在線測量技術在精密磨床中的應用
2018-2-26 來源： 中航工業北京航空精密機械研究所 作者：張東亮，梅國平，姜新生，陳宇
[摘要] 通過為數控精密磨床裝配雷尼紹測頭，詳細介紹了在線測量在數字控精密磨床系統的構成、工作原理、數據處理方法以及磨削實驗結果，使其具備在線測量功能，實現了產品的測量、加工一體化。
[關鍵詞] 數控磨床；在線測量；數據處理
引言
數控加工一般采用離線測量模式，工件加工完成后需要搬運到檢驗部門進行檢驗，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磕碰；造成操作工人勞動強度高，生產效率低。在線測量指工件加工完成后不拆卸，通過與機床集成在一起的測量系統直接對其進行測量，檢驗加工是否合格，這種方式可解決離線測量中存在的各種問題有效提高加工效率。
精密磨床集成在線測量功能后，可實現工件內廓面測量成形、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、加工一體化設備。本文介紹了實現精密磨床在線測量需解決的測量坐標系建立、工件曲面建模、工件測量加工 G 代碼生成等關鍵技術問題，并通過磨削試驗驗證了精密磨床在線測量功能。
1 、在線測量精密磨床系統構成
精密數控磨床系統構成如圖 1 所示，其包含 X、Y、Z 三個直線軸和 C 軸、電主軸兩個旋轉軸，其中 C 軸上裝卡工件，通過 X 軸、Z 軸、C 軸三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。
測頭為雷尼紹手動旋轉測頭，分辨率為 0.001mm，其優越的三維測量性能與高精度光柵尺相配套，可保證產品測量的準確度。旋轉測頭可以克服因被加工產品長，被測空間小所帶來的死區，提高測量效率。測頭安裝在測量桿上，信號通過數控系統快速 I/O 接口引入，以提高測量精度。測頭接觸工件瞬間可觸發中斷，數控系統通過 MEAS 命令記錄當前坐標值，并記錄到測量文件中。通過測量軌跡規劃，可實現工件內闊面測量，測量結果作為加工 G 代碼自動編程依據，通過加工前后測量結果對比可檢驗磨削量是否合格。
精密數控磨床為高精度機床，任何誤差引入系統都將影響加工精度，本系統安裝光學成像設備作為對刀系統，通過調整高精度光學鏡頭，可將測頭和磨頭在同一焦距下放大數倍，并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，找到二者之間相對位置關系，即可建立測量坐標系和加工坐標系。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、測量結果曲面擬合、加工 G代碼自動編程、加工結果校驗等大數據計算處理工作，同時提供人機交互界面，實現加工參數設定，加工 G 代碼仿真執行，操作記錄等功能。
840D 數控系統執行測量和加工 G 代碼，通過多軸插補運動實現工件的測量和磨削加工。
圖1 精密數控磨床系統構成示意圖
2、測量、加工坐標系建立
工件測量和加工都是基于工件母線曲線方程，其原點位于工件頂部，所以進行加工前需建立以該原點為基準的測量坐標系 G54、加工坐標系 G55。精密磨床光學對刀系統如圖 2 所示，通過固定在磨床上的基準塊和光學成像系統，找到測頭和磨頭與工件坐標原點之間相對位移，進而建立測量坐標系、加工坐標系。
① 在安裝基準塊時準確測量其 X、Y、Z 三個方向與工作坐標原點的坐標差值，并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系統圖
② 測頭測量基準塊 X、Y、Z 三個端面，數控系統自動記錄測頭中心點坐標值，通過與基準塊坐標差值計算，得到測頭相對于工件坐標原點位移，在數控系統中設置坐標偏移值，建立測量坐標系 G54。
③ 通過光學成像系統找到測頭中心點與磨頭中心點 X 向、Z 向坐標差值，通過與測量坐標差值計算，得到磨頭相對于工件坐標原點位移，在數控系統中設置坐標偏移值，建立加工坐標系 G55。
3 、數據處理方法及加工 G 代碼生成
精密數控磨床通過對工件上分散點的測量得到點云數據，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面。依此為基礎，結合刀具（磨頭）自身特點，根據加工參數自動生成加工 G 代碼，保證加工精度。加工完成后可對加工區域再次進行測量，驗證加工效果，檢測加工誤差，若誤差超出了要求，可對未達標區域進行再加工，直到滿足加工要求。
對工件內廓面精密測量和修磨加工是數控磨床兩大最基本功能，數據處理是將測量和加工聯系起來的橋梁，同時也是按要求精密修磨的關鍵。
數據處理的任務是將測量的數據進行曲面建模，建立加工基面，在此基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。曲面數字化修磨數據處理流程如圖 3 所示：
圖3 精密數控磨床數據處理流程圖
① 內廓面測量
對工件加工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數據完畢后，工件沿圓周方向等間距旋轉，使測頭沿另一條母線采集數據，重復上述過程，依次遍及整個測量區域。
② 曲面建模
對工件內廓面進行測量之后得到一系列離散數據點，根據工件加工工藝要求，找到所有測量點中距離內表面理論點最高的一個點，以這個點位基準勾勒出距理論內表面等距的一個虛擬曲面，然后在此基礎上根據各點的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到較高精度且加工區域在母線上曲率變化較平緩這一特點，采用最小二乘法曲線擬合的方法，即根據測量數據點，求出一個
將每條測量母線的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 坐標進行三次多項式曲面擬合，兩個方向的擬合曲線即組成了工作基面；然后根據磨削去除量再沿著工件基面的法線方向計算出加工基面。以擬合加工基面方程為基準并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面。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，構成加工基面的型值點集合，生成加工 G 代碼。
③刀具軌跡規劃
精密磨床采用螺旋線形的環切刀具軌跡遍歷內廓形，加工過程中磨頭在工件內由里向外，先控制磨頭伸到工件的靠頂端處第一個螺旋環第一個節點處，通過控制工件在 C 向旋轉和磨頭 X、Z 向微動，三軸聯動來完成第一圈修磨；第一圈的終點即為第二圈的起點，同樣由工件旋轉和磨頭微動三軸聯動完成第二周的加工，依次完成對整個內廓面的修磨。
4 、數控磨床磨削加工試驗
在線測量數控磨床在加工完成后可通過測量系統驗證加工精度：將加工區域內每條測量母線加工前后的測量結果相減，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
加工范圍：Z 向（工件母線方向）30mm，坐標范圍245~275mm；磨削量：0.07mm，即工件母線的 X 向（磨削進給方向）磨削前后坐標差值；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 條母線的 Z 坐標；圖 4 縱坐標為加工前、后測量點 X 坐標的差值，即磨削去除量；每條母線上方的角度值表示該條母線在圓周方向的位置。
可以看出，工件內表面的磨削是以近似相等的去處量進行的，誤差控制在 ±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對刀系統誤差、裝卡誤差等。
5 、結論
在線測量技術應用到精密數控磨床中，實現了產品的測量、建模、加工一體化，節省了工件搬運、重復裝卡的工時，提高了產品測量、加工精度，經實際應用其加工精度能控制在 ±0.01mm 以內，同時該設備降低了工人勞動強度，顯著提高了生產效率。可以預見，在線測量技術在數控機床中的廣泛應用會成為發展趨勢。
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