面向精密制造的測(cè)量加工一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉學(xué)術(shù)，徐金亭

(大連理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

0 引言

在線測(cè)量系統(tǒng)是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)高精度、高效率加工的基礎(chǔ)。然而，由于在線測(cè)量系統(tǒng)的工作環(huán)境復(fù)雜，工件與測(cè)量裝置相對(duì)位置受限，特別是對(duì)于觸發(fā)式測(cè)頭系統(tǒng)，其測(cè)量精度問題尤為突出[1-3]。為提高測(cè)量精度，文獻(xiàn)[4]試圖通過細(xì)分探頭測(cè)量過程，找出每個(gè)環(huán)節(jié)中影響測(cè)量精度的要素，從整體上提高測(cè)量精度；文獻(xiàn)[5]采用數(shù)學(xué)迭代的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)頭誤差的補(bǔ)償；文獻(xiàn)[6]利用遺傳算法建立了一種觸發(fā)式測(cè)頭半徑誤差模型，但因未考慮測(cè)量方位的變化而影響測(cè)量精度的提升；文獻(xiàn)[7]通過對(duì)測(cè)頭半徑進(jìn)行補(bǔ)償進(jìn)一步提升了測(cè)量精度。

目前測(cè)量加工一體化系統(tǒng)的構(gòu)建已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。文獻(xiàn)[8]針對(duì)復(fù)雜曲面模具，詳細(xì)介紹了測(cè)量、造型與加工一體化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能模塊，包括散亂數(shù)據(jù)的三角劃分及網(wǎng)格優(yōu)化，三角曲面造型及刀具加工軌跡生成等。文獻(xiàn)[9]介紹了一套自行研制的基于數(shù)控系統(tǒng)的測(cè)量、造型和加工集成系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。文獻(xiàn)[10]介紹了復(fù)雜曲面測(cè)量加工一體化技術(shù)的基本內(nèi)涵和應(yīng)用方向。西南交通大學(xué)的魏能強(qiáng)針對(duì)車身測(cè)量的實(shí)際問題，設(shè)計(jì)并開發(fā)了在線測(cè)量與加工一體化系統(tǒng)，滿足了車身測(cè)量的實(shí)際需求[11]。

然而，對(duì)于珠寶行業(yè)的加工制造，其不同于普通的機(jī)械零件加工。對(duì)于金銀首飾等零部件，在其毛坯件通過鑄造成型后，首先需要對(duì)工件進(jìn)行修整，以增加其表面的光潔度，提升視覺效果。而工件修整必將導(dǎo)致材料的去除，對(duì)于價(jià)格以克計(jì)的金銀首飾而言，其材料去除量越小越好。此要求同樣適用于后續(xù)的紋理加工。為滿足裝飾效果，通常需要在珠寶首飾上雕刻花紋、字體等特殊圖案。一方面，要求雕刻過程中去除的材料越少越好；另一方面，對(duì)于雕刻的花紋要做到深淺一致，以滿足用戶對(duì)美感的追求。為滿足珠寶行業(yè)的加工特殊性，本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了專門用于珠寶首飾加工的測(cè)量加工一體化操作軟件系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能大幅度提升加工精度，很好的滿足了珠寶行業(yè)的加工需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

測(cè)量加工一體化系統(tǒng)的組成如圖1所示。主要包括硬件和軟件兩大部分，其中硬件包括測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床。而軟件部分則是作為控制中心，負(fù)責(zé)控制硬件系統(tǒng)完成對(duì)工件的測(cè)量、數(shù)據(jù)處理及加工操作，是一體化操作系統(tǒng)的核心，也是本文介紹的重點(diǎn)。

圖1 測(cè)量加工一體化操作系統(tǒng)組成

軟件系統(tǒng)主要包括3個(gè)功能模塊：探頭標(biāo)定、測(cè)量路徑規(guī)劃和加工軌跡規(guī)劃。其中探頭標(biāo)定用于對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)；測(cè)量路徑規(guī)劃用于根據(jù)加工需求完成對(duì)工件測(cè)量路徑的規(guī)劃；加工軌跡規(guī)劃則是依據(jù)零部件的差異性對(duì)理論加工軌跡做出調(diào)整，以滿足加工精度的實(shí)際要求。

1.1 探頭標(biāo)定模塊

探頭標(biāo)定模塊主要用于補(bǔ)償觸發(fā)式探頭自身測(cè)量精度不足及機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)測(cè)量精度的影響。其基本思路是通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工件的測(cè)量，如環(huán)規(guī)，計(jì)算并建立與角度相關(guān)的誤差補(bǔ)償表，用于后續(xù)工件測(cè)量時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果的補(bǔ)償。以二維為例，對(duì)于半徑為r的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)，利用公式(1)可計(jì)算某被測(cè)點(diǎn)q的理論坐標(biāo)(x0,y0)：

(1)

式中，θ是以x軸正向?yàn)槠鹗歼?、oq為終止邊，以逆時(shí)針方向?yàn)檎膴A角。

利用探頭對(duì)q點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量并得到其測(cè)量坐標(biāo)(x,y)，據(jù)此可知探頭在角度為θ位置的測(cè)量誤差為(Δx,Δy)，其中Δx=x-x0,Δy=y-y0。依此可建立誤差補(bǔ)償數(shù)據(jù)表，其基本格式為(θ-Δx-Δy)，用于后續(xù)測(cè)量誤差的補(bǔ)償。

1.2 測(cè)量路徑規(guī)劃模塊

測(cè)量路徑規(guī)劃主要用于根據(jù)用戶的測(cè)量需求，將被測(cè)量曲面離散成被測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)(采樣點(diǎn))并據(jù)此生成測(cè)量文件，用于驅(qū)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)完成被測(cè)曲面數(shù)據(jù)的采集。對(duì)于具有規(guī)則幾何形狀的工件數(shù)模，可以很方便的利用其數(shù)學(xué)表達(dá)式獲得采樣點(diǎn)信息；而對(duì)于具有非規(guī)則曲面的工件數(shù)模，其數(shù)學(xué)表達(dá)式很難準(zhǔn)確建立，因此需要采用其他方法來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于工件的幾何模型M可由若干三角面片來描述，即M={Ti|i=1,2,3,…},其中Ti表示一個(gè)三角面片。以M的中心為原點(diǎn)O，對(duì)于任意一條過O點(diǎn)的直線L(o,n)都可以直接計(jì)算L與M的交點(diǎn)。因此，對(duì)于采樣點(diǎn)si的計(jì)算可以簡(jiǎn)化為s=L∩M。對(duì)于在被測(cè)曲面上確定采樣點(diǎn)，可通過設(shè)定不同向量來獲取，即S={si|si=Li∩M,i=1,2,3,…}，其中Li=(o,nl)。采樣點(diǎn)計(jì)算的基本流程如圖2所示。在導(dǎo)入工件幾何模型后(圖2a)，手動(dòng)選擇要測(cè)量的曲面并確定采樣點(diǎn)參數(shù)后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)上述算法自動(dòng)計(jì)算測(cè)量點(diǎn)(圖2b中的點(diǎn))，根據(jù)測(cè)量精度的實(shí)際要求，調(diào)整測(cè)量點(diǎn)的疏密后可直接輸入測(cè)量文件，用于驅(qū)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)完成對(duì)工件被測(cè)曲面的數(shù)據(jù)采集。

(a)工件數(shù)模 (b)采樣點(diǎn)(疏) (c)采樣點(diǎn)(密)圖2 測(cè)量路徑規(guī)劃

1.3 加工軌跡規(guī)劃模型

加工軌跡規(guī)劃模塊主要用于利用對(duì)工件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)完成加工軌跡的規(guī)劃，使其滿足加工精度的要求。加工軌跡規(guī)劃模塊主要分為兩大功能：一是針對(duì)工件的修整加工，如側(cè)銑、端銑、倒角等操作；二是對(duì)理論加工軌跡進(jìn)行修正，如雕刻等。對(duì)于工件的修整加工，可直接利用測(cè)量數(shù)據(jù)生成加工軌跡，實(shí)現(xiàn)并不復(fù)雜。而對(duì)于理論加工軌跡的修正則復(fù)雜得多，主要是由于理論加工軌跡通過比較復(fù)雜，如雕刻花紋等，且由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論軌跡之間的偏差不一致，受加工精度要求高的影響，其實(shí)現(xiàn)難度較大。

本文的基本思想是：①對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)按行按列進(jìn)行曲線擬合，之后對(duì)曲面進(jìn)行離散以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的加密操作；②將理論加工軌跡上的每一個(gè)刀具觸點(diǎn)按照該點(diǎn)的法方向投影到加密后的測(cè)量數(shù)據(jù)上，并計(jì)算新的坐標(biāo)點(diǎn)和法向量，用以替代原數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)理論加工軌跡的修正，以滿足工件差異性特點(diǎn)。

對(duì)于加工軌跡的修正，其基本計(jì)算過程如圖3所示。圖中十字符號(hào)表示加密后采樣點(diǎn)。對(duì)于理論加工軌跡上的一點(diǎn)p，該點(diǎn)處的法向量為n。以p為中軸上一點(diǎn)，n為軸線方向，r為半徑可定義一個(gè)圓柱體C。確定圓柱體所包含的采樣點(diǎn)Q={q∈S|d(q,u)≤r}，其中u(p,n)為以p為線上一點(diǎn)、n為方向的直線，d(,)表示點(diǎn)到線的歐式距離。如果Q所包含的采樣點(diǎn)數(shù)量過少，則可通過調(diào)整r來增加采樣點(diǎn)數(shù)量。圖中灰色十字符號(hào)為Q。利用Q可進(jìn)行平面擬合，如圖中淺色直線所示。計(jì)算直線u與擬合面的交點(diǎn)p’，用以替代原始刀具觸點(diǎn)p，用擬合面的法方向n’來替代n，完成對(duì)刀具觸點(diǎn)p的修正。對(duì)理論加工軌跡上所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行上述修正操作即可實(shí)現(xiàn)對(duì)理論加工軌跡的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)加工精度的提升。

圖3 加工軌跡修正方法示意圖

2 系統(tǒng)軟件開發(fā)

依據(jù)上述思想開發(fā)的主程序界面如圖4所示。主要包括菜單欄、工具欄、顯示區(qū)及信息欄4大部分，方便與用戶的交互。

圖4 測(cè)量加工操作系統(tǒng)界面圖

2.1 探頭補(bǔ)償

探頭補(bǔ)償操作包含生成測(cè)量程序、計(jì)算測(cè)量誤差和讀取測(cè)量誤差三大功能。其中生成測(cè)量程序功能用于根據(jù)環(huán)規(guī)尺寸和測(cè)量點(diǎn)數(shù)生成測(cè)量程序，用于測(cè)量誤差的計(jì)算；計(jì)算測(cè)量誤差功能即用來完成誤差補(bǔ)償表的建立；而讀取測(cè)量誤差功能是針對(duì)已存在測(cè)量誤差表的情況，直接讀入測(cè)量誤差表。

2.2 測(cè)量路徑規(guī)劃

在導(dǎo)入工件數(shù)模后，可激活測(cè)量軌跡規(guī)劃模塊，其操作界面如圖5所示。為保證工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的統(tǒng)一，增加了調(diào)整坐標(biāo)系功能，以實(shí)現(xiàn)工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的統(tǒng)一。根據(jù)加工類型的不同，測(cè)量對(duì)象也有所不同，因此，需要根據(jù)后續(xù)的加工類型選擇測(cè)量曲面。系統(tǒng)支持的測(cè)量面包含兩大類：?jiǎn)蚊鏈y(cè)量和雙面測(cè)量。對(duì)于諸如銑內(nèi)外圓、雕刻等僅操作一個(gè)曲面的加工，需要選擇單面測(cè)量功能；而對(duì)于倒角操作，其設(shè)計(jì)兩個(gè)曲面，故需要選擇雙面測(cè)量，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)測(cè)量結(jié)果，自動(dòng)生成加工軌跡。

圖5 測(cè)量路徑規(guī)劃操作界面

對(duì)于采樣點(diǎn)密度的調(diào)整，可根據(jù)需要調(diào)整測(cè)量點(diǎn)參數(shù)。對(duì)于測(cè)量點(diǎn)位置的調(diào)整，系統(tǒng)還支持測(cè)量點(diǎn)距離漸變的布置方式，參數(shù)可由用戶自主設(shè)定。此外，對(duì)于局部加工操作，系統(tǒng)還支持這對(duì)局部區(qū)域的測(cè)量。如圖6所示，圖6a為選擇測(cè)量曲面后系統(tǒng)自動(dòng)生成的測(cè)量點(diǎn)位置。通過測(cè)量區(qū)域設(shè)置功能改變測(cè)量點(diǎn)布置區(qū)域后，測(cè)量點(diǎn)僅出現(xiàn)在選定的兩個(gè)區(qū)域。區(qū)域的設(shè)定以角度參數(shù)為參考，其中角度的起始為Y軸的正向，以逆時(shí)針為正。

(a)測(cè)量點(diǎn)初始布置圖 (b)局部測(cè)量結(jié)果圖

根據(jù)需要用戶可選擇輸出測(cè)量文件。針對(duì)機(jī)床操作系統(tǒng)的不同，測(cè)量文件有所區(qū)別。目前系統(tǒng)支持沈陽機(jī)床I5操作系統(tǒng)和臺(tái)灣新代操作系統(tǒng)兩大類型。

2.3 加工軌跡規(guī)劃

加工軌跡規(guī)劃操作界面如圖7所示。主要包括三大功能，一是設(shè)置加工參數(shù)，即對(duì)如主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足機(jī)床操作需求；二是工件修整，即完成諸如銑內(nèi)外圓、倒角等操作，同時(shí)針對(duì)珠寶行業(yè)特有的釘珠加工也屬于此類別；三是雕刻模塊，即依據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)完成對(duì)理論雕刻軌跡的調(diào)整，使其滿足加工精度的要求。

對(duì)于圖7a所示的工件，其內(nèi)測(cè)面為不規(guī)則曲面，需要在加工前對(duì)其進(jìn)行銑削加工。通過系統(tǒng)給出的測(cè)量程序獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)如圖7b所示。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)系統(tǒng)可直接生成加工軌跡，如圖7c所示，依據(jù)系統(tǒng)生成的加工程序可直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床完成加工操作。

(a)工件數(shù)模 (b)測(cè)量數(shù)據(jù) (c)加工軌跡圖7 內(nèi)側(cè)銑示例

雕刻過程如圖8所示。針對(duì)圖7a所示的工件，對(duì)其外側(cè)面進(jìn)行雕花操作。測(cè)量點(diǎn)及理論雕刻軌跡如圖8a所示，圖中可見初始條件下理論雕刻軌跡未完全落在測(cè)量區(qū)域，此時(shí)可利用系統(tǒng)提供的操作工具完成理論雕刻軌跡與測(cè)量點(diǎn)相對(duì)位置的調(diào)整，如圖8b所示，此時(shí)雕刻軌跡完全處于測(cè)量區(qū)域內(nèi)。

(a)初始位置圖 (b)調(diào)整后位置圖圖8 測(cè)量點(diǎn)與原始雕刻軌跡位置調(diào)整

理論加工軌跡與工件實(shí)際幾何尺寸之間存在著一定的誤差，這是由零件成型過程中的差異性引起的。如圖9a所示，理論加工軌跡與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間存在著一定的間隙，局部放大圖中間隙清晰可見。如果以理論加工軌跡為基礎(chǔ)進(jìn)行加工，必將造成局部加工不到或者加工軌跡深淺不一，因此需要依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)理論加工軌跡進(jìn)行調(diào)整，使其與工件實(shí)際尺寸相符，繼而提升加工質(zhì)量。圖9b為系統(tǒng)給出的加工軌跡調(diào)整后的效果圖，由局部放大圖可以看出加工軌跡已與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)完全重合，達(dá)到了提升加工精度的目的。

(a)調(diào)整前 (b)調(diào)整后

3 應(yīng)用驗(yàn)證

為驗(yàn)證測(cè)量加工操作系統(tǒng)所能達(dá)到的加工精度，以兩個(gè)實(shí)際工件為例，對(duì)其加工精度進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證基本流程為：①探頭標(biāo)定；②系統(tǒng)根據(jù)理論數(shù)模輸出測(cè)量文件；③機(jī)床讀取測(cè)量文件完成數(shù)據(jù)采集；④系統(tǒng)依據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)給出加工軌跡文件；⑤機(jī)床讀取加工軌跡文件完成加工操作。其中第⑤步在對(duì)工件進(jìn)行加工時(shí)，采用手工調(diào)整刀具定位點(diǎn)的方式來驗(yàn)證加工精度，即對(duì)于影響切削深度的坐標(biāo)，如Z，當(dāng)機(jī)床按照加工軌跡進(jìn)行加工操作時(shí)，每完成一次加工操作后調(diào)整Z值，記錄刀具能切削到工件的初始值Z0和能完成全部加工軌跡的終值Z1，定義加工精度ΔZ=Z1-Z0。

用于加工精度驗(yàn)證工件的理論數(shù)模如圖10所示，一個(gè)是圓形工件，一個(gè)為不規(guī)則橢圓形工件。實(shí)際工件在成型過程中采用人工干預(yù)的方式使其產(chǎn)生一定的成型誤差，以達(dá)到驗(yàn)證系統(tǒng)加工精度的目的。

圖10 用于加工精度驗(yàn)證的理論數(shù)模

加工精度的驗(yàn)證針對(duì)常見的銑削內(nèi)外圓、頂面、倒角、雕刻及頂面加工釘珠進(jìn)行，結(jié)果如圖11所示，其中圖11a為加工現(xiàn)場(chǎng)圖，圖11b和圖11c為雕刻不同花紋的效果圖。精度測(cè)試結(jié)果如表1所示，可見開發(fā)的測(cè)量加工一體化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)加工精度不低于0.05 mm的高精密加工。

(a)加工圖 (b)試驗(yàn)1 (c)試驗(yàn)2圖11 精度驗(yàn)證實(shí)物圖

表1 加工精度驗(yàn)證表 (單位：mm)

4 結(jié)論

針對(duì)珠寶行業(yè)對(duì)加工精度的特殊要求，設(shè)計(jì)并開發(fā)了測(cè)量加工一體化操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括探頭標(biāo)定模塊、測(cè)量路徑規(guī)劃模塊及測(cè)量軌跡生成模塊。針對(duì)銑削、倒角、雕刻等常見加工操作，針對(duì)系統(tǒng)精度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的加工精度不低于0.05 mm，很好的滿足了珠寶行業(yè)的加工需求。為實(shí)現(xiàn)加工過程的高效自動(dòng)化，正在開發(fā)系統(tǒng)與機(jī)床的通信接口，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與機(jī)床之間的自主通信，為進(jìn)一步提升加工效率創(chuàng)造條件。