基于機床裝夾工件的自動校準系統設計

吳國明，李進東，徐鳳，陳鵬，蔡春堂

（四川職業技術學院，四川 遂寧 629000)

機床裝夾工件主要用于機械加工過程中固定工件在機床上的位置，確保工件在機械加工時的穩定性，進而提高機械加工精度。在機床裝夾工件定位、夾緊過程中，必然會產生一定程度上的位置偏差，因此，需要通過自動校準系統確保工件定位的精度。在我國，常用的基于機床裝夾工件的自動校準系統包括：數字萬用自動校準系統以及通信綜合測試儀自動校準系統，但在實際應用過程中由于一種校準系統所適用的工件型號十分有限，無法通用于所有型號的機床裝夾工件，導致自動校準普遍存在很大局限性，且校準精度不足。MET/CAL自動校準系統的不足之處在于價格過于昂貴，并且在實際應用過程中需要相應的調試才能操作，在我國適用性不強。基于此，本文提出基于機床裝夾工件的自動校準系統設計，通過設計一種新型基于機床裝夾工件的自動校準系統，致力于實現對自動校準系統在校準精度方面的優化設計。

1 基于機床裝夾工件的自動校準系統硬件設計

1.1 USB 接口

在系統硬件部分，設計USB接口。通過USB接口讀取計算機設備的自動校準代碼，將代碼燒寫到符合總線接口的帶電可擦可編程只讀存儲器中，并連接到USB接口的對應引腳上。USB接口枚舉的過程中，在串行接口引擎的作用下，可以自動完成枚舉。對相位滿足離散Hilbert變換的初始化處理只需要對等待狀態的寄存器設置相應參數，從而適應USB接口的數據轉換即可。與此同時，本文在USB接口中設置8個中斷源，當定位、夾緊機床裝夾工件時，USB接口只通過一次簡單的讀寫操作便可使上位機獲取到自動校準信息，并識別到中斷源進行相應的自動校準處理。

1.2 示波器

在USB接口的基礎上，設計型號為Tektonnix4代示波器，作為基于機床裝夾工件的自動校準中最重要的硬件，能夠通過探頭連接機床裝夾工件與示波器的管道，本文設計的示波器配備32寸的顯示屏，采用觸摸式用戶界面技術，能夠以最大分辨率顯示基于機床裝夾工件的自動校準幅頻響應。相比于其他示波器最大的亮點在于能夠通過頻譜分析，將機床裝夾工件的自動校準選配，改為基于射頻分析機床裝夾工件的自動校準標配。設計的示波器具體參數信息，包括：1GHz帶寬；4根1GHz無源探頭；上升時間為350ps；測試信號高達500M。以其高效率，高精度的特點很好地適用于機床裝夾工件的自動校準。以此，實現幾十種機床裝夾工件自動測量，在示波器上得到電流變化曲線，滿足基于機床裝夾工件的自動校準硬件需求。

2 基于機床裝夾工件的自動校準系統軟件設計

2.1 設置設備參數及校準點

在基于機床裝夾工件的自動校準過程中，由于不同的機床裝夾工件其基本參數必然不同，因此，必須在確定機床裝夾工件基本參數的前提下，選定校準點。本文將校準點選取分為兩種情況：對基本量程的機床裝夾工件，選擇機床裝夾工件基本量程的60%、70%、80%、90%以及100%作為校準點；對非基本量程的機床裝夾工件，選擇100%作為校準點。在此基礎上，通過測量校準點的輸出電流有效值，確定校準點電流導通時間的準確度，為計算基于機床裝夾工件的自動校準誤差提供基礎數據。

2.2 計算基于機床裝夾工件的自動校準誤差

在確定設備參數及校準點后，機床裝夾工件安裝誤差是指工件加工中操作不規范、技術較落后及設置的空間軸線與探管軸線相交不重合，導致的軌跡定位誤差，此誤差屬于先天誤差，本文不對此進行過多研究。本文主要針對工件誤差以及信號處理誤差，計算基于機床裝夾工件的自動校準誤差。設基于機床裝夾工件的自動校準誤差為γ，可得公式（1）。

式（1）中，T指的是機床裝夾工件自動校準輸出信號處理導通時間，單位為min；s指的是實測機床裝夾工件自動校準輸出電流導通時間，單位為min。通過式（1），得出基于機床裝夾工件的自動校準誤差。在基于機床裝夾工件的自動校準誤差程序開始后，除非while循環的條件接線端接收到“真”，剔除基于機床裝夾工件的自動校準誤差，否則循環就一直進行，直至完成基于機床裝夾工件的自動校準。

2.3 完成基于機床裝夾工件的自動校準

在剔除基于機床裝夾工件的自動校準誤差后，假設某一校準點已知并確定，便可計算機床裝夾工件進行軌跡測量時的實際數值，并代入上述誤差計算公式，可求解公式中參數的具體數值，理論上便可固定軌跡中的軌跡點，結合12點位置法自動校準機床裝夾工件中存在誤差值。至此，完成基于機床裝夾工件的自動校準系統軟件部分設計。

3 實例分析

3.1 實驗準備

本次實例分析選取型號為LIP56324-01的機床裝夾工件作為實驗對象。基于本文設計系統自動校準機床裝夾工件，通過MATALB測試校準殘差，并記錄，將其設為實驗組；再使用傳統系統自動校準機床裝夾工件，同樣通過MATALB測試校準殘差，并記錄，將其設為對照組。由此可見，本次實驗主要內容為測試兩種系統的校準殘差，殘差數值越低證明該自動校準系統的精度也就越高。通過10次對比實驗，針對實驗測得的校準殘差，記錄實驗數據。

3.2 實驗結果與分析

根據上述設計的實驗步驟，采集10組實驗數據，將兩種自動校準系統下的殘差進行對比，殘差對比結果，如表1所示。

表1 實驗結果對比

從表1可以看出，本文設計自動校準系統在實際應用中殘差最高為0.210；對照組殘差最高為0.748，設計自動校準系統的校準殘差遠遠低于傳統自動校準系統，證明本文設計自動校準系統相對于傳統自動校準系統校準精度更高，可以廣泛投入應用。

4 結語

通過基于機床裝夾工件的自動校準系統設計研究，能夠取得一定的研究成果，解決傳統基于機床裝夾工件的自動校準中存在的問題。由此可見，本文設計的自動校準系統是具有現實意義的，能夠指導基于機床裝夾工件的自動校準系統優化。在后期的發展中，應加大本文設計自動校準系統在機床裝夾工件自動校準中的應用力度，進而提高機床裝夾工件定位、裝夾精度。截至目前，國內外針對基于機床裝夾工件的自動校準系統研究仍存在一些問題，在日后的研究中還需要進一步對自動校準系統的優化設計進行深入研究，為提高機床裝夾工件自動校準系統的綜合性能提供專業建議。