面向零件測量領(lǐng)域的轉(zhuǎn)臺開發(fā)及應(yīng)用

李積云，趙亮社 ，陳濤，李宏鋼

(1. 寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造創(chuàng)新中心，陜西 寶雞 721013；2. 寶雞機床集團有限公司，陜西 寶雞 721013)

0 引言

數(shù)控機床研制中零件檢測工序的目的是判定加工質(zhì)量是否符合設(shè)計，保證整機裝配精度和性能。三坐標因其高適用性和便捷性而廣泛應(yīng)用。測量機在測量同時記錄各關(guān)鍵點的數(shù)據(jù)信息，傳輸?shù)娇刂破?，?jīng)測量軟件計算處理后，輸出測量點坐標值[1]。

數(shù)控機床包含的機械零部件有齒輪、齒輪軸、盤、套、箱體等，需測量圓柱度、平行度、直線度、垂直度等眾多參數(shù)。在保證測量機性能正常、測量環(huán)境符合要求、測量過程規(guī)范的前提下，提高效率是企業(yè)關(guān)注的重點。因為檢測是銜接加工制造相關(guān)工序和裝配、調(diào)試工序的中間環(huán)節(jié)，其效率直接影響整個產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。三坐標測量機是通過3個線性機構(gòu)來獲取三維空間位置，加之調(diào)整、校準、換件等時間消耗，與預(yù)期存在較大差距。開發(fā)一款針對該類零件裝夾和位置調(diào)整裝置配合測量機工作，提高測量效率，具有重要的意義。

1 三坐標測量

三坐標測量機對形狀規(guī)則零件具有很好的適應(yīng)性，而對具有復(fù)雜形狀的零件需人為干預(yù)，如帶有曲面、齒形、葉片、凸輪等零件。眾多學(xué)者在專用零件檢測、三坐標智能檢測及檢測規(guī)劃等方面進行了大量的研究和實踐，通過測量軟件的二次開發(fā)或工裝夾具的設(shè)計達到擴展測量機功能、提高效率的目的。

張露基于三坐標測量機開展對專用零件的檢測，將檢測結(jié)果作為控制產(chǎn)品質(zhì)量的依據(jù)，設(shè)計專用夾具，引入SPC控制方法實現(xiàn)汽車底盤零件的質(zhì)量控制[1]。宋愛利等設(shè)計一種針對漸開線齒輪的測量程序，將其應(yīng)用到原測量系統(tǒng)，在擴展其功能的基礎(chǔ)上提高測量效率[2]。楊新建將三坐標的自動測量技術(shù)和CAM、CAPP相結(jié)合，提出了智能測量中檢測規(guī)劃的若干注意事項[3]。歐陽婷婷等對曲面輪廓的測量分別在有基準約束和無基準約束兩種情況下的測量差異做了比對[4]。屈力剛等對規(guī)則曲面的策略進行研究，提出臨界采樣點數(shù)算法，做為合理采樣的理論基礎(chǔ)[5]。劉濤等利用三坐標測量機結(jié)合零件檢測軟件Geomagic Qualify完成復(fù)雜三維曲面渦旋零件的精度檢測[6]。張占鋒等設(shè)計一種數(shù)控回轉(zhuǎn)臺的消隙機構(gòu)[7]，提高轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)精度。以上相關(guān)研究只對于某種專用零件測量，應(yīng)用范圍有限。

2 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)及功能

高精度轉(zhuǎn)臺廣泛應(yīng)用在航天航空、軍事、測控、檢測領(lǐng)域，其綜合性能直接影響測試結(jié)果的可靠性和精度，故將穩(wěn)定性和運行精度作為衡量其綜合性能的主要指標[8-9]。穩(wěn)定性常采用模態(tài)分析法，依據(jù)結(jié)構(gòu)的振型和固有頻率，對不同載荷下結(jié)構(gòu)的振動形式進行預(yù)測和優(yōu)化，避免共振；運行精度靠高精度傳動裝置和控制系統(tǒng)實現(xiàn)。

圖1所示為工作轉(zhuǎn)臺外形，整體呈圓柱封閉結(jié)構(gòu)。為避免軸承、電機等元件受到污染和損傷，主要裝置布置在箱體內(nèi)部，大部分機械及電器元件為軸對稱圓柱形結(jié)構(gòu)，使其機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。箱體外預(yù)留線束接口，方便安裝。底座預(yù)留槽型孔，可安裝在各種臺面上。

圖1 工作臺位置布置圖

圖2所示為位置閉環(huán)控制原理，對軸類、盤、齒輪等回轉(zhuǎn)類零件，將零件裝夾在轉(zhuǎn)速可調(diào)且具有高精度位置控制功能的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺上。通過轉(zhuǎn)臺位置控制系統(tǒng)來調(diào)整待測零件的空間位置，測量機移動副驅(qū)動測量機測頭做微量調(diào)整，測量過程由三個方向的線性移動變?yōu)橐粋€快速回轉(zhuǎn)運動和幾個微量的線性移動。

圖2 位置閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

圖3為工作臺內(nèi)部元件位置結(jié)構(gòu)圖，包括箱體、驅(qū)動裝置、位置檢測裝置、制動裝置。驅(qū)動裝置包括力矩電機和轉(zhuǎn)臺軸承；電機定子通過螺栓固定在箱體上，電機轉(zhuǎn)子與臺面端面連接，轉(zhuǎn)子帶動轉(zhuǎn)臺臺面旋轉(zhuǎn)。為保證轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)精度，轉(zhuǎn)臺外圓面與轉(zhuǎn)臺軸承內(nèi)孔相配合；位置測量裝置采用AMR(磁阻傳感器)原理[10-11]，將粘接有各向異性磁阻特性的磁環(huán)固定在轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸與電機轉(zhuǎn)子固定，傳感器將位置信號傳輸給電機控制器；制動器采用盤式制動器，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)時放松，到預(yù)定位置后鎖緊。

圖3 工作臺零件位置結(jié)構(gòu)圖

2.1 驅(qū)動裝置

采用蝸輪蝸桿、齒輪減速箱或諧波減速箱等傳動方式的轉(zhuǎn)臺，傳動鏈的傳動間隙是無法避免的[12]。本文采用力矩電機直接驅(qū)動負載的動力模式，避免機械傳動鏈引起的齒隙誤差。利用伺服控制系統(tǒng)，使整個驅(qū)動裝置具有反應(yīng)速度快，線性度高的優(yōu)勢。通過電機和控制方式的合理配置提高轉(zhuǎn)臺的穩(wěn)定性及靜、動態(tài)精度。

轉(zhuǎn)臺機械回轉(zhuǎn)精度主要受支撐軸承結(jié)構(gòu)和精度的影響，故選用專用轉(zhuǎn)臺軸承，如四點接觸式、交叉圓柱滾子軸承、三排圓柱滾子組合軸承等?？紤]到零件外形及質(zhì)量分布引起振動和變形，綜合考慮其他因素，本文采用圓柱滾子和雙向推力滾針組合軸承，安裝位置如圖3所示，轉(zhuǎn)臺軸承的外圈固定在箱體，內(nèi)圈與軸配合安裝。

2.2 位置檢測裝置

位置檢測裝置是轉(zhuǎn)臺運行精度的核心部件，對機床主軸、齒輪、葉片等涉及分度精度和傳動精度的零件，可用回轉(zhuǎn)位置的高精度控制系統(tǒng)驅(qū)動轉(zhuǎn)臺，配合三坐標進行測量。

本文采用某公司的增量式電感測量裝置，該裝置由一個非接觸式編碼器和安裝移動裝置上的磁阻傳感器組成。對于線性位移量，在7m/s速度下分辨率為1μm；對于角度量，分辨率可達10-3°。

圖4所示為將表面附著有磁阻效應(yīng)涂層的磁阻傳感器磁環(huán)粘接在固定環(huán)上。該測量裝置的精度主要受編碼器特性參數(shù)和安裝調(diào)整方式的影響，在使用時注意以下兩個方面：

圖4 AMR傳感器安裝位置示意圖

3 元件選型

型號為TK50S數(shù)控車床中的零件有主軸箱、傳動軸、傳動齒輪等，其中主軸箱外輪廓尺寸長寬高為520mm×460mm×420mm，最大質(zhì)量為300kg。將工作臺面外徑設(shè)計為500mm，工作臺回轉(zhuǎn)最大線速度為現(xiàn)有三坐標測量機線性平移速度的2倍(三坐標線性副移動速度為200mm/min)，最大回轉(zhuǎn)速度為150°/s,最大加速度為30°/s2。

3.1 電機和軸承

為保證工件穩(wěn)定安裝，依據(jù)載荷選用某公司生產(chǎn)的型號為YRT260高精密轉(zhuǎn)臺軸承。外徑φ=385mm，內(nèi)徑為φ1=260mm，軸承的極限轉(zhuǎn)速為n=200r/min，軸向動載荷Ca=160kN，徑向動載荷Cr=93kN，摩擦力矩T=20N·m。由上述運行參數(shù)得知，轉(zhuǎn)臺工作時的角加速度ε=30°/s2=0.524rad/s2。

轉(zhuǎn)臺工作時所克服的力矩包括慣性力矩和摩擦力矩，負載質(zhì)量為300kg，其他旋轉(zhuǎn)部件質(zhì)量為150kg，得到運轉(zhuǎn)時最大轉(zhuǎn)動慣量J=mr2=(300+150)×0.52=112.5(kg·m)，對應(yīng)慣性轉(zhuǎn)矩M=Jε=112.5×0.524=58.95(N·m)；摩擦力矩按照轉(zhuǎn)臺軸承的起動力矩計算，摩擦力矩T=20N·m。

以上得到轉(zhuǎn)臺峰值力矩為T0=M+T=78.95N·m?？紤]負載變化及預(yù)留余量、裝置穩(wěn)定性，選擇某公司的永磁式直流力矩電動機，型號為LYX320LYX02，安裝方式采用為分裝式，電機的峰值堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩>10N·m，最大空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為80r/min。

3.2 AMR傳感器

數(shù)控車床TK50S主軸箱內(nèi)齒輪既要考慮傳動精度，也要考慮傳動穩(wěn)定性、噪聲和振動，因此以齒輪公差組Ⅰ組和Ⅱ組中的公差與極限偏差項目進行零件檢測。兩類公差組中包含的項目有：Fp為齒距累計誤差、Fr為齒圈徑向跳動公差、ff為齒形公差、fpt為齒距極限偏差。選擇5級精度漸開線圓柱齒輪，上述各個參數(shù)對應(yīng)取值為：Fp=0.01mm、ff=0.008mm、Fr=0.016mm、fpt=±0.007mm。

依據(jù)以上技術(shù)要求，選取編碼器型號為LM10IC002的AMR傳感器，分辨率0.002mm。磁環(huán)型號為MR122E，磁阻傳感器固定環(huán)的外徑為120mm，內(nèi)徑為90mm，采用徑向安裝方式。

4 實驗驗證

以型號為布朗夏普XCEL9.12.9三坐標測量機為基礎(chǔ)，將該轉(zhuǎn)臺安裝在三坐標測量機上。待測工件的CAD圖如圖5所示，為一根主軸，基準A和B對應(yīng)外圓為支撐軸承安裝位置。為保證主軸回轉(zhuǎn)精度，需測量兩端外圓圓柱度，兩端外圓之間的同軸度及軸承安裝端面對外圓面的跳動度。

圖5 零件CAD圖

按照常規(guī)測量方法，將三爪卡盤或?qū)Ｓ霉ぱb夾具固定在測量機底座上，然后固定工件。設(shè)置工件和測量參數(shù)后，選用測量機附帶的測量程序模塊，如同軸度、圓柱度進行測量。正常工作時整個工件和工裝夾具是不動的，只通過3個線性移動副的運動調(diào)整測頭的位置，獲得相應(yīng)的零件尺寸信息。若圖5所示待測零件外徑較大，或軸向尺寸較長，需要幾十分鐘。

將該轉(zhuǎn)臺安裝在三坐標底座上后，把工件安裝在轉(zhuǎn)臺臺面上，隨轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動。通過轉(zhuǎn)臺位置控制和驅(qū)動裝置調(diào)整工件待測位置，測量機測頭只需做微量調(diào)整即可實現(xiàn)測量，縮短測量時間，很好地解決了測量大尺寸零件時間過長的問題。表1所示為分別用三坐標和轉(zhuǎn)臺與三坐標協(xié)同測量兩種方式，測量相同參數(shù)的檢測結(jié)果。

表1 主軸形位公差檢測結(jié)果

通過對比發(fā)現(xiàn)，高精度轉(zhuǎn)臺的應(yīng)用，可擴展三坐標的測量功能，在保證測量精度的基礎(chǔ)上提高測量效率。該裝置可在相關(guān)企業(yè)中普及，也可配合機械臂將此裝置安裝在智能生產(chǎn)線上，提高生產(chǎn)效率。

5 結(jié)語

為解決數(shù)控機床生產(chǎn)中出現(xiàn)的零件測量相關(guān)工序效率低的問題，開發(fā)了輔助三坐標測量機測量的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺。

轉(zhuǎn)臺整體封閉式結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)臺軸承和力矩電機的應(yīng)用，極大地提高了測量裝置的穩(wěn)定性和機械回轉(zhuǎn)精度。利用磁阻傳感器位置控制系統(tǒng)實現(xiàn)測量時零件的位置控制，達到擴展測量機功能、提高測量效率的目的。該轉(zhuǎn)臺不但能滿足常規(guī)零件的測量，同時可測量具有復(fù)雜外形結(jié)構(gòu)的零件，面向零件測量領(lǐng)域具有一定的推廣實用價值。