加工中心在線測量系統在自由曲面COPY加工中的應用研究

關雄飛 呼剛義 王蓀馨

(西安理工大學高等技術學院，陜西西安 710082)

隨著科學技術的不斷發展，社會需求的不斷提高，一些具有復雜曲面的零件模型的逆向設計與加工問題越來越多地顯現出來。如果在沒有三坐標測量機等逆向設計條件的情況下，如何完成現有零件模型自由曲面的復制加工呢?目前，許多加工中心都配有在線測量系統，可以對工件進行在線檢測或自動校正刀具或工件的坐標位置，其測量過程是可編程的。可以通過編制用戶宏指令對在線測量系統進行控制，對待復制曲面進行坐標點的測量和數據采集、處理，則可以實現類似三坐標測量機自動掃描曲面測量和仿形加工的功能。這是一種投入少、見效快的加工捷徑。

1 COPY加工原理

COPY加工也稱仿形加工，屬于逆向工程范疇。通常加工中心只有一個主軸，因此COPY加工時，測量和加工必須交替進行，先測量，后仿形加工。由于模型自由曲面可以看做是由若干空間曲線構成的，而每條曲線又可以由有限多個點近似表示，只要采集到足夠多的點的坐標，就能達到足夠的幾何精度。利用用戶宏程序的變量地址、循環條件、轉移控制指令，就能實現坐標點數據的采集、處理，并根據這些坐標點數據進行加工。如圖1所示。

FANUC 0i系統使用G31為跳越功能指令，當測頭碰觸到模型時發出跳越信號，同時將相對于基本坐標系的x、y、z值分別送到#5061、#5062、#5063 地址中存儲起來并保持不變，僅當下一個跳越信號發出后才能改變，然后立即停止執行該程序段的剩余部分，跳越執行下一程序段。這幾個地址中的數據應及時取出，存放到公共變量中去。

FANUC 0i系統至少有200個公共變量可用，即#100～#199、#500～#599。不規則二維曲線在自由曲面COPY加工時，可用#100～#199、#500～#599存儲z坐標值，y坐標值可作為自變量，步距間隔ΔJ(刀軌行距)可根據加工精度要求確定，x坐標則根據一次加工曲線界限U及曲線節點數確定。如圖1，x坐標步距ΔI=U/200。一次循環加工一條二維曲線，x坐標等間距變化，只須對應x坐標，給出200個z數據，使用G01直線插補指令依次擬合加工出曲線輪廓。

2 程序編制

曲面模型如圖1所示，X方向取200點，ΔI=U/200，Y方向的步距ΔJ可根據加工精度任意取值，U、V、W分別是可完全包含三維曲面的長方體的長、寬、高。測量是從z=W開始垂直向Z=0方向運動。模型和工件毛坯可并列裝夾在機床工作臺上，并設置模型坐標系為G54，工件坐標系為G55。COPY加工主程序的調用格式如下:

G65 P20 U_V_W_I_J_;

各變量與字符對應關系如下:

X(#24)、Y(#25)、Z(#26)——目標點的坐標值;

U(#21)、V(#22)、W(#23)——X、Y、Z方向工作區間范圍;

ΔJ(#5)——Y方向每次增加的步距;

K(#6)——公共變量地址增量;

程序見表1。

表1 COPY加工宏程序

WHILE［#24LE#21］DO2; X方向加工循環，條件X≤U IF［#6GE100］GOTO50;條件轉移循環#26=#［#6+100］;GOTO55;Z N50#26=#［#6+400坐標點依次在公共變量取值］;GOTO55;N55 G1 X#24 Z#26 F100 S800 M03;逐點直線段插補#24=#24+［#21/200］; X坐標增加一個步距，X=X+ΔI#6=#6+1;指向下一個公共變量END2;加工循環結束G0 Z#23;快速回到測量開始平面#25=#25+#5; Y向增加一個步距，Y=Y+ΔJ M05;主軸停轉END3; 循環體3結束G30 P2 Z0;回換刀點M19 T00 M06; 主軸定向，將球形銑刀放回2號刀位G28;機床回零M99;宏程序結束返回主程序

3 加工精度保障措施

3.1 加工誤差分析

采用以上自由曲面COPY加工方式，加工誤差的來源主要由X向步距ΔI和Y向步距ΔJ產生。

(1)直線段擬合曲線的幾何誤差

最大幾何誤差如圖2所示，可以得到幾何誤差δmax的計算公式為

假設加工區域為:U=100 mm，V=100 mm，在曲面上最小曲率半徑Rmin=3 mm，則X方向步距間隔為:ΔI=100/200=0.5 mm，則直線段插補擬合曲線時，由式(1)可得幾何誤差δmax=Rmin－［Rmin2－ (ΔI/2)2］1/2=0.010 mm。

(2)由刀軌行距產生的殘留高度

選擇刀具時，刀具半徑r≤Rmin(曲面最小內凹曲率半徑)，否則會產生過切。當刀具半徑選定后，刀軌行距ΔJ的大小就決定了殘留高度誤差△h的大小。如圖3所示，可得到殘留高度的計算公式為

比如r=5 mm，ΔJ=1 mm，則由式(2)可得:Δh=0.025 mm。

3.2 精度保證

前述案例采用最簡單的直線插補指令逐點加工，理論上只要步距足夠小，或者說采集足夠多的點(用宏程序很容易實現)，就能達到足夠的精度，如果待COPY加工的模型曲面比較大，我們可以把一個大的加工曲面劃分成若干個單元區域，一個單元一個單元地加工。由于U值減小，而縮小了X方向的步距，(Y向V值不受限制)。即，比如取U=50 mm，其他條件不變，前例中 δmax=0.003 mm。

另外，還應在實際操作中采取以下措施:

(1)令探頭直徑等于銑刀直徑(三維曲面用球頭銑刀)。因此探頭中心坐標即是銑刀中心坐標。可自制不同規格的探頭，只要在使用前作探頭補償校正，就能保證測量精度，以便和不同直徑的銑刀配對使用。

(2)可以通過工件坐標系G55的偏移設置，來實現粗、精加工分工序加工，保證曲面表面質量。

(3)對測出的坐標值與實際值比較出誤差，修正后再存儲到公共變量中去。這樣，在模型的基本坐標系中的測量數據就與工件基本坐標系的坐標保持嚴格的一一對應關系。對于二維曲線，采用不同規格配對的探頭和銑刀進行多次測量和加工循環。

4 結語

利用加工中心自身配備的在線測量系統，通過編制宏程序對在線測量系統進行控制，用于各種復雜曲面模型的COPY加工，便捷、高效、成本低，加工精度容易保證。是對機床功能的有益開發。

［1］劉利劍，陳曹維，張新聚，等.測量宏程序編制方法的研究［J］.制造技術與機床，2005(7):76－78.

［2］關雄飛.機械 CAD/CAM—CATIA V5R20零件設計與數控加工［M］.北京:機械工業出版社，2011.

［3］楊偉群.加工中心操作工(技師高級技師)［M］.北京.中國勞動社會保障出版社，2008.

［4］關雄飛.數控加工工藝與編程［M］.北京:機械工業出版社，2011.