數(shù)控機(jī)床在線測(cè)量技術(shù)研究
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（2） 搜索距離。該距離設(shè)定了測(cè)頭從零件的公稱尺寸開(kāi)始沿進(jìn)入被測(cè)零件材料內(nèi)部方向的最大距離。如果測(cè)頭在這段距離運(yùn)動(dòng)中觸發(fā)，機(jī)床將鎖定觸發(fā)點(diǎn)的坐標(biāo)。在搜索距離階段，測(cè)頭應(yīng)以給定的測(cè)量速度運(yùn)動(dòng)。
（3） 回退距離。該距離是測(cè)頭接觸到被測(cè)表面后沿反方向回退的距離。測(cè)頭接觸被測(cè)表面后，為了避免移動(dòng)過(guò)量而折斷，測(cè)頭需要反方向退出一段距離，同時(shí)回退距離必須足夠大，以保證測(cè)頭能安全地到達(dá)下一個(gè)預(yù)接觸點(diǎn)或定位點(diǎn)。在回退距離階段，測(cè)頭以回退速度退回。
為滿足測(cè)頭各個(gè)運(yùn)動(dòng)階段的不同需求，在測(cè)量過(guò)程中對(duì)應(yīng)了3種距離，包含3種速度，即定位速度、測(cè)量速度和回退速度。測(cè)量速度應(yīng)取值較小，以減小測(cè)量值的誤差，同時(shí)避免折斷測(cè)桿。在測(cè)量過(guò)程中為提高測(cè)量效率，可以將定位速度和回退速度取值較大，從而保證以較快速度移動(dòng)測(cè)頭，減少測(cè)量時(shí)間。
為避免測(cè)頭在碰觸到被測(cè)表面后仍向前運(yùn)動(dòng)而折斷測(cè)桿，機(jī)床測(cè)量會(huì)在接收到觸發(fā)信號(hào)之后將剩余行程刪除。剩余行程刪除，即測(cè)頭在已編程行程運(yùn)動(dòng)過(guò)程中接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，記下當(dāng)前坐標(biāo)值之后跳過(guò)未完成的動(dòng)作，繼續(xù)執(zhí)行下一行代碼。
目前，數(shù)控系統(tǒng)一般均提供了基本的測(cè)量指令，或測(cè)量系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)單位或人員也會(huì)提供部分已封裝好的測(cè)量指令供用戶使用。
3 檢測(cè)路徑規(guī)劃
數(shù)控機(jī)床在線測(cè)量系統(tǒng)是一種通過(guò)采樣來(lái)進(jìn)行測(cè)量的系統(tǒng)[16]。因此采樣點(diǎn)的數(shù)量和分布情況將直接影響測(cè)量結(jié)果，對(duì)自由曲面的測(cè)量尤為重要。對(duì)整個(gè)被測(cè)表面全部進(jìn)行采樣是不現(xiàn)實(shí)的，為提高測(cè)量結(jié)果可信度，通常會(huì)采用增加檢測(cè)點(diǎn)數(shù)目的方式，但獲得高準(zhǔn)確度的同時(shí)也會(huì)極大降低測(cè)量效率。因此如何規(guī)劃高效、準(zhǔn)確的檢測(cè)路徑成為關(guān)鍵所在。
機(jī)床在線測(cè)量在規(guī)劃?rùn)z測(cè)路徑時(shí)，在滿足測(cè)量精度要求的基礎(chǔ)上盡可能提高測(cè)量效率，即在滿足測(cè)量精度的前提下，以最短的測(cè)量路徑檢測(cè)最少的測(cè)量點(diǎn)。以圓柱面測(cè)量為例，把測(cè)頭定位到型面的中心線上，采用四點(diǎn)測(cè)量方法便可以獲得高精度的測(cè)量結(jié)果。該測(cè)量方法對(duì)內(nèi)孔測(cè)量也同樣適用，詳細(xì)測(cè)量路徑見(jiàn)文獻(xiàn)[17]。
在路徑規(guī)劃要求的指導(dǎo)下，平面測(cè)量、凸臺(tái)/凹槽測(cè)量以及角度測(cè)量等均已有確定的測(cè)量路徑規(guī)劃方案，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[17]。
當(dāng)進(jìn)行復(fù)雜測(cè)量時(shí)，則編程人員需要對(duì)CAD系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，根據(jù)基本測(cè)量原理在CAD環(huán)境中進(jìn)行人機(jī)交互測(cè)量路徑規(guī)劃和編程，圖6為哈爾濱工業(yè)大學(xué)基于Pro/Engineer CAD環(huán)境進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)進(jìn)行人機(jī)交互所規(guī)劃的測(cè)量點(diǎn)和測(cè)量路徑。
在任何一項(xiàng)測(cè)量中，由于各種因素的影響，所得到的測(cè)量值總會(huì)存在誤差。為了使測(cè)量結(jié)果更精確地逼近真實(shí)值，需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，因此測(cè)量過(guò)程中影響測(cè)量精度的誤差組成來(lái)源應(yīng)當(dāng)被仔細(xì)分析和考慮。
由于數(shù)控機(jī)床在線測(cè)量系統(tǒng)是以機(jī)床為母體，集成測(cè)量系統(tǒng)而生成的。所以數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中存在的誤差在測(cè)量過(guò)程中也同樣會(huì)影響測(cè)量精度。機(jī)床在線測(cè)量測(cè)量誤差主要包括測(cè)頭系統(tǒng)誤差、機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件定位誤差、測(cè)量路徑不合理造成的誤差[16]，其中測(cè)頭系統(tǒng)誤差又分為測(cè)頭靜態(tài)誤差、測(cè)頭動(dòng)態(tài)誤差以及測(cè)頭在機(jī)床上的安裝誤差等。
測(cè)頭靜態(tài)誤差包括死區(qū)誤差和測(cè)頭重復(fù)定位誤差，它隨著測(cè)桿長(zhǎng)度、剛度以及接觸壓力的改變而改變。死區(qū)誤差是指測(cè)頭在接觸工件后，測(cè)桿發(fā)生的彎曲變形量[18]。測(cè)頭重復(fù)定位誤差相對(duì)于死區(qū)誤差相對(duì)較小，因此測(cè)頭靜態(tài)誤差主要由死區(qū)誤差決定。測(cè)頭動(dòng)態(tài)誤差主要與測(cè)頭檢測(cè)時(shí)的接觸速度以及數(shù)控系統(tǒng)采樣間隔有關(guān)。
測(cè)頭是通過(guò)與機(jī)床配套的刀柄安裝機(jī)床主軸上，由于測(cè)頭軸線與主軸軸線的不完全對(duì)中，存在測(cè)頭的安裝誤差[3，19]，在多方向測(cè)量中造成測(cè)量誤差。測(cè)頭與主軸的不對(duì)中安裝誤差，可以通過(guò)測(cè)量前的測(cè)頭偏心標(biāo)定進(jìn)行部分補(bǔ)償。
由于數(shù)控機(jī)床零部件的制造、裝配誤差、伺服系統(tǒng)的跟蹤誤差以及間隙、摩擦等因素，機(jī)床各工作部件在進(jìn)行測(cè)量運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生定位誤差。
除此之外，測(cè)頭的半徑誤差也是一個(gè)主要的誤差來(lái)源，在數(shù)據(jù)處理時(shí)可通過(guò)測(cè)頭半徑補(bǔ)償來(lái)消除[14]。但在實(shí)際測(cè)量中，情況較為復(fù)雜，測(cè)頭半徑誤差將引入測(cè)量結(jié)果，在自由曲面的測(cè)量過(guò)程中，該項(xiàng)誤差更為明顯。
針對(duì)測(cè)量過(guò)程中諸多的誤差來(lái)源，高效、高精度的誤差補(bǔ)償算法是亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中，可采用多次測(cè)量、誤差補(bǔ)償?shù)葴p小測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。
機(jī)床測(cè)量系統(tǒng)與CAD的集成
數(shù)控機(jī)床在線測(cè)量作為M-I模式的典型代表，極大地縮短了生產(chǎn)周期。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于并未與零件的設(shè)計(jì)模型相銜接，導(dǎo)致測(cè)量路徑交互規(guī)劃時(shí)存在諸多不便。此外，根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行再加工時(shí)，會(huì)造成誤差的累積。在實(shí)現(xiàn)D-M-I模式集成后，可針對(duì)該項(xiàng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償[20]，從而進(jìn)一步提高測(cè)量精度。
鑒于D-M-I模式相對(duì)于M-I模式的數(shù)控機(jī)床在線測(cè)量系統(tǒng)具有更高的精度和靈活性，針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的加工、測(cè)量與修整，我們采用了D-M-I模式的數(shù)控機(jī)床在線測(cè)量與加工，以提高測(cè)量、加工精度。將PC機(jī)與數(shù)控機(jī)床相連，在PC機(jī)上主要完成CAD系統(tǒng)與CAI軟件系統(tǒng)的集成，在數(shù)控機(jī)床上完成NC系統(tǒng)與CAI的硬件系統(tǒng)集成，從而實(shí)現(xiàn)CAD/NC/CAI的集成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。
該機(jī)床在線測(cè)量系統(tǒng)的操作步驟為：操作者首先向虛擬數(shù)控操作環(huán)境中加載目標(biāo)零件模型；隨后進(jìn)行虛擬操作環(huán)境初始化操作，其目的是建立虛擬操作環(huán)境下裝配坐標(biāo)系與實(shí)際機(jī)床坐標(biāo)系之間的關(guān)系、各運(yùn)動(dòng)部件的變換矩陣；最后，操作人員根據(jù)功能菜單選擇進(jìn)行測(cè)量面選擇、測(cè)量路徑規(guī)劃、測(cè)量過(guò)程仿真等操作。當(dāng)需要修改被加工（測(cè)量）的零件時(shí)，只需將虛擬環(huán)境下的該零件激活，修改完成之后將整個(gè)虛擬環(huán)境重新激活，便可重新對(duì)其進(jìn)行操作。該系統(tǒng)將CAI操作軟件通過(guò)二次開(kāi)發(fā)技術(shù)集成到Pro/Engineer環(huán)境下，使得CAD系統(tǒng)與CAI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接?；赑ro/Engineer的虛擬測(cè)量環(huán)境構(gòu)建，可實(shí)現(xiàn)實(shí)際操作過(guò)程的模擬，對(duì)測(cè)量或加工過(guò)程進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。
結(jié)論
測(cè)頭系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床集成構(gòu)成的機(jī)床在線測(cè)量系統(tǒng)，可以明顯縮減生產(chǎn)輔助時(shí)間，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)還縮減了由離線測(cè)量誤差導(dǎo)致的廢品率，充分發(fā)揮了數(shù)控機(jī)床的性能。機(jī)床測(cè)量的應(yīng)用可以減少中間環(huán)節(jié)，保證加工精度，提高數(shù)控機(jī)床的加工能力；并可實(shí)現(xiàn)工件的數(shù)字化數(shù)據(jù)采集，后期還可借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)工件表面三維重構(gòu)?；贒-M-I模式的機(jī)床在線測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)CAD的二次開(kāi)發(fā)，可充分利用CAD強(qiáng)大的圖形交互能力和設(shè)計(jì)功能，用戶進(jìn)行交互測(cè)量路徑的規(guī)劃，方便系統(tǒng)的應(yīng)用。該方向的研究及應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有較大的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也提升了數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用水平。(end)
評(píng)論