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在線測量技術在精（jīng）密磨床中的應用

2017-12-1 來（lái）源：中航工業北京航空精密機（jī）械研究所作者：張東亮，梅國平，薑新生，陳宇

[摘要] 通過為數控精密磨（mó）床裝配雷尼紹測頭，詳細介紹了在線測量在數字控精密（mì）磨床係統的構成、工作原理、數據處理方法以及磨削實（shí）驗結果，使其具備在線測量功能，實現了產品的測量、加工一（yī）體化。

[關鍵詞] 數控磨床；在線測量；數據處（chù）理

引言

數控加工一般采用離線測量模式，工件（jiàn）加（jiā）工完成後需要搬運到檢驗部（bù）門進行檢驗，這種測量方式工件需要重新找正、設定原點，人為因素帶入（rù）一定的誤差，影響測量精度；工件在搬運、裝卡過程中也容易出（chū）現變形與磕碰；造成（chéng）操作（zuò）工人勞動強度高，生產效率低。左線測量指工件加工完成後不拆卸，通過與機床集成在一起（qǐ）的測量（liàng）係統直接對其進行測（cè）量（liàng），檢（jiǎn）驗加工（gōng）是否合格，這種方式可解決離線測量中（zhōng）存（cún）在的各種問題，有效提高加工效率。

精密磨床集成在線測量（liàng）功能（néng）後，可實（shí）現工件內廓麵測量成形、加工 G 代碼自動編程、磨削量自動檢測等功能，使數控磨床成為測量、加工一（yī）體化設備。本文介紹了實現精密（mì）磨床（chuáng）在線測量需（xū）解決的測量坐標係建立、工件曲麵建（jiàn）模、工件測量加工 G 代碼生成等關鍵技術問題，並通過磨削試驗驗證了精密磨床在線測量功能。

1 、在（zài）線測量精（jīng）密磨床係統（tǒng）構成（chéng）

精密數控（kòng）磨床係統構成如圖 1 所示，其包含 X、Y、Z 三個直線軸和 C 軸、電（diàn）主軸兩個旋轉軸，其中（zhōng） C 軸上裝卡工（gōng）件，通過 X 軸、Z 軸、C 軸三軸（zhóu）聯動實（shí）現在線測量（liàng）和磨削加工；電主（zhǔ）軸上安裝（zhuāng）磨頭，可以以最高 12000r/h 轉速對工件進行磨削加工。

測頭為雷尼紹手動旋（xuán）轉測頭，分辨率為 0.001mm，其優越的三維測量性能（néng）與高精度光（guāng）柵尺相配套，可保證產品測（cè）量（liàng）的準確度。旋轉測頭可以克服（fú）因被（bèi）加（jiā）工（gōng）產品長（zhǎng），被測空間小（xiǎo）所（suǒ）帶來（lái）的死區，提（tí）高測量效率。測頭安裝在測量（liàng）杆上，信號通過數控係統快速 I/O 接口（kǒu）引入，以提高測（cè）量精度。測頭接觸工件瞬間（jiān）可觸發中斷，數控（kòng）係統通過（guò） MEAS 命令（lìng）記錄當前坐標值，並記錄到測量文件（jiàn）中。通過測量軌跡規劃，可實現工件內闊麵測量，測量結果作為（wéi）加（jiā）工 G 代碼自動編程依據（jù），通過加工前後測量結果對比可檢（jiǎn）驗磨削（xuē）量是否合格。

精密數控磨床為高精度機床，任何誤差引（yǐn）入（rù）係統（tǒng）都將影響加工精度，本係統（tǒng）安裝光學（xué）成（chéng）像設（shè）備作為（wéi）對刀係統，通過（guò）調整高精度光學鏡頭，可將測頭和磨頭在同一焦距下放大（dà）數倍，並將圖像上傳至上位計算機，分別記錄測頭和磨頭中心點坐標值，找到二者之間（jiān）相對位置關係，即可建立測（cè）量坐標（biāo）係和加工坐標係。上位計（jì）算機采（cǎi）用高配置工作站，完成測量軌跡規劃（huá）、測（cè）量 G 代碼自動（dòng）編程、測（cè）量結果曲麵擬合、加工（gōng） G代碼自動編程、加工結果校驗等大數據計算處理（lǐ）工作，同時提供人機交（jiāo）互界麵，實現（xiàn）加（jiā）工參數設定，加工 G 代碼仿真執行（háng），操作記錄等功（gōng）能。

840D 數控係統執行測量和加工 G 代碼，通過多軸插補運動實現工件的測（cè）量（liàng）和磨削加工。

圖（tú）1 精密數控磨床係統構成示意圖

2 、測量、加（jiā）工坐標係（xì）建立

工件測量和加工都是基於工件母線曲線方程，其原（yuán）點位於工（gōng）件頂部，所以進行加工前需建立以該原點為基準（zhǔn）的測量坐（zuò）標（biāo）係 G54、加（jiā）工坐標係 G55。精密（mì）磨床光學對刀係（xì）統如圖 2 所示（shì），通過固定在磨床上的基準塊和光學成像係統，找到測頭和磨頭（tóu）與工件坐標原點之間相對位移，進而建（jiàn）立測量坐標係、加工坐標係。

① 在安裝基準塊時準確測（cè）量其 X、Y、Z 三個方向與工（gōng）作坐標原點的坐標差值，並通過銷釘將（jiāng）其固定在床身上，確保二者坐標差值固（gù）定不變。

圖2 精密數控磨床光（guāng）學對（duì）刀係統圖

② 測頭測量（liàng）基準塊 X、Y、Z 三個端麵，數控係統自動記錄測頭中心點坐標值，通過與基準塊坐（zuò）標差值計算，得到測頭相對於工件坐標原點位移，在數控係統中（zhōng）設置坐標偏移值，建立測量（liàng）坐標係 G54。

③ 通過光學成像（xiàng）係統找到測頭中心點與磨頭中心點 X 向、Z 向坐標（biāo）差值，通（tōng）過與測量坐標（biāo）差值計算，得到磨頭相對於工件坐標原（yuán）點位移，在數控係統中設置坐（zuò）標偏移值，建立加工坐標係 G55。

3 、數據處理方法及加工 G 代碼生成

精密（mì）數控磨床通過對工件上分散點的測量得到點雲數據，運用最小二乘法進行母線方向及圓周方向兩維曲線擬合，得到被測工件回轉體曲麵。依此為基礎，結合刀具（磨頭（tóu））自身特點，根據加工（gōng）參數自動生成加工 G 代碼，保證加工精度。加工（gōng）完成後可對加工區域再次進行測量，驗證加（jiā）工效果，檢測加（jiā）工誤差，若誤差超出了要求，可對未達標區域進行再加工（gōng），直到滿足加工（gōng）要求。

對工件內廓麵精密測量和修磨加工是數控磨床兩（liǎng）大最基本功能，數據（jù）處理是將測量和加工聯係起來的橋梁，同時也是按要求精密修磨的關鍵。

數據（jù）處理的任務是將測量的數據進行曲麵建模，建立（lì）加（jiā）工基麵，在此基礎上（shàng）根據加工去除量和刀具（jù）軌跡規劃生成（chéng）加工 G 代碼（mǎ），完成（chéng）對工件的修磨加工。曲麵數字化修磨數據處理（lǐ）流程如圖 3 所示（shì）:

圖（tú）3 精密數（shù）控磨床數據處理流程圖

① 內廓麵測量

對工件加工（gōng）區域進行測量的過程如下：測頭沿一條母線按等步長采集測量（liàng）數（shù）據完畢後（hòu），工件沿圓周方向等間距旋轉，使（shǐ）測頭沿另一條母線采集數據，重複上（shàng）述過程，依次遍（biàn）及整個測（cè）量區域。

② 曲麵建模

對工件內廓麵進行測量之後得到一係列離散數（shù）據點，根據（jù）工件加工工藝要求，找到所有測量點中距離內表（biǎo）麵理論點最高的一個點，以這個點位基準勾勒出距理論內表麵等距的一個虛擬曲（qǔ）麵，然後（hòu）在此基礎上根據各點的（de）去處量自動生成加工 G 代碼。

針對工件在圓周方向上的圓度已達（dá）到較高精度且加（jiā）工區域在母線上曲率變（biàn）化（huà）較（jiào）平緩這一特點，采用最小二乘法曲線擬合的方法，即（jí）根據測量（liàng）數據（jù）點，求（qiú）出一個：

將每條測量母（mǔ）線的X坐標與Z坐標進行三（sān）次多項（xiàng）式曲線擬合，根據母線方向擬合曲線的數據將圓周方向（xiàng）的 X 坐標與 C 坐標進行三次多項式曲麵擬合，兩個方（fāng）向的擬合曲線即組（zǔ）成了（le）工作（zuò）基麵；然後根據磨削去除量再沿著工件基麵的法線方向計算出加工基麵。以擬合加工基麵方程為（wéi）基準並依據工藝參數以及測頭和磨頭半徑在法向方向上進行半徑補償，就可以得到磨頭中心坐標曲麵。最（zuì）終根據加工（gōng）精度計算母（mǔ）線方向加（jiā）工步距和圓周方（fāng）向加工步距（jù），規（guī）劃刀具軌跡，構成加工基（jī）麵的型值點集合（hé），生成加工 G 代（dài）碼。

③刀具（jù）軌跡規劃

精密磨床采用螺（luó）旋線（xiàn）形的環切刀具軌跡遍曆內廓形，加工過程中磨頭在工件內由裏向外，先控製磨頭伸到工件的靠頂端處第一個螺旋環第一個節點處，通過控製工件在 C 向旋轉（zhuǎn）和磨頭 X、Z 向微動，三軸（zhóu）聯（lián）動來完成第一圈（quān）修磨；第一圈的（de）終點即為第二圈的起（qǐ）點，同樣由工件旋轉和磨頭（tóu）微（wēi）動三軸聯動完成第二周（zhōu）的加工，依次完成對整個內（nèi）廓麵的修磨。

4 、數控磨床磨削加工試驗

在線測量數控磨床在加工完成後可通過（guò）測量係統驗（yàn）證加工精度（dù）：將加工區域內每條（tiáo）測量母線加工前後的測量結果相（xiàng）減，得到各條母線加工值，如圖 4 所示：

圖4 精密數控磨床加工結果數據圖

加工（gōng）範（fàn）圍：Z 向（工件母線方向（xiàng））30mm，坐標範圍245~275mm；磨削量：0.07mm，即工件母線的 X 向（磨削（xuē）進（jìn）給方向）磨削前後（hòu）坐標差值；圓周采樣步距：90°，即在圓周方向每隔 90° 取一條母線進行測量，共采集 4 條母線數據（0°，90°，180°，270°）；母線采（cǎi）樣（yàng）步距：5mm，即沿母線 Z 向每隔 5mm 采集數據，每條母線上得到 7 個數據；圖 4 橫坐標為 4 條母線的 Z 坐標；圖 4 縱坐標為加工前、後（hòu）測量點 X 坐標（biāo）的差值，即磨削去除（chú）量；每條母線上方（fāng）的角度值表示該條母線在圓周方向的位置。

可以（yǐ）看出，工件內表麵的磨削（xuē）是以近似相等的去處量進（jìn）行的，誤差控製在 ±0.01mm 以內，該誤差影響因素包括：①雷尼紹旋轉測頭 0.006mm 測量精度；②直線軸 0.007mm 定位精度；③對刀係統誤差、裝卡（kǎ）誤差等。

5 結論

在線（xiàn）測量技術應用到精密數控磨床中，實現了產（chǎn）品的測量、建模、加工一體（tǐ）化，節省了工件搬運、重複裝卡的工時，提高了（le）產品測量、加工精度（dù），經實際應用其加工精度能控製在 ±0.01mm 以內，同時該設備降低了（le）工人（rén）勞動強度，顯著提高了生產（chǎn）效率。可以（yǐ）預見（jiàn），在（zài）線測量技術在數控機床中的廣泛（fàn）應用（yòng）會成為發展趨勢。

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