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在線測量技術在精密磨床（chuáng）中的應用

2018-2-26 來源：中航（háng）工業北京航空精密機械研究所作者：張東亮，梅國平，薑（jiāng）新（xīn）生，陳宇

[摘要] 通（tōng）過為數控精密磨床裝配雷尼紹測頭，詳細介紹了在（zài）線測（cè）量在數字控精密磨床係統（tǒng）的構成（chéng）、工作原理、數據處理方法以及磨削實驗結果，使（shǐ）其具備在線測（cè）量功能，實現了產品的測量、加工一體化。

[關鍵詞] 數控磨（mó）床；在線測（cè）量；數據處（chù）理（lǐ）

引言

數控加工一（yī）般采用（yòng）離線測量模式，工件（jiàn）加工（gōng）完成後需要搬運到檢驗部門（mén）進行檢驗，這種（zhǒng）測量方式工（gōng）件需要重（chóng）新找正、設定原點，人為（wéi）因素帶入一定的誤差，影響測量精度；工件在搬運、裝卡過程中也容易出現變形與（yǔ）磕碰；造成操作工（gōng）人勞動強度高（gāo），生產效率低。在線測量指工件加（jiā）工完成後不拆卸，通過與機（jī）床集成在一起（qǐ）的測量係統直接對其進行測量（liàng），檢驗加工是否合格，這種（zhǒng）方（fāng）式（shì）可解決離線測量中（zhōng）存在的各種（zhǒng）問（wèn）題有效提高加（jiā）工效率。

精密磨床集成在線測（cè）量功（gōng）能後，可實現工件內廓麵測量成形、加工（gōng） G 代（dài）碼自動編程、磨削量自動（dòng）檢測等功能，使數控磨床成為測量、加工一（yī）體化設備。本（běn）文介紹了實現精密磨床在線測量需解（jiě）決的測量坐標係（xì）建立、工件（jiàn）曲麵建模、工（gōng）件測量（liàng）加工 G 代碼生成等關鍵技術問題，並通過磨削試驗（yàn）驗證了精密磨床在線測量功能。

1 、在線測量精密磨床係統構成

精密數控磨床（chuáng）係統構成如圖 1 所示，其包含 X、Y、Z 三（sān）個直線（xiàn）軸和 C 軸、電主軸兩（liǎng）個旋轉（zhuǎn）軸，其中 C 軸上裝卡工件，通（tōng）過 X 軸、Z 軸、C 軸三（sān）軸聯動實現在線測量和磨削加工；電主軸上安裝磨頭，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（shǒu）動旋轉測頭（tóu），分辨率為 0.001mm，其優越（yuè）的（de）三維測量性能與高精度光柵（shān）尺相配套，可保證（zhèng）產品測量的準確度。旋轉測頭可以（yǐ）克服因被（bèi）加工產品長，被測空間小所帶（dài）來的死區，提高測量效率。測頭安（ān）裝在測量杆（gǎn）上，信號通過數控係統快速 I/O 接口（kǒu）引入，以提高測量精（jīng）度。測頭接觸工件（jiàn）瞬間可觸發中斷，數控係統通過 MEAS 命（mìng）令記錄當前（qián）坐（zuò）標值，並記錄到測量文件中。通過測量（liàng）軌跡規劃（huá），可實現（xiàn）工件內闊麵測量，測量結果作為加工 G 代碼自動編程（chéng）依據，通過加工前後測量結果對比可檢驗（yàn）磨削量（liàng）是否合格。

精密數（shù）控磨床為（wéi）高精度機床（chuáng），任何誤（wù）差引入係統都將影響加工精度，本係統安裝光學成像設備作為對刀係統，通過調（diào）整高精度光（guāng）學鏡頭，可將測（cè）頭和（hé）磨頭在同（tóng）一（yī）焦距下放大數倍（bèi），並將圖（tú）像上傳至上位計算機，分（fèn）別記錄測頭和磨頭中心點坐標值，找到二者之間相對位置關係，即可建立測量坐標係和加工坐（zuò）標係。上位計算機采用高配置工作站，完成測量軌跡規劃、測量 G 代碼自動編程、測量結果（guǒ）曲麵擬合、加工 G代碼自動編程、加工結（jié）果校驗等大數據計算處理工作，同時提供人機交互（hù）界麵，實現加工參數設定，加工 G 代（dài）碼仿真執行，操作記錄等功能。

840D 數控（kòng）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量和磨削加工。

圖（tú）1 精密數控磨床係統構成示（shì）意圖

2、測量、加工坐標係建立

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

① 在安裝基（jī）準塊時準（zhǔn）確測量（liàng）其（qí） X、Y、Z 三個方向與（yǔ）工作坐標原點的坐標差值，並通過銷釘將其固定在床身上，確保二者坐標差值固定不變。

圖2 精密數控磨床光學對刀係統圖

② 測頭測量基準塊 X、Y、Z 三個端麵，數控係統自動記錄測頭中心點坐標值，通過與基準塊坐標差（chà）值計（jì）算，得到測頭相（xiàng）對於工件坐標（biāo）原點位移，在（zài）數控係統中設置坐標偏移值，建立測量坐標係 G54。

③ 通過（guò）光學成像係統找（zhǎo）到（dào）測頭中心點與磨頭中心點（diǎn） X 向、Z 向坐標差（chà）值，通過與測量坐標差值計算，得（dé）到磨頭相對（duì）於工件坐標原點位移，在數控係統中設置坐標偏移值，建立加（jiā）工坐標係 G55。

3 、數據處理方法（fǎ）及加工 G 代碼生成

精密數控磨床通過對工（gōng）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（qǔ）麵。依此為基礎，結合刀具（磨（mó）頭）自身特點，根據加工參數自動生成加工 G 代碼，保證加工精（jīng）度。加工完成（chéng）後可對加工區域（yù）再次進行測量，驗證加工效果，檢測加工誤差，若誤差（chà）超出了（le）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（jiàn）內廓（kuò）麵（miàn）精密測量和修磨加工是數控磨床兩大最基本功能，數據處（chù）理是將測（cè）量（liàng）和加工聯（lián）係起（qǐ）來的橋梁，同時也是按要求精密修磨的關鍵。

數據處理的任務是將測（cè）量的數據進行曲麵建模，建立加工（gōng）基麵，在此基（jī）礎上根據加工去除量和刀具軌跡規劃生成加工 G 代碼，完成對工件的修磨加工。曲麵數字化修磨（mó）數據處（chù）理流程如圖 3 所示：

圖3 精密數控磨床數據處理流（liú）程圖

① 內廓麵測量

對工件加工區域（yù）進行測（cè）量的（de）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，工件沿圓周方向等間距旋轉，使測（cè）頭沿另一條母（mǔ）線（xiàn）采集數據，重複上述過程，依次遍及（jí）整個測量區（qū）域。

② 曲麵建模

對工件內（nèi）廓麵進行測量之（zhī）後得（dé）到一（yī）係列離散數據點，根據工件加工工藝要求，找到所有測量點中距離內表麵理論（lùn）點最高的（de）一個點，以這個點位（wèi）基準勾勒出距（jù）理論內表麵等距的一個虛擬曲麵，然後在此（cǐ）基礎上根據各點的去處量自動生成（chéng）加工 G 代碼。

針對工件在圓周方向上的圓度已達到（dào）較高精度且加工（gōng）區域在（zài）母（mǔ）線上曲率（lǜ）變化較平緩這一特點，采用最小二乘（chéng）法曲線（xiàn）擬合的方法，即根據測量數據點（diǎn），求出一個（gè）

將每條（tiáo）測量母線的X坐標與Z坐標進行三次多項式曲線擬合，根據母線方向擬合曲線的數據將圓周方向的 X 坐標與 C 坐標進行三（sān）次多項式曲麵擬（nǐ）合，兩個方向（xiàng）的（de）擬合曲線（xiàn）即（jí）組成了工作基麵；然後根據磨削去除量再沿著工件基麵的法線（xiàn）方向計算出加工基麵。以擬合加工基麵方程為基準並依據工藝參數（shù）以及（jí）測頭和磨頭半徑在法向方向（xiàng）上進行半徑補償，就可以得到磨頭中心坐標曲麵。最終根據加工精度計算母線方向加工步距和圓周方向加工步距，規劃刀具軌跡，構成加工基麵的型值點集合，生成加工 G 代碼。

③刀具軌跡（jì）規劃

精（jīng）密磨床采用螺旋線形的（de）環切刀具軌跡遍曆內廓形，加工過程中磨頭在工件（jiàn）內由裏向外，先控製磨（mó）頭伸到工件的靠（kào）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（xuán）轉和磨頭 X、Z 向微動，三軸聯動來完成第一圈修磨；第一圈的（de）終點即為第二圈的起點，同樣由工件旋轉和磨頭微動三軸（zhóu）聯動完成第二周（zhōu）的加工，依（yī）次完成對整個內廓麵的修（xiū）磨。

4 、數控磨床磨削加工試驗

在線測量數控磨（mó）床（chuáng）在加工完成後可通（tōng）過（guò）測量係統驗證加工精度：將加工區域內每條測量母線（xiàn）加工前後的測量結果相減，得到各條母線加工值，如圖 4 所示：

圖（tú）4 精密數控磨床加工結果數據圖

加工範圍：Z 向（工件母（mǔ）線方向）30mm，坐標範圍245~275mm；磨削量（liàng）：0.07mm，即工件母線的 X 向（磨削進給方向（xiàng））磨削（xuē）前後坐標差值；圓周采樣步（bù）距：90°，即在圓周方向（xiàng）每隔 90° 取一條母線進行測量（liàng），共采（cǎi）集 4 條母線數據（0°，90°，180°，270°）；母線采樣步距：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（mǔ）線的 Z 坐（zuò）標；圖 4 縱坐標為加工前、後測量點 X 坐標的差值，即磨削去除量；每條母線上（shàng）方的角度值表示（shì）該（gāi）條母線在（zài）圓周方（fāng）向的位置。

可以看出，工件內表麵的磨削是以近似相等的去處量進行的（de），誤差控製（zhì）在 ±0.01mm 以內，該誤差影響因素包括：①雷尼（ní）紹旋轉測頭 0.006mm 測量精度；②直線軸 0.007mm 定位（wèi）精度；③對刀係統（tǒng）誤差、裝卡誤（wù）差（chà）等。

5 、結論

在線測量（liàng）技術應用到精密數控磨床中，實（shí）現了產品的測量、建模、加工一體化，節省了工件搬運、重複裝卡的工（gōng）時，提高了（le）產品測量、加工精度，經實（shí）際應用其（qí）加工精度能（néng）控製在 ±0.01mm 以內，同時該設備降低了工人勞動強度，顯著提高了生產（chǎn）效率。可以預見，在線測量（liàng）技術在數控機床中的廣泛應（yīng）用會成為發展趨勢。

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