1 序言
大型零件精加工時(shí)，手動(dòng)找正和測(cè)量主要依賴(lài)操作人員的技能水平，工序中如果將工件移到坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上檢測(cè)，會(huì)影響加工精度和生產(chǎn)效率。針對(duì)大型零件精加工存在的一系列問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)機(jī)床在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)。機(jī)床在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)修正偏置值，進(jìn)行序中工件測(cè)量，提供過(guò)程反饋，減小不確定因素的影響，提高零件的定位精度和加工精度，減少生產(chǎn)輔助時(shí)間[1]。
2 組合機(jī)床在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的工作原理
組合機(jī)床在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)工作時(shí)，首先導(dǎo)入零件CAD模型，選取檢測(cè)點(diǎn)，生成檢測(cè)程序，然后進(jìn)行仿真校驗(yàn)。當(dāng)仿真校驗(yàn)無(wú)誤后，工控機(jī)則通過(guò)機(jī)床通信接口，將檢測(cè)程序傳送給數(shù)控系統(tǒng)，而伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)測(cè)頭按檢測(cè)路徑運(yùn)動(dòng)。當(dāng)測(cè)頭接觸到零件后，會(huì)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，接收裝置接收信號(hào)，再傳給轉(zhuǎn)換器，經(jīng)轉(zhuǎn)換器處理信號(hào)，傳給組合機(jī)床控制系統(tǒng)，機(jī)床停止運(yùn)動(dòng)，保存測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)[2]，然后進(jìn)行下一點(diǎn)測(cè)量，重復(fù)以上過(guò)程。等所有點(diǎn)測(cè)量完畢，測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)過(guò)通信接口，傳輸給工控機(jī)，工控機(jī)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，生成檢測(cè)報(bào)告，如圖1所示。
圖1 組合機(jī)床在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)工作原理
3 組合機(jī)床在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
組合機(jī)床在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)軟件包括測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、調(diào)姿仿真模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、接口管理模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊以及維護(hù)/診斷模塊。
（1）測(cè)量模塊 測(cè)量模塊主要是用來(lái)連接激光跟蹤儀，設(shè)定相關(guān)的測(cè)量參數(shù)，標(biāo)定并測(cè)量獲取目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。
（2）數(shù)據(jù)處理模塊 數(shù)據(jù)處理模塊是整個(gè)軟件的核心，能夠根據(jù)激光跟蹤儀的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出零件的初始姿態(tài)和目標(biāo)姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換與統(tǒng)一、余量檢查與誤差分析、位姿變換與計(jì)算等算法。
（3）調(diào)姿仿真模塊 調(diào)姿仿真模塊包括調(diào)姿過(guò)程離線(xiàn)仿真和實(shí)時(shí)仿真。離線(xiàn)仿真主要用于檢查調(diào)姿軌跡的正確性以避免干涉，同時(shí)能夠根據(jù)調(diào)姿機(jī)構(gòu)和零件的動(dòng)力學(xué)模型估算出調(diào)姿時(shí)間，從而合理安排調(diào)姿和加工工序。實(shí)時(shí)仿真即在線(xiàn)仿真需要在調(diào)姿過(guò)程中實(shí)時(shí)采集零件上的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，并計(jì)算出其實(shí)時(shí)的姿態(tài)進(jìn)行更新顯示，能夠使得調(diào)姿過(guò)程可視化，更容易受控。
?。?）數(shù)據(jù)管理模塊 數(shù)據(jù)管理模塊能夠?qū)φ{(diào)姿過(guò)程中涉及到的各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包括激光跟蹤儀的測(cè)量數(shù)據(jù)、定位器的坐標(biāo)及電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)等。
?。?）接口管理模塊 接口管理模塊用于管理與軟件相連接的其他軟硬件設(shè)備接口，主要包括與激光跟蹤儀的通信接口、與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（數(shù)控系統(tǒng)）的通信接口以及數(shù)據(jù)/文檔向工廠(chǎng)信息化部和其他工位自動(dòng)化設(shè)備的輸出接口。
?。?）系統(tǒng)設(shè)置模塊 設(shè)置調(diào)節(jié)公差配置、用戶(hù)/訪(fǎng)問(wèn)配置和其他按實(shí)際需要的配置。
?。?）維護(hù)/診斷模塊 組合機(jī)床發(fā)出警報(bào)，診斷模塊發(fā)出警報(bào)日志，進(jìn)行機(jī)械元件（電路斷路器等）的診斷。
4 組合機(jī)床在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)硬件組成
組合機(jī)床在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)用配置西門(mén)子840DSolution Line數(shù)控系統(tǒng)的臥式鏜銑床作為執(zhí)行設(shè)備，在Windows XP professional操作系統(tǒng)下，以Visual Studio 2008和OpenGL 4.1為工具，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，使機(jī)床能自動(dòng)完成以下任務(wù)：檢查調(diào)姿軌跡的正確性，從而合理安排調(diào)姿和加工工序。用在機(jī)測(cè)頭找正工件的位置，編制在機(jī)測(cè)量程序并進(jìn)行余量評(píng)估，執(zhí)行在機(jī)測(cè)量程序，測(cè)量數(shù)據(jù)分析和計(jì)算加工余量，編制加工程序，執(zhí)行加工程序，零件最終檢測(cè)，進(jìn)行加工質(zhì)量評(píng)價(jià)，滿(mǎn)足加工精度要求 則加工結(jié)束，工件下架；不能滿(mǎn)足加工精度要求時(shí)進(jìn)行誤差分析。機(jī)床在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)硬件組成如下所述。
?。?）臥式鏜銑床 臥式三坐標(biāo)鏜銑床的切削功能為銑削、鉆削和鏜削，其工作原理為主軸端部銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)（X軸）的橫向移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，完成銑削加工。通過(guò)主軸端部刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為主運(yùn)動(dòng)，主軸進(jìn)給軸（Z軸）縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)連接孔的鉆削和鏜削加工。機(jī)床各軸都采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)床的導(dǎo)軌使用直線(xiàn)導(dǎo)軌（X軸使用滾柱直線(xiàn)導(dǎo)軌）。為了提高絲杠的剛性及定位精度，滾珠絲杠副的絲杠支承使用一組角接觸球軸承，裝配時(shí)絲杠可以進(jìn)行有效的預(yù)拉伸。潤(rùn)滑裝置采用集中定時(shí)定量供油，同時(shí)附有潤(rùn)滑油收集通道。主軸傳動(dòng)、主軸軸承和減速箱等都使用循環(huán)冷卻油冷卻，用來(lái)控制主軸溫升，確保主軸能保持較高的運(yùn)行精度。
（2）數(shù)控系統(tǒng) 機(jī)床采用西門(mén)子840D Solution Line數(shù)控系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)與數(shù)控的接口是數(shù)字量的，人機(jī)界面建立在Flex0s基礎(chǔ)上，閉環(huán)控制的所有軟件和硬件都集成在一起，便于監(jiān)控、編程和操作。通過(guò)SPL安全邏輯程序來(lái)執(zhí)行安全功能，同時(shí)也通過(guò)第二編碼器（光柵尺等）或伺服電動(dòng)機(jī)編碼器作為安全編碼器，完成組合機(jī)床的伺服裝置電路連接、在機(jī)測(cè)量等狀態(tài)監(jiān)控。
（3）伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)（servomechanism）又稱(chēng)隨動(dòng)系統(tǒng)，是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）能夠準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角），來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給位置的伺服控制和主軸轉(zhuǎn)速（或位置）的伺服控制[3]的系統(tǒng)。
?。?）測(cè)量系統(tǒng) 測(cè)量系統(tǒng)由光學(xué)測(cè)頭、信號(hào)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成。Renishaw OMP60測(cè)頭采用調(diào)制光學(xué)傳輸，傳輸距離遠(yuǎn)。OMI-2光學(xué)接收器抗光干擾能力強(qiáng)，可以安裝在臥式鏜銑床加工區(qū)域內(nèi)，便于發(fā)送和接收測(cè)頭信號(hào)，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與測(cè)頭之間的通信。通過(guò)設(shè)置相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
通信連接建立之后，根據(jù)加工要求再設(shè)置測(cè)量的相關(guān)參數(shù)，如環(huán)境參數(shù)、測(cè)量方式及數(shù)據(jù)采集（見(jiàn)圖2）頻率等。
圖2 數(shù)據(jù)采集
5 仿真功能
仿真模塊能夠直接讀入設(shè)計(jì)模型，包括機(jī)床的模型、調(diào)姿機(jī)構(gòu)的模型和零件的模型，仿真碰撞檢查如圖3所示。由于模型比較大，為了提高讀取速度和改善仿真的流暢性，仿真模塊支持在不失真的前提下對(duì)源文件進(jìn)行壓縮，使得占用硬盤(pán)和內(nèi)存的所需空間大幅度減少。運(yùn)行仿真功能是基于通用機(jī)床仿真平臺(tái)VCH2020實(shí)現(xiàn)的，內(nèi)核采用C++編寫(xiě)，具有運(yùn)行速度快、占用內(nèi)存低、渲染效率高和光照效果好等優(yōu)點(diǎn)。VCH2020提供了標(biāo)準(zhǔn)的基于MFC的OpenGL顯示環(huán)境，可以作為三維引擎完成實(shí)體顯示、光照渲染及三維交互等虛擬現(xiàn)實(shí)任務(wù)[4]。
圖3 仿真碰撞檢查
6 在機(jī)測(cè)量功能
通過(guò)編制測(cè)量宏程序來(lái)完成找正和余量評(píng)估，測(cè)量宏程序采用面向特征的數(shù)控編程模式，對(duì)同一類(lèi)待測(cè)特征進(jìn)行分類(lèi)，將特征尺寸的大小、工藝參數(shù)等信息用變量來(lái)表示[5]。工件在線(xiàn)測(cè)量軌跡如圖4所示。
圖4 工件在線(xiàn)測(cè)量軌跡
程序?yàn)镚65 P9814 D60 F1000 M100 A6 S6，測(cè)量直徑為60mm的圓孔，空行程測(cè)量速度為1000mm/min，測(cè)量速度為100mm/min，接近距離為6mm，搜索距離為6mm。
在機(jī)測(cè)頭能夠安裝在設(shè)計(jì)好的刀庫(kù)中，需要執(zhí)行在機(jī)測(cè)量任務(wù)時(shí)，能夠完成自動(dòng)換刀，減少人工干預(yù)，提高效率和精度，零件在線(xiàn)測(cè)量如圖5所示。
圖5 零件在線(xiàn)測(cè)量
6 結(jié)束語(yǔ)
組合機(jī)床在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)可用于序中測(cè)量和首件檢測(cè)，可以省去昂貴的夾具，避免手動(dòng)和測(cè)量找正的不便。提高了生產(chǎn)力和批量產(chǎn)品尺寸的靈活性，降低了廢品率。
