基于R TC P的五軸加工中心擺角精度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金 星，李 野

（沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧 沈陽 110034）

在航空制造領(lǐng)域里，隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平和工藝水平的提升，以及大量高檔數(shù)控機(jī)床的使用，各種復(fù)雜的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件便不斷出現(xiàn)在工廠中，這就要求數(shù)控機(jī)床在加工過程中做出各種復(fù)雜加工動作的同時(shí)，還要保證較高的加工質(zhì)量。對于五坐標(biāo)加工中心，擺角精度的高低，直接影響著零件的斜面和曲面的加工精度。

但目前在國內(nèi)，五坐標(biāo)加工中心擺角定位精度的測量和誤差補(bǔ)償，除設(shè)備昂貴的激光測量系統(tǒng)外，還沒有一種自動化的、使用簡單的、低成本的測量系統(tǒng)。常用的測量方法主要包括：360齒精密分度的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺、角度多面體、激光干涉儀等[1]。激光干涉儀對于直線和小角度精度測量時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的測量，但對于正90°和負(fù)90°甚至更大角度的擺角精度測量時(shí)，此方法無法滿足測量要求；而其他方法主要是操作繁瑣，無法實(shí)現(xiàn)自動化測量。因此本文提出了以機(jī)床 RTCP（Rotation Tool Centre Point）運(yùn)動理論為測量原理的數(shù)控加工中心擺角精度測量與補(bǔ)償通用系統(tǒng)。并配合使用激光干涉儀對五坐標(biāo)加工中心的各個(gè)線性軸和旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行精度測量和誤差補(bǔ)償，使各軸精度和重復(fù)定位精度達(dá)到出廠設(shè)計(jì)和零件加工的精度要求，從而提高零件加工質(zhì)量。

1 理論基礎(chǔ)與系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 R TC P運(yùn)動理論

RTCP方法，即五軸數(shù)控機(jī)床旋轉(zhuǎn)刀具中心編程方法，是通過繞空間任一固定點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動編程來實(shí)現(xiàn)機(jī)床五軸插補(bǔ)運(yùn)算。通過驅(qū)動各個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動實(shí)現(xiàn)主軸刀具中心繞指定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動插補(bǔ)的精度檢測。RTCP的運(yùn)動精度，綜合了機(jī)床各坐標(biāo)軸的定位精度和插補(bǔ)精度，是機(jī)床傳動精度、導(dǎo)向精度、閉環(huán)/開環(huán)控制精度的集中體現(xiàn)，也是對機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛性、驅(qū)動剛性、控制參數(shù)合理性等影響因素的綜合體現(xiàn)[2]。

RTCP運(yùn)動精度的檢測，是通過在機(jī)床主軸上安裝球頭芯棒，使固定在工作臺上的檢測元件（如百分表或千分表）沿法向觸及球頭的表面，通過編程驅(qū)動各坐標(biāo)繞球頭芯棒的球心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動測得[3]。此檢測方法實(shí)施簡單、方便快捷，而且能夠有效避免其他因素帶入的干擾誤差，是目前五軸數(shù)控機(jī)床擺角精度檢測最常用的方法。但目前使用RTCP檢測方法，通常是通過單獨(dú)的機(jī)械或數(shù)顯千分表進(jìn)行測量，沒有對應(yīng)的測量系統(tǒng)進(jìn)行有效的配合，既要測量人員手工編程，又要分步測量和讀數(shù)，因此在測量時(shí)操作十分復(fù)雜。

1.2 系統(tǒng)硬件選擇

測量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，選擇硬件設(shè)備如下：數(shù)顯千分表及通訊數(shù)據(jù)線、磁力基座、球頭芯棒、計(jì)算機(jī)終端。在測量時(shí)，球頭芯棒安裝到機(jī)床主軸上，數(shù)顯千分表安裝到磁力基座上，磁力基座固定在機(jī)床工作臺上，將數(shù)顯千分表調(diào)整到與機(jī)床主軸垂直的正向位置上，數(shù)顯千分表的測量頭貼緊機(jī)床主軸的球頭芯棒一側(cè)，數(shù)顯千分表通過R232數(shù)據(jù)線連接到計(jì)算機(jī)終端。

圖1 擺角測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

1.3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C/S結(jié)構(gòu)，在測量過程中，數(shù)顯千分表顯示的測量數(shù)據(jù)通過串口數(shù)據(jù)線傳入相連的計(jì)算機(jī)中，測量軟件獲得這些數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)分析過濾，得到所需的測量值，然后經(jīng)過誤差計(jì)算，最后得到相應(yīng)測量點(diǎn)的擺角誤差值。測量系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 擺角測量系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2 測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 R TC P運(yùn)行軌跡計(jì)算

RTCP擺角精度測量和誤差補(bǔ)償方法是通過驅(qū)動機(jī)床，使刀具尖端圍繞空間任一固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，來實(shí)現(xiàn)機(jī)床五軸插補(bǔ)運(yùn)算[4]。因此，機(jī)床主軸運(yùn)行軌跡的計(jì)算與對應(yīng)NC程序輸出成為該測量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

由于每臺五軸加工中心的結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，RTCP運(yùn)動軌跡計(jì)算前，需要得到以下參數(shù)，即正向最大測量角度Amax_pos、負(fù)向最大測量角度Amax_neg、擺角角度間隔Aspace、球頭芯棒長L1、主軸轉(zhuǎn)心距L2、測量軸A/B選擇。

根據(jù)上面參數(shù)進(jìn)行RTCP運(yùn)動軌跡的計(jì)算，五坐標(biāo)機(jī)床A軸正向擺角精度測量時(shí)，機(jī)床主軸在YZ平面內(nèi)向YZ負(fù)向運(yùn)行下階梯型軌跡，同時(shí)進(jìn)行擺角。圖3為五坐標(biāo)機(jī)床A軸正向擺角精度測量時(shí)的RTCP運(yùn)動軌跡。而A軸負(fù)向擺角精度測量時(shí)，則是在YZ平面內(nèi)向YZ正向運(yùn)行上階梯型軌跡，其運(yùn)行軌跡與正向擺角完全相反。

圖3 A軸正、負(fù)向擺角測量時(shí)機(jī)床R TC P運(yùn)動軌跡

該RTCP測量軌跡主要包括兩個(gè)參數(shù)，當(dāng)擺角為A軸擺角時(shí)，每次擺角前機(jī)床主軸運(yùn)動軌跡參數(shù)為Y軸坐標(biāo)值和Z軸坐標(biāo)值，具體算法如下公式（1）。

當(dāng)擺角為B軸擺角時(shí)，每次擺角前機(jī)床主軸運(yùn)動軌跡參數(shù)為X軸坐標(biāo)值和Z軸坐標(biāo)值，具體算法如下公式（2）。

2.2 千分表誤差數(shù)據(jù)讀取及過濾

測量過程中，獲取數(shù)顯千分表準(zhǔn)確而有效讀數(shù)是測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于在測量過程中，千分表讀數(shù)變化大到幾毫米，而小的時(shí)候會達(dá)到幾微米甚至更小，因此如何在這些變化的數(shù)據(jù)中選擇需要的數(shù)據(jù)十分關(guān)鍵。

通過對測量過程中機(jī)床主軸擺角運(yùn)動與千分表讀數(shù)變化關(guān)系的分析，如圖4所示，得出數(shù)據(jù)采集應(yīng)按照機(jī)床精度要求內(nèi)的最大值原則進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾。并通過系統(tǒng)編程控制實(shí)現(xiàn)了此方法，有效地解決了數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)問題，為最終實(shí)現(xiàn)了誤差的準(zhǔn)確測量提供了數(shù)據(jù)保障。

圖4 主軸擺角運(yùn)動和千分表讀數(shù)變化關(guān)系

2.3 誤差值運(yùn)算

運(yùn)用RTCP方法進(jìn)行精度測量時(shí)，千分表測出的數(shù)據(jù)代表機(jī)床主軸轉(zhuǎn)動某一角度后，由擺角定位誤差導(dǎo)致的X軸或Y軸的誤差值，因此再通過各坐標(biāo)軸的線性誤差值與擺角誤差值之間的三角關(guān)系，便可以計(jì)算出主軸擺角的誤差值。由于擺角的定位誤差有方向和正負(fù)之分，因此需根據(jù)千分表的正負(fù)明確計(jì)算出誤差的正負(fù)和方向。

當(dāng)進(jìn)行A軸測量時(shí)，擺角誤差值計(jì)算如下公式3，其中Y為機(jī)床Y軸坐標(biāo)值，△為第N次擺角時(shí)的擺角精度測量值，L為機(jī)床轉(zhuǎn)心距與球頭芯棒的和，AN為機(jī)床主軸擺角，AERROR為機(jī)床擺角誤差值。

3 應(yīng)用效果

運(yùn)用java語言的java Communications技術(shù)實(shí)現(xiàn)了RS232串口數(shù)據(jù)通訊，將數(shù)顯千分表數(shù)據(jù)采集到測量系統(tǒng)中。運(yùn)用java SWT技術(shù)實(shí)現(xiàn)了采集頁面設(shè)計(jì)開發(fā)，以及系統(tǒng)內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)開發(fā)。最終建立了自動化的數(shù)控加工中心擺角精度測量與補(bǔ)償通用系統(tǒng)。圖5為系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及NC測量程序輸出界面，圖6為測量過程獲取測量點(diǎn)誤差值界面。

圖5 N C測量系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

圖6 測量系統(tǒng)各測量點(diǎn)數(shù)據(jù)讀取

下面為輸出的NC測量程序：%_n_a1_MPF G71G90G1F2540 TRANSX=$AA_IW[X]Y=$AA_IW[Y]Z=$AA_IW[Z]y-20 A1F30 A0 G04F1 Y0F2540 G4F5 A-1F30 G04F1 A0 M0 G94F2540 G4F5 Y0.0 G4F1 Z-0.0……Z-6.66 A-10 G4F5 Y0.0 G4F1 Z0.0 A0 G4F5 M30.

下面為該測量系統(tǒng)在某五坐標(biāo)加工中心上進(jìn)行的行程在正20°到負(fù)20°間的，5°間隔的往復(fù)擺角誤差測量結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)測量前后誤差值對比

通過該系統(tǒng)，對某五坐標(biāo)機(jī)床擺角定位精度進(jìn)行了測量，并對機(jī)床進(jìn)行了擺角誤差補(bǔ)償。補(bǔ)償后擺角精度誤差可以提高到0.01°，可以很好地滿足零件加工精度要求。

4 結(jié)束語

本文通過運(yùn)用RTCP運(yùn)動原理，建立了五坐標(biāo)加工中心擺角精度測量方法測量系統(tǒng)。運(yùn)用此系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)床擺角精度測量和補(bǔ)償，可以方便快速地提高數(shù)控機(jī)床AB擺角的定位精度，既省去了原始測量方法編制測量程序和每次讀表的繁雜工作，也節(jié)省了測量結(jié)果轉(zhuǎn)換成補(bǔ)償值的復(fù)雜計(jì)算，大大提高了測量效率。另外，在測量成本上，節(jié)省了大量的外購和外雇費(fèi)用，為車間減少了設(shè)備維護(hù)成本，提高了企業(yè)的運(yùn)營效益。