的關鍵環節。但在目前實際生產中所采用的各種方法，手工檢測精度和效率較低;三坐標檢測本身測量精度很高，但離線測量不但帶來很大的定位基準誤差，且對工件的修正加工帶來困難，多次裝夾工件還增加了工作強度;而利用加工中心機床本身的功能，在線測量不僅能更好地滿足工件檢測精度要求，對提高生產質量和生產效率，減輕勞動強度都有著很高的應用價值。

本文針對高精度箱體上相交斜孔位置度在線自動檢測問題進行了研究，提出了開發設計的思路和方法，并對系統測量宏程序的編制進行了深入的分析和研討，通過箱體相交斜孔的生產實例，編制了檢測宏程序。同時，對系統的組成原理、工藝性、檢測精度、安全性以及數據處理等作了必要的論述。

1 基本組成和工作原理

五軸加工中心在線自動測量系統包括加工中心、計算機、測頭系統和工件。接觸式測頭像普通刀具一樣安裝在加工中心刀庫中，可由程序控制實現自動調出并安裝在主軸上，測頭就相當于一個重復精度很高的觸點開關。其工作原理如圖1所示，首先在計算機上生成自動測量宏程序，并將測量宏程序由RS232通信接口傳輸給機床數控系統，數控系統將程序處理后，發出控制指令，從而使機床伺服系統驅動工作部件，利用加工中心系統本身的傳動機構控制測頭向測量點運動，當測球以一定的速度接觸工件時，測頭被觸發，測頭內部觸點脫開，觸發信號傳到轉換器，轉換器發出短暫的蜂鳴聲，并通過測頭與數控系統的專用接口轉變成數控系統可識別的信號，該點瞬時的機床坐標由運行的程序讀出并記入相應的變量中。信號接受后，加工中心立即停止運動。測頭允許一定的超程，但測頭的運動速度不能過高，以免損壞，必須用跳步指令來實現測量工進動作(如FANUC 0mc系統的跳步指令為G31)。當測頭離開工件時，發出第2次蜂鳴聲，測桿復位。

在計算機軟件系統控制下，可對系統測量結果進行計算、補償、數據庫鏈接及可視化等各項數據處理工作，直至完成全部測量工作。

2 測量宏程序及其編制

測量宏程序是加工中心在線測量的依據，是使測頭按照一定速度和特定路線執行測量任務的命令集。在編制某個工件測量宏程序時，首先要制定工件的檢測工藝方案，并根據所使用的五軸加工中心規定的指令代碼及程序格式，將工件的檢測元素、幾何參數、測頭運動路徑規劃以及其他輔助動作編制成工件檢測程序單，再將程序單輸送給數控系統，從而指揮加工中心實現檢測功能。工件結構形狀、精度要求不同，檢測程序及參數也不同。

測量宏程序的編制應注意以下幾個問題:

(1)由于測頭和機床類型的不同組合，為實現不同測量功能的宏程序的編制也不盡相同，編程者要對不同組合的系統進行分析和比較。

(2)要明確測量對象是序前、序中還是序后測量。序前測量由于被測要素的位置坐標不明確，需要手動引導測頭進入測量區。而序中和序后測量，由于有準確的測量位置坐標，可通過程序實現自動測量。

(3)明確被測對象的幾何要素特征，選定相應的測量方法，包括測量速度、測點數、測點分布、測頭接觸方式及測量路徑規劃等。

(4)因為是利用機床在線測量，機床要完成的加工工序比較多，對局部變量(#1～#33)、公共變量(#100～#149，#500～#531)的使用應先進行設計安排并作出規劃表，以使工件加工和測量中信息參數不至于因為地址重疊而發生數據混亂。從實現角度講，編制測量宏程序最關鍵的問題是對宏變量的操作。宏程序中用系統變量保存模態信息變量，如記錄刀具偏置值、工件偏置值和坐標值等。公共變量是各子宏程序之間共同使用的變量，它們用來保存標定信息或坐標轉換信息。與公共變量相反，各子宏程序的局部變量相互獨立，其有效范圍只局限在本程序。通過局部變量可實現數據交換、條件判斷等功能。

(5)測量路徑的快速性、精確性和安全性是編制測量宏程序的關鍵。測頭的運動速度包括定位速度和接近速度，即測量動作是由一個個定位動作、接近動作、接觸動作和后退動作組合而成，如圖2所示。在要求高精度甚至精密檢測情況下，測量動作需要重復進行，以消除在線測量系統中各種可能的隨機誤差因素。系統記錄每次測量的坐標值，并進行多次累加求出測點坐標平均值。如果采用多次碰撞重復測量，并合理安排定位動作、接近動作、接觸動作和后退工作的點坐標位置和運動速度，即可保證測量的精度和速度。本系統中精密測量選項即是指重復測量求取平均值。

測量路徑的安全性是指測量過程中工件和測頭的安全性，既要避免測頭對工件的擦傷，又要避免工件或夾具對測頭的超程撞擊。

對本系統來說，測量路徑的安全性應遵循以下原則:

(1)G31指令程序段的下一段要用反向運動指令，這樣可有效地避免測頭的超程撞擊。

(2)要避免相鄰程序段連續使用G31，以免產生超程撞擊以致損壞測頭或工件。

(3)測頭尋找工件時用G31指令并使用較小的進給速度，絕對不允許使用G00或G01。

(4)對異形件的測量，要充分考慮到中間障礙物的高度、大小問題。

(5)多使用一些工藝性的防止碰撞的程序段。

3 測量宏程序實例

圖3為某箱體零件相交孔部分簡化結構示意圖。設計要求零件上表面的垂直孔與斜側面上的相交孔有較高的位置度。由于箱體較大，移動及安裝定位不易，所以采用在線測量的方式進行檢驗。以零件上表面垂直孔作為基準孔，這樣可以消除零件安裝誤差對測量精度的影響。對每一被測孔通過坐標系變換，設定局部坐標系，保證主軸軸線與孔軸線平行，局部坐標系的原點即為被測孔的位置理論點。坐標變換的原理如圖4所示，先將原坐標系平移至被測孔中心O1(xe，ye，ze)，X軸保持水平，坐標系繞X軸旋轉α角度，再繞Z軸旋轉γ角度，便得到被測孔的局部坐標系O1X1Y1Z1。測量主程序調用格式如下:

參數說明:X(#24)、Y(#25)、Z(#26)為被測孔端面中心坐標值;A(#1)、C(#3)為被測孔局部坐標系繞X、Z軸轉角;R(#18)為被測孔半徑;M(#13)為標準測量(0)和精密測量(1)的選項;F(#9)為測頭快進速度;H(#11)為測頭慢進(工進)速度;E(#8)為測頭慢進和后退距離，一般應大于3.0 mm;Q(#17)為測頭探測超程距離，取值在2.0 mm左右;B(#2)為需要的測點個數。測量宏程序見表1。

表1 程序表

續

4 測量數據的處理

以上宏程序測得的數據就是在局部坐標系中被測孔圓周上的一系列點(xi，yi)，根據測量數據采用最小二乘法得到擬合曲線圓方程，進而得到擬合曲線圓心坐標(x1，y1)，如圖5所示，這項工作可以通過計算機專用程序軟件完成。z1坐標的測量可通過測頭垂直于孔口端面接觸工件來獲得，便得到被測孔的位置坐標Om(x1、y1、z1)。

孔的理論位置為O1(0，0，0)，于是，被測孔的位置度誤差為

5 結語

在線自動測量技術是一項先進、高效、精確的檢測技術，尤其適應于高精度大型箱體類工件及安裝定位不太容易的工件，對保證工件加工質量和提高生產效率具有很高的實用價值。本文論述了高精度箱體相交孔系在線測量系統的組成和工作原理、測量數據的處理。通過局部坐標系的建立，簡化了測量工作。對于測量系統研發的重點工作即測量宏程序的編制原則、工藝方案以及測量的快速性、精確性、安全性作了重點的分析和討論，并以實際案例來說明宏程序的編制方法。

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