結(jié)合3D測(cè)頭和宏程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)床定位精度自動(dòng)測(cè)量*

陳 芳

(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，廣州 深圳 518055)

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結(jié)合3D測(cè)頭和宏程序?qū)崿F(xiàn)機(jī)床定位精度自動(dòng)測(cè)量*

陳 芳

(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，廣州 深圳 518055)

針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床定位精度測(cè)量過(guò)程中，手工測(cè)量手段工作量大，效率低和自動(dòng)測(cè)量手段成本高的缺點(diǎn)，提出了一種基于3D測(cè)頭和宏程序相結(jié)合的機(jī)床定位精度自動(dòng)測(cè)量的方案。該方案利用3D測(cè)頭和數(shù)控系統(tǒng)高速跳轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集精度測(cè)量時(shí)的機(jī)床實(shí)際位移值，使用宏程序?qū)?shí)際位移值與雙向步距規(guī)的理論標(biāo)稱(chēng)值進(jìn)行數(shù)據(jù)比較和運(yùn)算，計(jì)算出相應(yīng)的位置誤差補(bǔ)償值，利用G10數(shù)據(jù)輸入功能指令實(shí)現(xiàn)機(jī)床位置誤差的自動(dòng)補(bǔ)償。使用激光干涉儀對(duì)使用該系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)與補(bǔ)償前后的機(jī)床精度進(jìn)行了對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明該自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能在不增加昂貴設(shè)備的同時(shí)，有效地提高機(jī)床定位精度。

宏程序；螺距誤差；數(shù)控；機(jī)床定位精度

0 引言

機(jī)床精度分為機(jī)床幾何精度，定位精度和加工精度[1]。其中機(jī)床定位精度是指機(jī)床各坐標(biāo)軸在數(shù)控裝置控制下運(yùn)動(dòng)所能達(dá)到的位置精度。定位精度決定于數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)誤差。

通常機(jī)床定位精度的測(cè)量可用步距規(guī)手動(dòng)測(cè)量和激光干涉儀進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。其中手動(dòng)測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)，只需要低成本設(shè)備步距規(guī)和普通常用千分表，操作步驟簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的調(diào)試；但缺點(diǎn)是測(cè)量時(shí)需要肉眼識(shí)別指針讀數(shù)，手動(dòng)記錄指針讀數(shù)，人工進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和參數(shù)的設(shè)置，而且不能實(shí)現(xiàn)定位誤差的自動(dòng)補(bǔ)償。使用激光干涉儀器進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是：從位置誤差測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)分析到誤差補(bǔ)償整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，操作簡(jiǎn)單方便[2]；但該方法需要購(gòu)置的專(zhuān)用設(shè)備過(guò)于昂貴，不是一般企業(yè)能承受，通常用于專(zhuān)門(mén)測(cè)量機(jī)構(gòu)和大型軍工企業(yè)，而且激光干涉儀對(duì)光調(diào)試步驟比較繁瑣。

FANUC數(shù)控系統(tǒng)一般都具有G31跳躍功能，結(jié)合高精度3D測(cè)頭，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床位置的自動(dòng)檢測(cè)。而FANUC數(shù)控系統(tǒng)的宏程序又具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算功能和可編程數(shù)據(jù)輸入功能。因此本文旨在結(jié)合3D測(cè)頭，充分利用數(shù)控系統(tǒng)宏程序的功能，研究數(shù)控機(jī)床定位精度的自動(dòng)檢測(cè)和補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)在不增加昂貴設(shè)備的同時(shí)，提高機(jī)床定位精度檢測(cè)和補(bǔ)償?shù)男省?/p>

1 定位精度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)組成原理

1.1 測(cè)量系統(tǒng)搭建

整個(gè)機(jī)床定位精度自動(dòng)檢測(cè)與補(bǔ)償系統(tǒng)包含兩個(gè)部分：①數(shù)控加工系統(tǒng)；②測(cè)量系統(tǒng)。其整個(gè)系統(tǒng)組成框架如圖1所示。數(shù)控加工系統(tǒng)包括CNC數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)床伺服系統(tǒng)，機(jī)床工作臺(tái)和機(jī)床主軸部分。測(cè)量系統(tǒng)包括高精度步距規(guī)，測(cè)頭，信號(hào)接收器以及精度自動(dòng)檢測(cè)與補(bǔ)償宏程序。

圖1 機(jī)床定位精度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)組成

3D測(cè)頭在與步距規(guī)的接觸式檢測(cè)過(guò)程中，機(jī)床主軸帶動(dòng)測(cè)頭按照檢測(cè)宏程序規(guī)劃的路線(xiàn)移動(dòng)，當(dāng)探針與步距規(guī)碰觸后，信號(hào)接收器將檢測(cè)到的觸碰信號(hào)輸入給CNC數(shù)控系統(tǒng)，使檢測(cè)宏程序中的跳躍功能指令作用，機(jī)床停止運(yùn)動(dòng)，并且在觸碰點(diǎn)機(jī)床的機(jī)械坐標(biāo)值被保存到相應(yīng)的系統(tǒng)變量中。檢測(cè)宏程序再?gòu)南鄳?yīng)的系統(tǒng)變量中采集碰觸點(diǎn)的機(jī)械坐標(biāo)值并存儲(chǔ)，接著繼續(xù)執(zhí)行之后的檢測(cè)宏程序代碼指令，按照相同原理完成下一個(gè)步距規(guī)接觸點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)。檢測(cè)宏程序?qū)⒉杉降臋C(jī)床實(shí)際位移和步距規(guī)理論標(biāo)稱(chēng)位移相比較，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行運(yùn)算處理后得到相應(yīng)的位置誤差和補(bǔ)償數(shù)據(jù)。根據(jù)需要，宏程序再利用系統(tǒng)的可編程數(shù)據(jù)輸入功能將補(bǔ)償數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)定位精度的調(diào)整。

1.2 3D測(cè)頭

3D測(cè)頭的精度直接關(guān)系到測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度。本實(shí)驗(yàn)選用TP系列觸發(fā)式測(cè)頭。觸發(fā)式測(cè)頭當(dāng)測(cè)針與零件產(chǎn)生接觸而發(fā)生角度變化時(shí)，發(fā)出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。這個(gè)信號(hào)傳送給控制系統(tǒng)之后，控制系統(tǒng)對(duì)此刻的光柵計(jì)算器中的數(shù)據(jù)鎖存，經(jīng)處理后傳送給測(cè)量軟件，表示測(cè)量了一個(gè)點(diǎn)。觸發(fā)式測(cè)頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單壽命長(zhǎng)、具有較好的測(cè)量重復(fù)性(0.35～0.28 μm)，成本低廉，測(cè)量迅速，因而應(yīng)用廣泛。

1.3 高速跳轉(zhuǎn)信號(hào)連接

數(shù)控系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)功能分為普通跳轉(zhuǎn)接口與高速跳轉(zhuǎn)接口兩種。高速跳轉(zhuǎn)信號(hào)輸入則能保證誤差在0.004ms以下，可以實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，因此這里采用高速跳轉(zhuǎn)接口。高速跳轉(zhuǎn)信號(hào)編程指令為G31，其硬件連接信號(hào)HDI0是直接連接到CNC，不需要PMC。

數(shù)控機(jī)床用的三維測(cè)頭安裝在機(jī)床主軸上并隨主軸移動(dòng)時(shí)，只要測(cè)針上的測(cè)球與步距規(guī)檢測(cè)面接觸，使測(cè)針產(chǎn)生微小的擺動(dòng)或移動(dòng)，將立即導(dǎo)致測(cè)頭發(fā)出聲、光等指示信號(hào)，并輸出相關(guān)開(kāi)關(guān)量信號(hào)。其中三維測(cè)頭輸出的開(kāi)關(guān)量信號(hào)與數(shù)控系統(tǒng)高速跳轉(zhuǎn)信號(hào)的連接如圖2所示。

圖2 高速跳轉(zhuǎn)信號(hào)連接

圖2中JA40整個(gè)接口為FANUC系統(tǒng)單元上的模擬主軸接口及高速跳過(guò)信號(hào)接口。將測(cè)頭開(kāi)關(guān)量的常開(kāi)觸點(diǎn)接到JA40接口上的HD10和0V端，系統(tǒng)就能直接接收到外部高速跳轉(zhuǎn)信號(hào)，觸發(fā)相應(yīng)G31功能指令的運(yùn)行。

1.4 高精度步距規(guī)

步距規(guī)是一種長(zhǎng)度實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器，同一測(cè)量線(xiàn)上提供了一系列的同向與異向標(biāo)準(zhǔn)尺寸，使用步距規(guī)測(cè)量機(jī)床定位精度，方便快捷，準(zhǔn)確可靠。

由于測(cè)頭測(cè)量要垂直接近接觸面，因此需要使用同時(shí)既能測(cè)量同向工作面又能測(cè)量異向工作面的高精度步距規(guī)。

2 定位精度測(cè)量與補(bǔ)償原理

2.1 定位精度補(bǔ)償原理

2.2 定位精度檢測(cè)與計(jì)算原理

根據(jù)雙向步距規(guī)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)定位精度檢測(cè)循環(huán)路線(xiàn)如圖3所示。

圖3 定位精度測(cè)量循環(huán)圖

單向位置偏差：

某一位置的單向平均位置偏差：

3 測(cè)量系統(tǒng)宏程序設(shè)計(jì)

3.1 宏程序總體結(jié)構(gòu)

宏程序的編制包括主程序調(diào)用宏程序的G65指令語(yǔ)句和被調(diào)用的測(cè)量宏程序O9000。

其中調(diào)用指令的格式為：G65 P9000 A B C ;

變量A為步距規(guī)量塊寬度，變量B為量塊間距，變量C為測(cè)球直徑。

被調(diào)用的測(cè)量宏程序O9000主要實(shí)現(xiàn)在測(cè)頭循環(huán)移動(dòng)過(guò)程中有序采集測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量循環(huán)結(jié)束后再根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后根據(jù)需要自動(dòng)進(jìn)行相關(guān)誤差補(bǔ)償?shù)纫惑w化功能。

測(cè)量宏程序的總體流程圖如圖4所示。

圖4 測(cè)量宏程序流程圖

其中模態(tài)及位置信息的保存與恢復(fù)與其他普通宏程序沒(méi)什么區(qū)別。

3.2 測(cè)頭循環(huán)移動(dòng)宏程序

測(cè)頭的整個(gè)移動(dòng)循環(huán)如圖3所示進(jìn)行多次正反方向趨近各目標(biāo)點(diǎn)。

對(duì)于每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)由于測(cè)頭要徑向垂直接近檢測(cè)面，同時(shí)為了防止測(cè)頭小球過(guò)沖的影響使得存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不是十分精確，宏程序采用檢測(cè)表面兩次的方法[3]。第一次以高速接觸，當(dāng)激發(fā)了脈沖后，退后一小段距離2～3mm，然后再次以低速觸碰表面。以測(cè)量X軸定位精度為例，其中一個(gè)位置點(diǎn)的測(cè)頭運(yùn)行路線(xiàn)如圖5的①～⑦。

圖5 目標(biāo)點(diǎn)趨近路線(xiàn)

其中①探頭Z方向下移；②探頭接近檢測(cè)點(diǎn)；③退后約2mm；④以很小的速度精確接近檢測(cè)點(diǎn)，采集跳躍信號(hào)發(fā)生時(shí)的Z坐標(biāo)，并且做必要的簡(jiǎn)單運(yùn)算處理；⑤退后約5mm；⑥探頭Z方向上移；⑦X方向前進(jìn)一個(gè)步距，準(zhǔn)備開(kāi)始下一個(gè)點(diǎn)的探測(cè)循環(huán)。

3.3 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理宏程序

數(shù)據(jù)采集的任務(wù)主要是采集探測(cè)頭正向或負(fù)向趨近各目標(biāo)位置時(shí)發(fā)生跳躍信號(hào)時(shí)的實(shí)際機(jī)械坐標(biāo)值。

數(shù)據(jù)處理包括：①在發(fā)生有效跳轉(zhuǎn)信號(hào)時(shí)采集到的實(shí)際機(jī)械坐標(biāo)值實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為當(dāng)前的位置偏差，并累計(jì)該方向當(dāng)前點(diǎn)的多次測(cè)量偏差之和；②測(cè)量循環(huán)結(jié)束后再根據(jù)前述公式計(jì)算出各個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的正向平均位置偏差、反向平均位置偏差和平均反向間隙值；③若需要進(jìn)行誤差補(bǔ)償則再將檢測(cè)的誤差值反向轉(zhuǎn)換為單向螺距誤差補(bǔ)償值和反向間隙補(bǔ)償值。

設(shè)計(jì)FANUC宏程序變量定義[4]見(jiàn)表1。

表1 宏程序變量定義

按規(guī)定路線(xiàn)進(jìn)行一個(gè)循環(huán)的測(cè)量與數(shù)據(jù)處理的流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理流程圖

3.4 誤差補(bǔ)償宏程序

數(shù)據(jù)處理完成后，若變量#8(是否進(jìn)行誤差補(bǔ)償)為1，則宏程序可以利用FANUC數(shù)控系統(tǒng)的G10可編程數(shù)據(jù)輸入指令[5]自動(dòng)將計(jì)算出的反向間隙補(bǔ)償值和螺距誤差補(bǔ)償值補(bǔ)償?shù)綌?shù)控系統(tǒng)中去。其中向FANUC控制系統(tǒng)寫(xiě)入軸型參數(shù)的G10可編程數(shù)據(jù)輸入指令格式如表2所示。

表2 G10指令格式

4.系統(tǒng)測(cè)試效果分析

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行

將編制的宏程序應(yīng)用在配有FANUC 0i-MD數(shù)控系統(tǒng)的立式數(shù)控銑床上。測(cè)量對(duì)象為X軸的位置誤差，X軸的行程為600cm。

選用高精度步距規(guī)的步距為30cm，量塊尺寸10cm，間距為20cm。測(cè)球直徑φ3mm。

測(cè)試步驟：①清除數(shù)控系統(tǒng)中的反向間隙和螺補(bǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)置好機(jī)床螺距誤差補(bǔ)償相關(guān)參數(shù)[6]。②在數(shù)控系統(tǒng)中輸入編制好的檢測(cè)宏程序O9000。③在MDI或者自動(dòng)模式下運(yùn)行指令G65P9000A10.0B20.0C3.0。

4.2 測(cè)試效果

為了檢驗(yàn)使用宏程序?qū)崿F(xiàn)定位精度自動(dòng)檢測(cè)與補(bǔ)償?shù)男Ч捎酶呔葯z驗(yàn)儀器Renashaw ML10激光干涉儀作為第三方測(cè)試手段[7]，分別對(duì)該機(jī)床在使用該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量和補(bǔ)償前后的機(jī)床精度進(jìn)行了測(cè)試和對(duì)比[2，9]。

使用激光干涉儀自帶軟件，生成使用GB/T 17421.2-2000三合曲線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)[8]進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得到機(jī)床位置誤差對(duì)比圖如圖7所示。

圖7 誤差補(bǔ)償前后機(jī)床精度對(duì)比

由圖7a和圖7b圖對(duì)比可知，在清除各種精度補(bǔ)償參數(shù)之后，該機(jī)床在進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量與反向間隙補(bǔ)償之前，該機(jī)床的系統(tǒng)偏差E為49.8μm，反向間隙為B為26.1μm。在使用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行誤差自動(dòng)測(cè)量與補(bǔ)償后，機(jī)床的系統(tǒng)偏差E減小到4.3μm，反向差值B減小為2μm，可見(jiàn)該機(jī)床X軸的位置誤差已經(jīng)成功地被補(bǔ)償，其定位精度有了明顯提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文給出的測(cè)量系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，操作方便，為數(shù)控機(jī)床定位精度自動(dòng)測(cè)量與補(bǔ)償提供了一種新的思路。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)在不需要增加新的昂貴設(shè)備的情況下能有效提高機(jī)床的定位精度，能明顯提高機(jī)床精度測(cè)量的效率，節(jié)省大量的人工，避免不必要的人為誤差。由于目前大部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)都具有高速跳轉(zhuǎn)功能，因此本方案通用性強(qiáng)，其程序設(shè)計(jì)思路對(duì)其他數(shù)控系統(tǒng)也具有一定的借鑒意義。由于本系統(tǒng)的測(cè)量精度還受到3D測(cè)頭和步距規(guī)硬件本身制造精度的影響，具有一定的局限性，因此該自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)比較適合于中、低檔數(shù)控機(jī)床大批量定位精度的調(diào)試。

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(編輯 李秀敏)

Automatic Measurement of Machine Tool Positioning Accuracy Based on 3D Probe and Macro Program

CHEN Fang

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Shenzhen Polytechnic, Shenzhen Guangzhou 518055, China)

Aimed at the disadvantages of big workload, low efficiency in manual means and high cost in automatic means during CNC machine tool position accuracy measurement, a new scheme is proposed in this paper. The real machine position is gathered based on 3D probe and micro program. Comparing the real machine position with the theoretical nominal position of two-way step gauge, the position compensation value can be calculated by micro program. Using G10 data input instructions, the position error can be compensated automatically. The experiment proves that the system can improve the position accuracy of machine tool effectively without expensive equipment.

micro program；pitch error；NC；CNC positioning accuracy

1001-2265(2016)09-0000-00

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.000

2015-11-24；

2015-12-22

數(shù)控機(jī)床伺服優(yōu)化與機(jī)械精度調(diào)整的研究及應(yīng)用 (KJ02S0210900000155)

陳芳(1977-)，女，湖南桃源縣人，深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，研究方向?yàn)閿?shù)控機(jī)床應(yīng)用，(E-mail)chenfangsz@szpt.edu.cn。

TH166;TG659

A