縫隙端面自動定位與測量技術(shù)研究

胡東紅，張博熠，張玲，王平江

(1.湖北大學(xué)物理學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430062;2.華中科技大學(xué)數(shù)控中心，湖北武漢430074)

磨床是利用磨具對工件表面進(jìn)行磨削加工的精密、高性能機(jī)床[1]。磨床可以加工硬度很高的材料，能做高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能進(jìn)行高效率的磨削[2]，在汽車制造業(yè)、機(jī)床制造、電力、船舶、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。磨床種類繁多，按其工作性質(zhì)，常見的磨床種類可以劃分為外圓磨床[3]、平面磨床、內(nèi)圓磨床、工具 (刀具)磨床[4]、無心磨床、非圓磨削機(jī)床、軋輥磨床、復(fù)合磨削加工單元、立式磨床等[2－6]。

隨著磨床工業(yè)向自動化方向的發(fā)展，工件自動測量定位與工件加工在線測量技術(shù)在磨削[2]加工中得到越來越多的應(yīng)用，其中用得最廣泛的有工件端面定位技術(shù)，以精確定位工件的端面在z坐標(biāo)方向的位置;還有工件徑向在線測量技術(shù)，以實(shí)時監(jiān)測加工工件直徑。

其中工件端面自動測量技術(shù)往往需要預(yù)先確定待測工件端面的大概位置，并且讓端面量儀測頭運(yùn)動到該位置(端面測量工位)，然后端面量儀測頭緩慢靠近并輕觸工件端面，從而對工件端面進(jìn)行測量定位[7]。

但是，如果待測工件端面位于工件的小縫隙內(nèi)，再考慮到工件頂尖孔誤差的影響，很可能無法確定一個固定的端面測量工位可以使端面量儀測頭對準(zhǔn)縫隙。一旦端面量儀測頭不能對準(zhǔn)縫隙，那么端面量儀測頭伸出的動作將使得端面量儀測頭與工件發(fā)生沖撞，從而直接導(dǎo)致端面量儀測頭損壞。

為此，作者提出了二次端面測量定位方法，以解決這種小縫隙端面自動測量與定位的問題。

1 問題的提出

如圖1所示，工件小縫隙端面B 和C之間的間隙約為3 mm。要求端面量儀測頭伸入小縫隙端面B和C之間，觸碰端面B，并以端面B為基準(zhǔn)，對工件的A端面進(jìn)行磨削加工，最終確保端面A 到端面B的距離符合要求。

而頂尖的誤差會導(dǎo)致小縫隙左右位移達(dá)到5 mm左右。以機(jī)床坐標(biāo)位置記錄的端面量儀測量位置無法保證端面量儀測頭能夠準(zhǔn)確對準(zhǔn)小縫隙端面B 和C之間的縫隙。在這種情況下，如果端面量儀測頭貿(mào)然伸出，必然會撞壞測頭，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

為此，作者提出了一種二次端面定位技術(shù)，以解決小縫隙端面自動測量與定位的問題。

圖1 小縫隙端面定位測量示意圖

2 二次端面定位技術(shù)

考慮到頂尖孔誤差最多會造成工件沿z軸方向偏移5 mm 左右。因此，設(shè)定工件開闊端面A 右側(cè)7 mm 左右的位置為1號端面測量工位位置，該位置坐標(biāo)值記為(xM1，zM1)，(xM1，zM1)為機(jī)床坐標(biāo)系坐標(biāo)值，如圖2所示。

圖2 端面測量1號工位與2號工位示意圖

對于該類型的任意一件毛坯工件，頂尖孔誤差可能導(dǎo)致開闊端面A 左右偏移約5 mm，而1號端面測量工位位于端面A 右側(cè)7 mm 左右位置，因此，端面量儀測頭在1號端面測量工位可以安全地伸出測頭，而不必?fù)?dān)心測頭會撞上工件。在實(shí)際加工過程中，端面量儀測頭首先定位于1號工位，測頭向左運(yùn)動，觸碰端面A之后，調(diào)整工件坐標(biāo)系z坐標(biāo)原點(diǎn)[7]，調(diào)整后，假定端面A 在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值為zWA。

由于對該類型的任一件毛坯工件，縫隙端面B與開闊端面A之間沿z 方向的距離誤差不會超過0.2 mm，假定端面B 和C的縫隙中心位置到端面A之間沿z 方向的距離為L2。則2號端面測量工位在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值為(xW1，zWA+L2)。

記錄并保存1號端面測量工位在機(jī)床坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(xM1，zM1)，記錄并保存2號端面測量工位在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值(xW1，zWA+L2)。在實(shí)際加工過程中，首先，端面量儀測頭定位于1號測量工位，如前所述，測頭會很安全地位于端面A 右側(cè)，不會與工件相撞;然后，測頭輕觸端面A，調(diào)整工件坐標(biāo)系z坐標(biāo)原點(diǎn)[7]，這時端面A 在工件坐標(biāo)系中的z坐標(biāo)位置為zWA，而端面B 和C的縫隙中心在工件坐標(biāo)系中的z坐標(biāo)位置則為zWA+L2;最后，端面量儀測頭運(yùn)動到工件坐標(biāo)系坐標(biāo)位置(xW1，zWA+L2)，則測頭可以準(zhǔn)確對準(zhǔn)端面B 和C的縫隙中心位置。

這樣，通過工件坐標(biāo)系記錄的1號端面量儀測量工位和工件坐標(biāo)系記錄的2號端面量儀測量工位，通過兩次端面定位，可以解除頂尖孔誤差導(dǎo)致的小縫隙端面定位撞壞測頭的風(fēng)險。

3 操作步驟

具體操作可以分為兩個部分，首先是1號端面測量工位設(shè)定和2號端面測量工位設(shè)定步驟;其次是加工過程G代碼運(yùn)行步驟描述。

3.1 測量工位設(shè)定

第1步，選一毛坯工件安裝到工作臺上，令端面量儀測頭伸出;

第2步，操作手輪令測頭位于端面A 右側(cè)約7 mm位置;

第3步，記錄當(dāng)前機(jī)床坐標(biāo)系坐標(biāo)位置 (xM1，zM1);

第4步，操作手輪，令測頭沿z 方向運(yùn)動，輕觸端面A;

第5步，修改工件坐標(biāo)系z坐標(biāo)原點(diǎn)，使得當(dāng)前工件坐標(biāo)系z坐標(biāo)值為zWA;

第6步，操作手輪，令測頭運(yùn)動到端面B 和C的縫隙中心，2號端面測量工位位置;

第7步，記錄當(dāng)前工件坐標(biāo)系坐標(biāo)位置 (xW2，zW2)，顯然有zW2=zWA+L2;

第8步，將1號端面測量工位坐標(biāo)(xM1，zM1)和2號端面測量工位坐標(biāo)(xW1，zW2)錄入數(shù)控系統(tǒng)。

至此，端面測量工位坐標(biāo)設(shè)定完畢。

3.2 加工過程運(yùn)行步驟描述

以華中數(shù)控21型外圓磨床[8]數(shù)控系統(tǒng)為例，說明如下:

第1步，操作人員將待加工毛坯工件安裝到工作臺上;

第2步，執(zhí)行1號端面測量工位測量指令G80Z[zWA]，該指令的含義及具體執(zhí)行過程分述如下:①測頭運(yùn)動到機(jī)床坐標(biāo)系坐標(biāo)位置(xM1，zM1);②測頭伸出;③測頭向左接近端面A，直至觸發(fā)測量有效信號;④數(shù)控系統(tǒng)調(diào)整工件坐標(biāo)系z坐標(biāo)原點(diǎn)，使得當(dāng)前工件坐標(biāo)系z坐標(biāo)值為zWA;⑤測頭向右遠(yuǎn)離端面A;⑥測頭縮回。

第3步，執(zhí)行2號端面測量工位測量指令G84Z[zWB]，該指令的含義及具體執(zhí)行過程分述如下:①測頭運(yùn)動到工件坐標(biāo)系坐標(biāo)位置(xW2，zW2);②測頭伸出;③測頭向左接近端面B，直至觸發(fā)測量有效信號[7];④數(shù)控系統(tǒng)調(diào)整工件坐標(biāo)系z坐標(biāo)原點(diǎn)，使得當(dāng)前工件坐標(biāo)系z坐標(biāo)值為zWB;⑤測頭向右脫離端面B;⑥測頭縮回。

第4步，砂輪[9]以端面B 在工件坐標(biāo)系中的z坐標(biāo)值zWB為基準(zhǔn)，運(yùn)動到端面A 附近，對端面A 進(jìn)行磨削[2]，直至端面A與端面B之間的距離達(dá)到指定的要求LAB，見圖3。

圖3 以端面B為基準(zhǔn)磨削端面A 示意圖

部分G代碼如下:

4 討論

在實(shí)際應(yīng)用中，曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在執(zhí)行G83指令時，端面量儀測頭并不是對準(zhǔn)工件端面B 和C之間的縫隙的中間位置。經(jīng)查，發(fā)現(xiàn)用戶在對刀設(shè)定工件坐標(biāo)系之后，操作手輪令測頭運(yùn)動到1號測量位置，記錄該位置的機(jī)床坐標(biāo)值;然后直接操作手輪另測頭運(yùn)動到2號測量位置，記錄該位置的工件坐標(biāo)值。這樣設(shè)置測量位置參數(shù)，在對刀很精準(zhǔn)的情況下，看似沒有什么問題。但是，在實(shí)際加工中，經(jīng)過G80指令調(diào)整工件坐標(biāo)系z 原點(diǎn)之后，原先設(shè)定的2號測量位置的機(jī)床坐標(biāo)位置z坐標(biāo)就會發(fā)生變化，從而使得測頭偏離縫隙中間位置。

因此，在設(shè)置2號測量位置之前，一定要讓測頭觸碰端面A，并且調(diào)整工件坐標(biāo)z 原點(diǎn)，然后再設(shè)置2號測量位置，才能使2號測量位置測頭準(zhǔn)確對準(zhǔn)縫隙中間位置。也可在設(shè)置1號測量位置之后，運(yùn)行G80指令調(diào)整工件坐標(biāo)z 原點(diǎn)之后，再設(shè)置2號測量位置，也可以達(dá)到同樣效果。

1號測量工位距離端面A的距離應(yīng)根據(jù)頂尖孔造成的端面A 左右最大偏移距離，合理設(shè)置。在確保測頭不會撞上工件的前提下，盡量讓測頭靠近端面A，以減少觸碰端面A時的行走距離，提高加工效率。

對毛坯工件而言，縫隙中心位置與端面A之間沿z 方向的距離偏差分布如果接近小縫隙寬度的1/3，則會導(dǎo)致測頭在2號測量位置撞上工件的概率增大。但是，就毛坯工件而言，縫隙中心位置與端面A之間沿z 方向的距離一般不會超過0.2 mm。

所以，該方法對小縫隙端面自動測量與定位是有效和可靠的。

【1】國際斯來福臨集團(tuán)的高性能磨床[J].世界制造技術(shù)與裝備市場，2007(2):99－100.

【2】劉興國.國內(nèi)外超高速磨削的現(xiàn)狀[J].機(jī)械工人:冷加工，2004(9):16－17.

【3】胡東紅，王平江，陳吉紅.外圓磨床數(shù)控系統(tǒng)研究[J].機(jī)床與液壓，2009，37(5):5－10.

【4】CHOI In-Hyu，KIM Jeong-Du.Development of Monitoring System on the Diamond Tool Wear.International Journal of Machine Tools and Manufacture[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，1999，39(3):505－515.

【5】陳美福.對發(fā)展我國數(shù)控磨床的淺見[J].世界制造技術(shù)與裝備市場，1994(3):6－7.

【6】PROCTOR Frederick M，ALBUS James S.Open-architecture Controllers[J].IEEE Spectrum，1997，34(6):60－64.

【7】胡東紅，李朗，張玲.徑向量儀校正工件坐標(biāo)原點(diǎn)的方法[J].伺服控制，2011(1):64－66.

【8】胡東紅，王平江，舒創(chuàng).基于開放式數(shù)控平臺的外圓磨床數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)[J].伺服控制，2007(6):37－41，64.

【9】胡東紅，王平江，張玲.三軸聯(lián)動的軸承磨成型砂輪修整控制模型研究[J].機(jī)床與液壓，2011，39(23):10－13.