基于加工中心的在機(jī)測量系統(tǒng)

孫宏強(qiáng) 楊 梅 岳彥芳

(①石家莊學(xué)院電氣信息工程系，河北石家莊050035;②石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院計算機(jī)應(yīng)用系，河北石家莊050035;③河北科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，河北石家莊050018)

加工中心在機(jī)測量系統(tǒng)是利用在主軸上安裝觸發(fā)式測頭代替加工刀具，運(yùn)行測量軟件生成的類似于加工程序的測量程序，可以實(shí)現(xiàn)工件加工前的安裝定位，加工過程的中間尺寸計算和加工完成后的合格評價。相比三坐標(biāo)測量機(jī)系統(tǒng)成本低，節(jié)約生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

1 總體方案設(shè)計

總體方案的設(shè)計根據(jù)結(jié)構(gòu)組成大致分為計算機(jī)中的測量軟件和安裝了測頭的加工中心兩部分，見圖1所示。

首先把測頭尺寸、測量速度、機(jī)床坐標(biāo)系的選擇等測量參數(shù)和工件測量要素信息等輸入到測量軟件，軟件會自動生成測量主程序。連同宏程序庫中相應(yīng)的測量要素的測量宏程序一起由RS232串行通訊接口傳輸給加工中心。

執(zhí)行測量程序可使裝在主軸上的測頭及工作臺上的被測工件按檢測程序要求產(chǎn)生測量動作，測頭接觸工件時產(chǎn)生電觸發(fā)信號，通過屏蔽電纜及I/O接口傳給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)接收到此開關(guān)信號后，執(zhí)行G31功能，將機(jī)床坐標(biāo)值記入數(shù)控系統(tǒng)相應(yīng)變量中，并實(shí)時通過RS232串行通訊接口將數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)軟件，直至完成全部檢測工作。

數(shù)據(jù)接收完成后，會自動保存到測量軟件的數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)要求，對一些進(jìn)行計算和評價用到的基準(zhǔn)進(jìn)行構(gòu)造，選取評價要素及這些基準(zhǔn)即可完成尺寸計算和誤差的評價，并可生成數(shù)據(jù)報告。

2 軟件功能設(shè)計

經(jīng)過詳細(xì)的研究和實(shí)驗(yàn)，按照系統(tǒng)工程的開發(fā)方法和過程，對在機(jī)測量系統(tǒng)進(jìn)行了從總體到局部的軟件詳細(xì)設(shè)計。為了提高測量過程的自動化，本著簡便易用的原則，軟件整體分為四大模塊，見圖2所示。考慮到文件操作和誤差補(bǔ)償兩個模塊內(nèi)容相對較少，這里主要介紹測量程序生成模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。

2.1 測量程序生成模塊

該模塊是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過人機(jī)交互方式，由用戶進(jìn)行列表式選擇或鍵盤輸入以下四項(xiàng)主要內(nèi)容:

(1)測量參數(shù) 列表式選擇，主要涉及測頭工作參數(shù)和測頭系統(tǒng)參數(shù)兩大項(xiàng)。測頭工作參數(shù)包括測量時的快進(jìn)速度和工進(jìn)速度、工進(jìn)距離和觸發(fā)后測頭的快退距離、接觸工件后的最大超程量，合理的設(shè)置可以提高測量的效率和精確度;測頭系統(tǒng)參數(shù)包括不同測頭的球徑、測頭的長度、球心在X和Y方向的標(biāo)定以及所測工件在加工中心上的坐標(biāo)系等。

(2)零件總體信息 需要鍵盤輸入測量工件所屬的產(chǎn)品名稱、部件名稱、零件名稱以及在此測量系統(tǒng)中唯一的一個零件編號，以備測量產(chǎn)品增多時進(jìn)行區(qū)別。

(3)測量要素信息 鍵盤輸入主要包括測量基準(zhǔn)和被測基本幾何要素(圓、圓柱、圓錐、平面和球)。對于不同的要素需要不同的輸入信息。

(4)機(jī)床通訊參數(shù) 列表式選擇加工中心的數(shù)控系統(tǒng)型號，傳輸所用到的計算機(jī)串口、傳輸速率等通訊參數(shù)。

以上所有參數(shù)輸入完畢并確認(rèn)后，即可生成相應(yīng)要素的測量主程序，要素的信息也同時保存到數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)要素數(shù)據(jù)表中，以便查詢或修改。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

該模塊是在機(jī)測量的核心模塊，主要進(jìn)行特征要素的構(gòu)造、工件尺寸計算、形狀誤差和位置誤差的計算與評價以及數(shù)據(jù)報告的生成。具體包括:

(1)特征要素構(gòu)造 采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，將加工中心返回的測點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過構(gòu)造，構(gòu)造出用于進(jìn)行尺寸、誤差計算與評價等所需要的直線、平面、點(diǎn)和圓等特征要素，方便其它模塊的使用和繼承。

(2)尺寸、形位誤差計算與評價 計算工件加工過程中各工序、工步的加工尺寸，如圓孔的直徑、凸臺、凹槽的寬度或深度等中間尺寸等，以便及時測量，提高加工效率。按照最小包容區(qū)域原則對形位誤差計算和評價，分析誤差，及時地修改加工程序。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與三坐標(biāo)測量機(jī)評價結(jié)果對比

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

按照前邊描述的在機(jī)測量系統(tǒng)的總體模型我們建立了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng):加工中心采用臺灣友嘉精機(jī)生產(chǎn)的FV-1000立式加工中心，數(shù)控系統(tǒng)為FANUC-0M;測頭系統(tǒng)選用哈爾濱先鋒機(jī)電技術(shù)開發(fā)有限公司的EP6BL-M40電觸發(fā)式測頭，其定位精度達(dá)到±0.003～ ±0.004 mm;還有 Global系列 777 三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行精度驗(yàn)證，并且設(shè)計了一個典型零件進(jìn)行測量，見圖3所示。

按照軟件的操作順序，輸入零件和測量參數(shù)信息，選擇測量和機(jī)床通訊參數(shù)，生成測量主程序，和所用到的測量要素宏程序一起發(fā)送到加工中心。點(diǎn)擊接收數(shù)據(jù)，開始測量。測量完成后，構(gòu)造出如圖3中各個要素的基準(zhǔn)，并按照表1所示的基準(zhǔn)和被測要素進(jìn)行評價，得到的結(jié)果以及用三坐標(biāo)測量機(jī)驗(yàn)證的結(jié)果一起列入表1中。

4 結(jié)語

由表1的數(shù)據(jù)可以看出，本實(shí)驗(yàn)所計算的結(jié)果有幾項(xiàng)與三坐標(biāo)測量機(jī)的測量結(jié)果相比有一定的誤差，但總體看來，評價結(jié)果絕對誤差都小于0.01 mm?？紤]到加工中心的結(jié)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、工作環(huán)境、觸發(fā)測頭的重復(fù)定位精度等因素與三坐標(biāo)測量機(jī)有一定的差距，還有測量中與三坐標(biāo)測量機(jī)測量的不是同一點(diǎn)(要測同一個點(diǎn)也很困難)，所以它們的精度基本上符合工程中的誤差范圍。

利用三坐標(biāo)測量機(jī)測量的測點(diǎn)數(shù)據(jù)，本軟件的評價精度與三坐標(biāo)相比相差無幾，所以本測量軟件算法可靠。對于一般精度要求的零件，這個結(jié)果已經(jīng)屬于比較精確的了，所以本系統(tǒng)軟件的計算和評價結(jié)果比較可靠，可以在實(shí)際中推廣應(yīng)用。

1 任建平，趙美虹.加工中心與微機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn).機(jī)床與液壓，2001(2):7～8

2 李航，利永銅.自動測量技術(shù)在加工中心上的應(yīng)用.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，1996(10):39～42

3 王清明，盧澤生，董申.機(jī)械加工在線測量技術(shù)綜述.計量技術(shù)，1999(4):3～6

4 李靜.三坐標(biāo)測量機(jī)同軸度誤差檢測功能的開發(fā).成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2001(2)

5 劉爾編.形位誤差檢測.北京:北京理工大學(xué)出版社，1988.

6 Liu Zhanqiang，Patri KVenuvinod，VAOstafiev.On machinemeasurement of workpieces with the cutting tool［J］.Integrated Manufacturing Systems.1998(9):168-172

7 Gao Dong，W.M.Chiu，F(xiàn).W.Lam.Improvement ofmachining accuracy in precision micro-boring system by forecasting compensatory control technique.Journal of Harbin Institute of Technology(New Series).2001(1)