組合機(jī)床在線測量系統(tǒng)的設(shè)計

針對大型零件加工時，手動找正和測量依賴于操作人員的技能水平、工序中將工件移到坐標(biāo)測量機(jī)上檢測的方法不可行及廢品率高等問題，開發(fā)組合機(jī)床在線測量系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)，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。1

序言大型零件精加工時，手動找正和測量主要依賴操作人員的技能水平，工序中如果將工件移到坐標(biāo)測量機(jī)上檢測，會影響加工精度和生產(chǎn)效率。針對大型零件精加工存在的一系列問題，本文設(shè)計機(jī)床在線測量系統(tǒng)。機(jī)床在線測量系統(tǒng)通過自動修正偏置值，進(jìn)行序中工件測量，提供過程反饋，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)輔助時間[1]。2

組合機(jī)床在線測量系統(tǒng)的工作原理組合機(jī)床在線測量系統(tǒng)工作時，首先導(dǎo)入零件CAD模型，選取檢測點，生成檢測程序，然后進(jìn)行仿真校驗。當(dāng)仿真校驗無誤后，工控機(jī)則通過機(jī)床通信接口，將檢測程序傳送給數(shù)控系統(tǒng)，而伺服系統(tǒng)驅(qū)動測頭按檢測路徑運動。當(dāng)測頭接觸到零件后，會發(fā)出觸發(fā)信號，接收裝置接收信號，再傳給轉(zhuǎn)換器，經(jīng)轉(zhuǎn)換器處理信號，傳給組合機(jī)床控制系統(tǒng)，機(jī)床停止運動，保存測點坐標(biāo)[2]，然后進(jìn)行下一點測量，重復(fù)以上過程。等所有點測量完畢，測點坐標(biāo)經(jīng)過通信接口，傳輸給工控機(jī)，工控機(jī)對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，生成檢測報告，如圖1所示。圖1組合機(jī)床在線測量系統(tǒng)工作原理3

組合機(jī)床在線測量系統(tǒng)軟件設(shè)計組合機(jī)床在線測量系統(tǒng)軟件包括測量模塊、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）測量模塊測量模塊主要是用來連接激光跟蹤儀，設(shè)定相關(guān)的測量參數(shù)，標(biāo)定并測量獲取目標(biāo)點坐標(biāo)。（2）數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)處理模塊是整個軟件的核心，能夠根據(jù)激光跟蹤儀的測量數(shù)據(jù)計算出零件的初始姿態(tài)和目標(biāo)姿態(tài)，實現(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)姿過程離線仿真和實時仿真。離線仿真主要用于檢查調(diào)姿軌跡的正確性以避免干涉，同時能夠根據(jù)調(diào)姿機(jī)構(gòu)和零件的動力學(xué)模型估算出調(diào)姿時間，從而合理安排調(diào)姿和加工工序。實時仿真即在線仿真需要在調(diào)姿過程中實時采集零件上的關(guān)鍵點坐標(biāo)，并計算出其實時的姿態(tài)進(jìn)行更新顯示，能夠使得調(diào)姿過程可視化，更容易受控。（4）數(shù)據(jù)管理模塊數(shù)據(jù)管理模塊能夠?qū)φ{(diào)姿過程中涉及到的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包括激光跟蹤儀的測量數(shù)據(jù)、定位器的坐標(biāo)及電動機(jī)的運行參數(shù)等。（5）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、與運動控制系統(tǒng)（數(shù)控系統(tǒng)）的通信接口以及數(shù)據(jù)/文檔向工廠信息化部和其他工位自動化設(shè)備的輸出接口。（6）系統(tǒng)設(shè)置模塊設(shè)置調(diào)節(jié)公差配置、用戶/訪問配置和其他按實際需要的配置。（7）維護(hù)/診斷模塊組合機(jī)床發(fā)出警報，診斷模塊發(fā)出警報日志，進(jìn)行機(jī)械元件（電路斷路器等）的診斷。4

組合機(jī)床在線測量系統(tǒng)硬件組成組合機(jī)床在線測量系統(tǒng)用配置西門子840DSolutionLine數(shù)控系統(tǒng)的臥式鏜銑床作為執(zhí)行設(shè)備，在WindowsXPprofessional操作系統(tǒng)下，以Visual

Studio2008和OpenGL4.1為工具，進(jìn)行二次開發(fā)，使機(jī)床能自動完成以下任務(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)測頭找正工件的位置，編制在機(jī)測量程序并進(jìn)行余量評估，執(zhí)行在機(jī)測量程序，測量數(shù)據(jù)分析和計算加工余量，編制加工程序，執(zhí)行加工程序，零件最終檢測，進(jìn)行加工質(zhì)量評價，滿足加工精度要求則加工結(jié)束，工件下架；不能滿足加工精度要求時進(jìn)行誤差分析。機(jī)床在線測量系統(tǒng)硬件組成如下所述。（1）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)運動為主運動，工作臺（X軸）的橫向移動為進(jìn)給運動，完成銑削加工。通過主軸端部刀具的旋轉(zhuǎn)運動為主運動，主軸進(jìn)給軸（Z軸）縱向進(jìn)給運動來實現(xiàn)連接孔的鉆削和鏜削加工。機(jī)床各軸都采用伺服電動機(jī)驅(qū)動，機(jī)床的導(dǎo)軌使用直線導(dǎo)軌（X軸使用滾柱直線導(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，裝配時絲杠可以進(jìn)行有效的預(yù)拉伸。潤滑裝置采用集中定時定量供油，同時附有潤滑油收集通道。主軸傳動、主軸軸承和減速箱等都使用循環(huán)冷卻油冷卻，用來控制主軸溫升，確保主軸能保持較高的運行精度。（2）數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床采用西門子840DSolution

Line數(shù)控系統(tǒng)，驅(qū)動與數(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SPL安全邏輯程序來執(zhí)行安全功能，同時也通過第二編碼器（光柵尺等）或伺服電動機(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)測量等狀態(tài)監(jiān)控。（3）伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)（servomechanism）又稱隨動系統(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），來實現(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)。（4）測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)由光學(xué)測頭、信號傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成。Renishaw

OMP60測頭采用調(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)送和接收測頭信號，實現(xiàn)工控機(jī)與測頭之間的通信。通過設(shè)置相關(guān)函數(shù)實現(xiàn)。通信連接建立之后，根據(jù)加工要求再設(shè)置測量的相關(guān)參數(shù)，如環(huán)境參數(shù)、測量方式及數(shù)據(jù)采集（見圖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源文件進(jìn)行壓縮，使得占用硬盤和內(nèi)存的所需空間大幅度減少。運行仿真功能是基于通用機(jī)床仿真平臺VCH2020實現(xiàn)的，內(nèi)核采用C++編寫，具有運行速度快、占用內(nèi)存低、渲染效率高和光照效果好等優(yōu)點。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體顯示、光照渲染及三維交互等虛擬現(xiàn)實任務(wù)[4]。圖3仿真碰撞檢查6

在機(jī)測量功能通過編制測量宏程序來完成找正和余量評估，測量宏程序采用面向特征的數(shù)控編程模式，對同一類待測特征進(jìn)行分類，將特征尺寸的大小、工藝參數(shù)等信息用變量來表示[5]。工件在線測量軌跡如圖4所示。

圖4工件在線測量軌跡程序為G65P9814D60F1000M100A6S6，測量直徑為60mm的圓孔，空行程測量速度為1000mm/min，測量速度為100mm/min，接近距離為6mm，搜索距離為6mm。在機(jī)測頭能夠