基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計

吳國明，李進東，徐鳳，陳鵬，蔡春堂

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 遂寧 629000)

機床裝夾工件主要用于機械加工過程中固定工件在機床上的位置，確保工件在機械加工時的穩(wěn)定性，進而提高機械加工精度。在機床裝夾工件定位、夾緊過程中，必然會產(chǎn)生一定程度上的位置偏差，因此，需要通過自動校準(zhǔn)系統(tǒng)確保工件定位的精度。在我國，常用的基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)系統(tǒng)包括：數(shù)字萬用自動校準(zhǔn)系統(tǒng)以及通信綜合測試儀自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，但在實際應(yīng)用過程中由于一種校準(zhǔn)系統(tǒng)所適用的工件型號十分有限，無法通用于所有型號的機床裝夾工件，導(dǎo)致自動校準(zhǔn)普遍存在很大局限性，且校準(zhǔn)精度不足。MET/CAL自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的不足之處在于價格過于昂貴，并且在實際應(yīng)用過程中需要相應(yīng)的調(diào)試才能操作，在我國適用性不強?；诖?，本文提出基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計，通過設(shè)計一種新型基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，致力于實現(xiàn)對自動校準(zhǔn)系統(tǒng)在校準(zhǔn)精度方面的優(yōu)化設(shè)計。

1 基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 USB 接口

在系統(tǒng)硬件部分，設(shè)計USB接口。通過USB接口讀取計算機設(shè)備的自動校準(zhǔn)代碼，將代碼燒寫到符合總線接口的帶電可擦可編程只讀存儲器中，并連接到USB接口的對應(yīng)引腳上。USB接口枚舉的過程中，在串行接口引擎的作用下，可以自動完成枚舉。對相位滿足離散Hilbert變換的初始化處理只需要對等待狀態(tài)的寄存器設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，從而適應(yīng)USB接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換即可。與此同時，本文在USB接口中設(shè)置8個中斷源，當(dāng)定位、夾緊機床裝夾工件時，USB接口只通過一次簡單的讀寫操作便可使上位機獲取到自動校準(zhǔn)信息，并識別到中斷源進行相應(yīng)的自動校準(zhǔn)處理。

1.2 示波器

在USB接口的基礎(chǔ)上，設(shè)計型號為Tektonnix4代示波器，作為基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)中最重要的硬件，能夠通過探頭連接機床裝夾工件與示波器的管道，本文設(shè)計的示波器配備32寸的顯示屏，采用觸摸式用戶界面技術(shù)，能夠以最大分辨率顯示基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)幅頻響應(yīng)。相比于其他示波器最大的亮點在于能夠通過頻譜分析，將機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)選配，改為基于射頻分析機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)標(biāo)配。設(shè)計的示波器具體參數(shù)信息，包括：1GHz帶寬；4根1GHz無源探頭；上升時間為350ps；測試信號高達500M。以其高效率，高精度的特點很好地適用于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)。以此，實現(xiàn)幾十種機床裝夾工件自動測量，在示波器上得到電流變化曲線，滿足基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)硬件需求。

2 基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 設(shè)置設(shè)備參數(shù)及校準(zhǔn)點

在基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)過程中，由于不同的機床裝夾工件其基本參數(shù)必然不同，因此，必須在確定機床裝夾工件基本參數(shù)的前提下，選定校準(zhǔn)點。本文將校準(zhǔn)點選取分為兩種情況：對基本量程的機床裝夾工件，選擇機床裝夾工件基本量程的60%、70%、80%、90%以及100%作為校準(zhǔn)點；對非基本量程的機床裝夾工件，選擇100%作為校準(zhǔn)點。在此基礎(chǔ)上，通過測量校準(zhǔn)點的輸出電流有效值，確定校準(zhǔn)點電流導(dǎo)通時間的準(zhǔn)確度，為計算基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)誤差提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.2 計算基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)誤差

在確定設(shè)備參數(shù)及校準(zhǔn)點后，機床裝夾工件安裝誤差是指工件加工中操作不規(guī)范、技術(shù)較落后及設(shè)置的空間軸線與探管軸線相交不重合，導(dǎo)致的軌跡定位誤差，此誤差屬于先天誤差，本文不對此進行過多研究。本文主要針對工件誤差以及信號處理誤差，計算基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)誤差。設(shè)基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)誤差為γ，可得公式（1）。

式（1）中，T指的是機床裝夾工件自動校準(zhǔn)輸出信號處理導(dǎo)通時間，單位為min；s指的是實測機床裝夾工件自動校準(zhǔn)輸出電流導(dǎo)通時間，單位為min。通過式（1），得出基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)誤差。在基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)誤差程序開始后，除非while循環(huán)的條件接線端接收到“真”，剔除基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)誤差，否則循環(huán)就一直進行，直至完成基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)。

2.3 完成基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)

在剔除基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)誤差后，假設(shè)某一校準(zhǔn)點已知并確定，便可計算機床裝夾工件進行軌跡測量時的實際數(shù)值，并代入上述誤差計算公式，可求解公式中參數(shù)的具體數(shù)值，理論上便可固定軌跡中的軌跡點，結(jié)合12點位置法自動校準(zhǔn)機床裝夾工件中存在誤差值。至此，完成基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件部分設(shè)計。

3 實例分析

3.1 實驗準(zhǔn)備

本次實例分析選取型號為LIP56324-01的機床裝夾工件作為實驗對象?；诒疚脑O(shè)計系統(tǒng)自動校準(zhǔn)機床裝夾工件，通過MATALB測試校準(zhǔn)殘差，并記錄，將其設(shè)為實驗組；再使用傳統(tǒng)系統(tǒng)自動校準(zhǔn)機床裝夾工件，同樣通過MATALB測試校準(zhǔn)殘差，并記錄，將其設(shè)為對照組。由此可見，本次實驗主要內(nèi)容為測試兩種系統(tǒng)的校準(zhǔn)殘差，殘差數(shù)值越低證明該自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的精度也就越高。通過10次對比實驗，針對實驗測得的校準(zhǔn)殘差，記錄實驗數(shù)據(jù)。

3.2 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述設(shè)計的實驗步驟，采集10組實驗數(shù)據(jù)，將兩種自動校準(zhǔn)系統(tǒng)下的殘差進行對比，殘差對比結(jié)果，如表1所示。

表1 實驗結(jié)果對比

從表1可以看出，本文設(shè)計自動校準(zhǔn)系統(tǒng)在實際應(yīng)用中殘差最高為0.210；對照組殘差最高為0.748，設(shè)計自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)殘差遠遠低于傳統(tǒng)自動校準(zhǔn)系統(tǒng)，證明本文設(shè)計自動校準(zhǔn)系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)自動校準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)精度更高，可以廣泛投入應(yīng)用。

4 結(jié)語

通過基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計研究，能夠取得一定的研究成果，解決傳統(tǒng)基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)中存在的問題。由此可見，本文設(shè)計的自動校準(zhǔn)系統(tǒng)是具有現(xiàn)實意義的，能夠指導(dǎo)基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)系統(tǒng)優(yōu)化。在后期的發(fā)展中，應(yīng)加大本文設(shè)計自動校準(zhǔn)系統(tǒng)在機床裝夾工件自動校準(zhǔn)中的應(yīng)用力度，進而提高機床裝夾工件定位、裝夾精度。截至目前，國內(nèi)外針對基于機床裝夾工件的自動校準(zhǔn)系統(tǒng)研究仍存在一些問題，在日后的研究中還需要進一步對自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計進行深入研究，為提高機床裝夾工件自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的綜合性能提供專業(yè)建議。