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某五軸數(shù)控加工中心在線檢測關(guān)鍵技術(shù)研究

2018-7-19 來源：轉(zhuǎn)載作者：曹著明，孫紅梅，史海軍

摘要：眾所周時(shí)，當(dāng)今制造業(yè)正朝智能制造進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，智能制造過程中的自感知功能很大部分是通過在線檢測來實(shí)現(xiàn)的。在制造過程中引入在線檢測能大大提高零件的生產(chǎn)效率和精度。通過研究某五軸數(shù)控加工中心中的HEIDENHAIN ITNC530 數(shù)控系統(tǒng)，搭建了機(jī)床的探測功能；對(duì)該系統(tǒng)的 TCH PROBE411 探測循環(huán)的工作原理和執(zhí)行過程進(jìn)行了深入研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在制造過程的自動(dòng)對(duì)刀和加工原點(diǎn)精確修正功能，大大縮短了零件的加工輔助時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高加工效率。

關(guān)鍵詞：智能制造；在線檢測；探測循環(huán)；原理；效率

1 、在線檢測技術(shù)

在線檢測指的是在數(shù)控加工中心上安裝觸發(fā)式測頭，測頭在刀庫中占據(jù)一個(gè)特殊的刀具號(hào)，測頭工作時(shí)不需要主軸旋轉(zhuǎn)；在進(jìn)行檢測工作時(shí)，換刀機(jī)械手將刀庫里的測頭安裝至加工中心主軸上；然后按相應(yīng)的檢測程序進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，進(jìn)而判斷加工精度，從而決定是否進(jìn)一步加工工件。

在線檢測技術(shù)把加工過程與檢測過程高效地結(jié)合起來，在加工復(fù)雜空間曲面的產(chǎn)品時(shí)有明顯的優(yōu)勢，它自由度大，避免了對(duì)工件多次裝夾造成的誤差，縮短制造周期，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)能夠?qū)庸み^程給予精確的指導(dǎo)，所以在氣缸、葉片、整體葉輪以及螺旋槳等這類結(jié)構(gòu)復(fù)雜且為空間曲面的零件加工上有重要的研究意義。

因此，基于數(shù)控加工中心的在線檢測技術(shù)得到迅速的發(fā)展，越來越多的專家學(xué)者進(jìn)行了深入研究。

在線檢測相對(duì)于離線測量的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：工件的加工和測量都在機(jī)床上完成，節(jié)省了工件的拆卸和裝夾時(shí)間，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期；減少貴重的離線測量設(shè)備（如三坐標(biāo)測量儀）的使用，節(jié)約生產(chǎn)成本；避免因?qū)⒐ぜ蓹C(jī)床轉(zhuǎn)移至離線測量設(shè)備時(shí)產(chǎn)生的裝夾誤差，從而提高加工精度；加工檢測一體化，能增強(qiáng)操作員信心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人加工。

數(shù)控加工中心在線檢測技術(shù)發(fā)展的趨勢主要表現(xiàn)在智能化、人性化；開放式、網(wǎng)絡(luò)化；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。在五軸數(shù)控加工中心采用探測功能，可以將工件的位置快速地確定下來，并設(shè)定好坐標(biāo)系。

在檢測工件尺寸的同時(shí)，還會(huì)根據(jù)測量的數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)刀偏量自動(dòng)地修正。此外，在線自動(dòng)檢測技術(shù)可以設(shè)定夾具和旋轉(zhuǎn)軸，而且在進(jìn)行柔性加工中確認(rèn)工件以及夾具。其主要功能包括：自動(dòng)修正加工坐標(biāo)系；能在數(shù)控加工程序中嵌入測量程序；減低夾具的消耗；實(shí)現(xiàn)良好的過程控制，提高安全性。

2 、五軸數(shù)控加工中心探測功能搭建

研究的是基于 DMU60MONOBLOCK 五軸數(shù)控加工中心中的 HEIDENHAINITNC530 數(shù)控系統(tǒng)，使用的是 HEIDENHAIN460三維觸發(fā)式光電測頭。搭建改系統(tǒng)的探測功能，首先要標(biāo)定探頭的長度和半徑，然后對(duì)已加工零件進(jìn)行尺寸檢測、找正、標(biāo)定以及對(duì)刀修正等。

標(biāo)定探頭的長度和半徑時(shí)，首先先在光電測頭安裝 3.6V 的電池；探頭內(nèi)的工作模式選擇 3（自動(dòng)模式）；在數(shù)控系統(tǒng)刀具表中定義探頭刀具時(shí)，應(yīng)在 PLC 參數(shù)設(shè)置為：%00010000，代表該刀具為探頭；同時(shí)應(yīng)將 B 和 C 軸復(fù)位；啟動(dòng)探頭功能指令 M27（機(jī)床快速移動(dòng)速度降低）。標(biāo)定探頭長度時(shí)首先用 50mm 高的標(biāo)準(zhǔn)量塊找正主軸端面與機(jī)床工作臺(tái)之間的距離，使它們之間的距離剛好為 50mm，此時(shí)將機(jī)床該位置設(shè)為 Z0；然后安裝上探頭，在數(shù)控系統(tǒng)中手動(dòng)/探測功能/標(biāo)定 L/循環(huán)啟動(dòng)，則探頭的探測量塊上表面，則系統(tǒng)能直接顯示探頭的高度原理，如圖1 所示。

圖 1 探頭長度測量原理

如圖 2（a）和 2（b）所示，由于探針的紅寶石觸頭在檢測觸碰時(shí)，觸頭會(huì)受力，使得探針產(chǎn)生一定角度的傾斜，所以實(shí)際工作時(shí)的有效半徑將不是觸頭的實(shí)際半徑，因此需要測量出探頭檢測時(shí)的有效直徑。檢測時(shí)，首先安裝標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī) 49.998mm，然后將探頭在手輪模式下移動(dòng)至環(huán)規(guī)的圓環(huán)內(nèi)部，紅寶石觸頭的位置要求是在環(huán)規(guī)上表面以下；然后在手動(dòng)模式下啟動(dòng)探測功能，先輸入環(huán)規(guī) R 值 2，按循環(huán)啟動(dòng)，探頭則能分別朝+X/-X/+Y/-Y 四個(gè)方向進(jìn)行檢測；檢測完后，選擇軟件/旋轉(zhuǎn) 180，探頭則再次朝+X/-X/+Y/-Y 四個(gè)方向進(jìn)行檢測，然后系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出有效半徑 R 值。如圖 2（c）所示，探頭初始位置是在 O 點(diǎn)，移動(dòng)過程是依次點(diǎn) o→點(diǎn)1→點(diǎn) o→點(diǎn) 2→點(diǎn) o→點(diǎn) 3→-點(diǎn) o→點(diǎn) 4-→點(diǎn) o。

由此可測量出a\b\c\d 四個(gè)直線的距離，由此可以構(gòu)建 R 探（探頭有效半徑）的計(jì)算模型，如式（1）~式（6）所示。

圖 2 標(biāo)定探頭半徑 R

3 、探測功能及應(yīng)用研究

3.1 探測功能

HEIDENHAIN ITNC530 數(shù)控系統(tǒng)中的探測功能，如表 1 所示。共 10 項(xiàng)，能實(shí)現(xiàn)多種模式的測量和標(biāo)定，大大提高零件的測量和加工效率。在移動(dòng)探頭時(shí)應(yīng)在手輪模式下，以保證安全；在輸入檢測值時(shí)，應(yīng)先選擇設(shè)為原點(diǎn)，鍵入預(yù)設(shè)表，則系統(tǒng)將該位置設(shè)為加工原點(diǎn)，同時(shí)將原點(diǎn)參數(shù)（對(duì)刀參數(shù)）存儲(chǔ)在預(yù)設(shè)表的 0 號(hào)位置；然后選擇要用的預(yù)設(shè)號(hào)/啟用預(yù)設(shè)，則能把 0 號(hào)位的預(yù)設(shè)值參數(shù)復(fù)制到相應(yīng)的預(yù)設(shè)號(hào)中。

表 1 探測功能

3.2 通用參數(shù)

為使探頭擁有更廣范的應(yīng)用，應(yīng)提前完成探測循環(huán)通用參數(shù)的設(shè)置，以保證探頭的正確、安全使用，通用參數(shù)內(nèi)容及注釋如表 2 所示。

表 2 通用參數(shù)

3.3 探測循環(huán)

- - TCH P ROBE411如圖 3（a）所示，探測循環(huán) 411（TCH PROBE411）能實(shí)現(xiàn)加工原點(diǎn)的偏置，同時(shí)也能對(duì)加工原點(diǎn)的位置進(jìn)行精確修正，也可以用于確定矩形凸臺(tái)的中心并將其定義為原點(diǎn)。如果需要的話，TNC 也可以將坐標(biāo)輸入到原點(diǎn)表或預(yù)定表中。TNC 將按照 MP6150 或MP6361 的設(shè)置值快速移動(dòng)定位，將測頭定位在編程起點(diǎn)位置 1處。TNC 將執(zhí)行循環(huán)中數(shù)據(jù)和 MP6140 的安全高度數(shù)據(jù)計(jì)算探測起點(diǎn)；然后測頭運(yùn)動(dòng)到所輸入的測量高度處并以探測進(jìn)給速率（MP6120 或 MP6360）探測第一觸點(diǎn)；然后將測頭沿近軸運(yùn)在測量高度處或下一起點(diǎn) 2 的間隔高度處并探測第二觸點(diǎn)；然后 TNC將測頭定位在起點(diǎn) 3 位置處，再定位在起點(diǎn) 4 位置處，探測第三和第四觸點(diǎn)；最后 TNC 再將測頭移回間隔高度處并處理根據(jù)循環(huán)參數(shù) Q303 和 Q305 所確定的原點(diǎn)。TCHPROBE411 循環(huán)各參數(shù)的圖解，如圖 3 所示。

探測循環(huán) 411 參數(shù)，如表 3 所示。在圖 3（a）中，若在尺寸為 110×129×50 的長方體毛坯上，執(zhí)行將加工原點(diǎn)由位置 1 轉(zhuǎn)移至位置 2。首先在手動(dòng)模式下，選擇探測功能/測量 POS/X+、Y+、Z-，分別探測毛坯的左側(cè)、前側(cè)和上表面，將工件的上表面左下方的位置 1 設(shè)置為加工原點(diǎn)，并激活；然后執(zhí)行表 3 中的“TCH PROBE411”循環(huán)和相關(guān)參數(shù)，則能實(shí)現(xiàn)將點(diǎn) 2（毛坯上表面中心）設(shè)為原點(diǎn)，并將原點(diǎn)的對(duì)刀參數(shù)存儲(chǔ)在設(shè)表中的 3 號(hào)位置處；激活預(yù)設(shè)表中的 3 號(hào)位置，則完成加工原點(diǎn)轉(zhuǎn)移設(shè)置

“TCH PROBE411”同時(shí)也可以進(jìn)行加工坐標(biāo)系原點(diǎn)的修正，進(jìn)行精確定位。首先在目測模式下將探頭移動(dòng)至矩形毛坯上表面的中心附件（盡量接近，但不要接觸）；然后將當(dāng)前位置設(shè)為加工原點(diǎn)并激活；然后基于該原點(diǎn)執(zhí)行“TCH PROBE411”循環(huán)，此時(shí)“TCH PROBE411”循環(huán)中 Q321、Q322 應(yīng)設(shè)置為 0。為避免測頭和工件發(fā)生碰撞，輸入 Q323

和 Q324 參數(shù)時(shí)，可輸入較大的估計(jì)值；循環(huán)定義前必須編程一個(gè)刀具調(diào)用功能以定義探測軸。

圖 3 探測循環(huán) 411

表 3 探測循環(huán) 411 參數(shù)

4 、小結(jié)

介紹了基于 HEIDENHAIN ITNC530 數(shù)控系統(tǒng)的 DMU60M-ONOBLOCK 五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的自動(dòng)對(duì)刀的和在線檢測功能。通過系統(tǒng)的“探測功能”能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)刀，同時(shí)通過“TCHPROBE411”循環(huán)能將實(shí)現(xiàn)加工原點(diǎn)的智能轉(zhuǎn)換和修正，從而大大提高生產(chǎn)制造效率并減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。在執(zhí)行“TCH PROBE411”循環(huán)時(shí)為避免測頭和工件發(fā)生碰撞，輸入第 1 和第 2 邊長度較大的估計(jì)值；循環(huán)定義前，必須編程一個(gè)刀具調(diào)用功能以定義探測軸。

“探測功能”輸入?yún)?shù)時(shí)，應(yīng)先選擇設(shè)為原點(diǎn)，鍵入預(yù)設(shè)表；改變預(yù)設(shè)，啟用預(yù)設(shè)則能把 0 號(hào)預(yù)設(shè)復(fù)制到其它序號(hào)的預(yù)設(shè)表中。在加工零件的加工制造過程中引進(jìn)在線檢測功能，不但省時(shí)省力，而且還提高了加工效率，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。目前高效、精密制造研究的關(guān)鍵技術(shù)之一就是在數(shù)控機(jī)床上對(duì)工件進(jìn)行在線檢測。

文自：北京電子科技職汽車工程學(xué)院首都航天機(jī)械

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