三坐標(biāo)測量機(jī)與數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法研究

張 東，鐘文慶，劉 旺，賀方鑫

(北方導(dǎo)航控制技術(shù)股份有限公司，北京 100176)

隨著以智能制造為核心的制造能力轉(zhuǎn)型升級浪潮的到來，企業(yè)在探索實踐自動化生產(chǎn)單元、柔性化智能制造單元、智能制造生產(chǎn)線、自動化物流等智能生產(chǎn)模式，通過信息化系統(tǒng)集成完成數(shù)字化車間、智慧工廠建設(shè)。

自動化生產(chǎn)單元建設(shè)時，往往一個生產(chǎn)單元包含多種設(shè)備，實現(xiàn)高性能機(jī)床加工、機(jī)械手、自動裝夾定位、刀具在線自動檢測、工件在機(jī)或在線自動測量、自動物流、生產(chǎn)智能管控排產(chǎn)等先進(jìn)技術(shù)[1]。工件的在線檢測是其中重要一環(huán)。

以某產(chǎn)品生產(chǎn)線為例，工件在線測量設(shè)備選用的是三坐標(biāo)測量機(jī)，選用的某品牌切削設(shè)備是海德漢數(shù)控系統(tǒng)，電火花機(jī)床是發(fā)那科數(shù)控系統(tǒng)。三坐標(biāo)測量機(jī)負(fù)責(zé)對零件的尺寸進(jìn)行在線檢測，并將測量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娀鸹C(jī)床和加工中心，實現(xiàn)在三坐標(biāo)測量機(jī)坐標(biāo)系下的測量數(shù)據(jù)與加工中心和電火花坐標(biāo)系下的接收數(shù)據(jù)保持一致是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

1 三坐標(biāo)測量機(jī)在生產(chǎn)線中的作用

本生產(chǎn)線中，自動檢測系統(tǒng)由機(jī)內(nèi)刀具檢測系統(tǒng)、在機(jī)工件監(jiān)測系統(tǒng)和線內(nèi)測量機(jī)組成。檢測數(shù)據(jù)匯入智能化控制系統(tǒng)，與質(zhì)量管理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通[2]。線內(nèi)測量機(jī)選用的就是三坐標(biāo)測量機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)在生產(chǎn)過程自動對多種零件、多個工序的批量線內(nèi)測量，保證工件的一致性和重復(fù)性。測量機(jī)應(yīng)能在室溫下工作，并保證測量精度[3]?？刂葡到y(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)連接，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，自動計算刀具補償量，并將刀具補償量自動更新到數(shù)控機(jī)床NC系統(tǒng)對應(yīng)刀具的刀補中，必要時進(jìn)行二次加工以保證零件加工質(zhì)量[4]。

2 三坐標(biāo)測量機(jī)與數(shù)控機(jī)床

2.1 生產(chǎn)線在線檢測遇到的問題

生產(chǎn)線中數(shù)控機(jī)床和電火花機(jī)床、三坐標(biāo)測量機(jī)不是同一個品牌的設(shè)備，零件在3種設(shè)備上裝夾的空間位置也不相同，如果把三坐標(biāo)測量機(jī)測量出的坐標(biāo)值直接導(dǎo)入到數(shù)控機(jī)床和電火花機(jī)床系統(tǒng)中，X、Y、Z三個坐標(biāo)值與在機(jī)床上的位置不一致，發(fā)現(xiàn)2個問題：1)控制系統(tǒng)接收到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與數(shù)控機(jī)床不一致，導(dǎo)致刀具補償計算錯誤；2)控制系統(tǒng)接收到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)與電火花機(jī)床不一致，導(dǎo)致刀具補償計算錯誤。所以要研究零件在3個設(shè)備各自坐標(biāo)系下的坐標(biāo)關(guān)系，編制數(shù)據(jù)傳輸程序，使三坐標(biāo)測量機(jī)輸出的測量數(shù)據(jù)進(jìn)入到機(jī)床系統(tǒng)中后，X、Y、Z與實際相一致。

2.2 數(shù)控機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系

按照ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，確定數(shù)控機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系：1)不論機(jī)床的具體結(jié)構(gòu)，一律看作是工件相對靜止，刀具運動；2)機(jī)床的直線坐標(biāo)軸X、Y、Z的判定順序是先Z軸，再X軸，最后按右手定則判定Y軸(見圖1)；3)增大工件與刀具之間距離的方向為坐標(biāo)軸正方向。

圖1 數(shù)控機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系

Z坐標(biāo)軸的運動由傳遞切削力的主軸決定，與主軸平行的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)軸為Z坐標(biāo)軸，X坐標(biāo)軸的運動是水平的，它平行于工件裝夾面，Y坐標(biāo)軸根據(jù)X、Z坐標(biāo)軸，按照右手直角笛卡兒坐標(biāo)系確定(見圖1)，各坐標(biāo)軸的正方向為增加刀具和工件之間距離的方向；旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸A、B、C相應(yīng)地表示其軸線平行于X、Y、Z的旋轉(zhuǎn)運動，其正方向按照右旋螺紋旋轉(zhuǎn)的方向。對于移動部分是工件而不是刀具的機(jī)床，用帶“′”的字母表示工件的正向運動[5]。

確定工件坐標(biāo)系時，工件原點選擇如下(見圖2)：1)與設(shè)計基準(zhǔn)一致；2)選在尺寸精度高、表面粗糙度低的工件表面；3)在工件的對稱中心上；4)便于測量和檢測[6]。

2.3 三坐標(biāo)測量機(jī)編程與測量

明確了零件在數(shù)控機(jī)床的機(jī)床坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系，下一步進(jìn)行零件的測量與數(shù)據(jù)采集。

1)建立零點工裝和零件模型，編寫三坐標(biāo)測量程序(見圖3)。坐標(biāo)系設(shè)置時將基本坐標(biāo)系改為讀取已保存的零點工裝坐標(biāo)系，初定位坐標(biāo)系改為讀取已保存的零點工裝坐標(biāo)系[7]。

2)工件相對于零點工裝中心坐標(biāo)的X、Y、Z軸的偏移量，這個偏移量是電火花機(jī)床完成加工的參照依據(jù)。這里使用了三坐標(biāo)指令中的方槽指令，簡單快捷，得到偏移量X、Y、Z，縮短了三坐標(biāo)測量機(jī)的測量時間[8]。

圖3 編寫三坐標(biāo)測量機(jī)測量程序

2.4 三坐標(biāo)測量機(jī)和數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系

1)成品零件在三坐標(biāo)上測量時，零點定位工裝中心線沿Z軸方向安裝，與在數(shù)控機(jī)床上的方向一致；但零件方向與在數(shù)控機(jī)床上加工時的方向沿Z軸旋轉(zhuǎn)了180°[9]。

以表1測量尺寸為例，測量所得坐標(biāo)值與在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值關(guān)系見表1。

表1 三坐標(biāo)測量機(jī)坐標(biāo)與數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系

2)半成品工件在三坐標(biāo)上測量時，零點定位工裝中心線沿Z軸方向安裝，而在電火花上零點定位工裝中心線是沿Z軸方向安裝。

以表2測量尺寸為例，測量所得坐標(biāo)值與在機(jī)床坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值關(guān)系見表2。

表2 三坐標(biāo)測量機(jī)坐標(biāo)與電火花機(jī)床坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系

3)三坐標(biāo)測量機(jī)和電火花機(jī)床坐標(biāo)系基準(zhǔn)的統(tǒng)一：第1步，用三坐標(biāo)測出標(biāo)準(zhǔn)棒的總長ZC；第2步，用三坐標(biāo)測出標(biāo)準(zhǔn)棒標(biāo)準(zhǔn)面到圓心的距離YC；第3步，把標(biāo)準(zhǔn)棒安裝到電火花機(jī)床零點托盤上，用電火花機(jī)床的探頭去觸碰標(biāo)準(zhǔn)棒的ZC方向，因為標(biāo)準(zhǔn)棒會從三坐標(biāo)上豎向變?yōu)殡娀鸹ㄉ系臋M向，所以在電火花上坐標(biāo)系ZC就變成了XC，觸碰完之后，機(jī)床會得到一個X軸的機(jī)械坐標(biāo)值X1；第4步，計算機(jī)床X向托盤的零點值。

X0=X1+R+ZC+1

式中，X0是X軸上托盤的零點值；X1是電火花機(jī)床探頭觸碰標(biāo)準(zhǔn)棒后所得X軸坐標(biāo)值；R是探頭球半徑；ZC是標(biāo)準(zhǔn)棒總長；1是回退距離。

同樣的方法可以得到Y(jié)0、Z0的值，把X0、Y0、Z0這3個數(shù)值輸入到機(jī)床系統(tǒng)托盤零點坐標(biāo)值中，實現(xiàn)了三坐標(biāo)測量機(jī)和電火花機(jī)床的基準(zhǔn)統(tǒng)一。

3 三坐標(biāo)測量機(jī)測量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

確定工件在三坐標(biāo)測量機(jī)與數(shù)控機(jī)床、電火花機(jī)床上測量和加工的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系后，對三坐標(biāo)測量機(jī)傳出的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，在軟件中修改賦值程序(見圖4)，這樣數(shù)控機(jī)床、電火花機(jī)床讀取的測量結(jié)果就是轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)值[10]，與本機(jī)的坐標(biāo)系完全一致，達(dá)到了在線自動檢測的目的。

4 結(jié)語

經(jīng)過加工驗證，通過在線自動檢測、坐標(biāo)自動轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)的生產(chǎn)零件加工尺寸完全符合圖樣要求，達(dá)到了預(yù)期目的。本次課題通過對三坐標(biāo)測量機(jī)所測零件數(shù)據(jù)與機(jī)床坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系進(jìn)行對比分析，確定了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系，在三坐標(biāo)測量機(jī)軟件中對賦值程序進(jìn)行修改，實現(xiàn)了三坐標(biāo)測量機(jī)測量結(jié)果可直接應(yīng)用到機(jī)床系統(tǒng)中，并且為今后三坐標(biāo)測量機(jī)在智能生產(chǎn)線中的應(yīng)用提供了解決方案。

圖4 三坐標(biāo)測量機(jī)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理程序