陳 芳

(深圳職業(yè)技術學院 機電學院，廣州 深圳 518055)

基于步距規(guī)的機床精度自動檢測控制系統(tǒng)設計*

陳 芳

(深圳職業(yè)技術學院 機電學院，廣州 深圳 518055)

針對傳統(tǒng)使用步距規(guī)手工對數(shù)控機床進行位置精度檢測與調整引起的工作量大、效率低、精度低等缺點，提出了一種利用數(shù)顯千分表的數(shù)據(jù)輸出功能，集機床精度檢測數(shù)據(jù)采集和機床數(shù)據(jù)傳輸功能為一體的數(shù)控機床位置精度自動檢測控制系統(tǒng)。討論了該控制系統(tǒng)的原理框圖，分析了系統(tǒng)各部件的作用。開發(fā)了上位機的軟件系統(tǒng)，闡述了軟件系統(tǒng)結構圖和實現(xiàn)原理。給出了系統(tǒng)測試時的參數(shù)設置和運行效果。

步距規(guī)；數(shù)顯千分表；數(shù)控；機床精度檢測

0.引言

數(shù)控機床是制造業(yè)的加工母機，而數(shù)控機床的精度是衡量先進制造業(yè)制造能力和發(fā)展水平的一個重要標志，因此對數(shù)控機床精度檢測與調整的研究得到了極大的重視[1]。

數(shù)控機床的精度主要包括幾何精度、位置精度和切削精度。其中位置精度是衡量數(shù)控機床性能的一項重要指標。目前檢測數(shù)控機床位置精度的工具有激光干涉儀、金屬線紋尺和步距規(guī)。其中由于步距規(guī)的高精度和低成本的優(yōu)勢，使得它在數(shù)控機床制造業(yè)和數(shù)控機床使用單位都有著廣泛的應用[2]。

目前使用步距規(guī)進行數(shù)控機床精度檢測基本上是采用千分表進行分段測量，測量數(shù)據(jù)通過多次人眼讀數(shù)之后，手動記錄檢測數(shù)據(jù)，再進行大量的手工計算，計算出如文獻[3]中國家標準有關機床定位精度和重復定位精度的相關指標。如果機床具有螺距誤差和反向間隙補償功能的，再將誤差補償?shù)臄?shù)據(jù)手工輸入到數(shù)控系統(tǒng)中去。整個精度檢測和補償?shù)倪^程中人工干預多，工作量大，效率低；而且期間容易造成人眼讀數(shù)誤差、手工記錄誤差和人工計算誤差等主觀因素引起的誤差，造成測量精度低下等問題[4]。

為此本文章旨在設計一種利用數(shù)顯千分表，使用步距規(guī)進行數(shù)控機床位置精度自動檢測與調整的控制系統(tǒng)，來解決傳統(tǒng)的步距規(guī)精度檢測的效率低和精度差的問題。

1 系統(tǒng)總體方案設計

1.1 系統(tǒng)原理框圖

本控制系統(tǒng)由上位計算機、RS232串口擴展器、數(shù)控機床、步距規(guī)、數(shù)顯千分表以及其配套的數(shù)顯量具串口適配器組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體原理框圖

由于大多數(shù)的計算機系統(tǒng)都帶有標準的RS-232C串行接口，同時一般的數(shù)控機床也提供RS-232C的串行通信接口與其他設備進行短距離通信，而且數(shù)顯千分表也可以通過配套的串口適配器進行數(shù)據(jù)輸出。因此本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用串口傳輸?shù)姆桨浮?/p>

上位計算機需要將自動生成的精度檢測程序和誤差補償數(shù)據(jù)通過RS232串口傳輸給數(shù)控機床，同時又要通過串口接受來自于數(shù)顯量具串口適配器傳輸出來的測量數(shù)據(jù)，因此需要兩個串口，但是由于現(xiàn)在個人計算機通常只配有一個物理串口，因此需要使用RS232串口擴展器。RS232串口擴展器可將個人計算機的一個物理串口擴展為多個準串口，供數(shù)控機床和數(shù)顯量具串口適配器分時享用。

數(shù)控機床的標準RS232通信接口通過串口擴展器擴展出來的第一個準串口與上位計算機進行通信。將步距規(guī)置于機床工作臺上，數(shù)顯千分表通過磁力表座安裝在數(shù)控車床的刀架上或者數(shù)控銑床的主軸上[5]，數(shù)顯千分表測量的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)輸出接口輸出到配套的數(shù)顯量具串口適配器。數(shù)顯量具串口適配器一端接容柵數(shù)顯量具的數(shù)據(jù)輸出插口，將測量數(shù)據(jù)轉換為標準RS232串口輸出數(shù)據(jù)，另一端接串口擴展器的第2個準串口相連。

上位計算機主要完成對數(shù)顯千分表的數(shù)據(jù)采集，對采集數(shù)據(jù)的處理以及與數(shù)控機床的數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

1.2 RS232串口擴展器

RS232串口擴展器是采用武漢波仕電子有限公司提供的4232A型RS232一變四擴展器。RS232一變四擴展器用于將PC機的一個RS232串行口分時擴展成四個準RS232串行口。本系統(tǒng)只使用了第一個和第二個準串行口，另外兩個可作為系統(tǒng)功能擴展再用。準RS232串行口只有TXD(發(fā)送)、RXD(接收)、GND(信號地)三個信號。4232A無需外接電源?？梢酝ㄟ^軟件指令設置來分時選通四個下位機RS232口。

1.3 數(shù)顯量具及專用適配器

系統(tǒng)采用桂林廣陸數(shù)字測控股份有限公司生產的數(shù)顯千分表和配套的Win-1型接口數(shù)據(jù)采集適配器。

其數(shù)據(jù)采集適配器的結構示意圖如圖2所示：

圖2 數(shù)顯量具適配器示意圖

適配器的四芯插頭接容柵數(shù)顯千分表的數(shù)據(jù)輸出接口，RS232九芯插頭接串口擴展器的2號準串口。

觸發(fā)適配器上的采集按鍵，則輸出采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集適配器數(shù)據(jù)輸出協(xié)議為：4800波特率，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗。數(shù)據(jù)以ASCII碼(即文本格式)發(fā)送，每個測量數(shù)據(jù)結束后以回車符結束。

1.4 數(shù)控系統(tǒng)RS232標準通信接口

現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)通常都具有標準的RS232通信接口，可以與普通外設進行串行通信。以FANUC 0i系列數(shù)控系統(tǒng)為例，其CNC側串口按照標準25芯插座接線[6]，因此還需要制作一根DB25到串口擴展器的第2個準DB9串行接口的轉接線纜，其針腳連接關系如圖3所示。

圖3 PC與CNC串口連接關系

當數(shù)控系統(tǒng)與外設通信，而外設沒有使用ER和DR時，必須把FANUC數(shù)控系統(tǒng)RS232通信接口上的RS和CS信號短接，ERDR和CD信號短接,具體可參考FANUC 0i硬件連接手冊技術資料[6]。

2 上位機軟件設計

2.1 軟件功能設計

本文選用VB為上位機軟件開發(fā)環(huán)境。上位機的串口通訊使用Microsoft公司提供的串口通信編程ActiveX控件MSComm控件[7]，使得編程簡單方便。

結合使用步距規(guī)檢測和調整數(shù)控機床位置精度的步驟，該軟件系統(tǒng)的主要功能由以下幾部分組成：精度檢測程序自動生成模塊，文件編輯模塊和與數(shù)控機床數(shù)據(jù)傳輸模塊，千分表數(shù)據(jù)采樣與數(shù)據(jù)分析處理模塊。其軟件功能結構圖如圖4所示。

圖4 上位機軟件功能結構

2.2 精度檢測程序自動生成模塊

根據(jù)參考文獻[3]，機床精度檢驗程序應使運動部件沿著軸線運動到一系列的目標位置，并在各目標位置停留足夠的時間，以便測量和記錄實際位置。機床應按程序以同一的進給速度在目標位置間移動。在行程至2000mm的線型軸線，每米至少選擇5個目標位置。如圖5確定了步距規(guī)，則目標位置Pi確定。同時應按圖6標準檢驗循環(huán)圖在所有目標位置上進行雙向測量。

圖5 步距規(guī)結構圖

圖6 標準檢驗循環(huán)圖

精度檢測程序自動生成模塊的功能是：首先在軟件界面上選擇數(shù)控系統(tǒng)和機床測量軸線，分別輸入步距規(guī)P1～Pi點的尺寸，輸入循環(huán)測量次數(shù)，進給速度，暫停時間等參數(shù)后可以自動生成符合相關精度檢驗標準的機床精度檢驗程序。

2.3 文件編輯和PC與數(shù)控機床數(shù)據(jù)傳輸模塊

文件編輯模塊可以對自動生成的精度檢驗程序或者已編好的程序進行查看、局部修改和存儲等操作。

PC與數(shù)控機床數(shù)據(jù)傳輸模塊有兩個作用：第一是將上位機上編輯好的精度檢驗程序傳輸?shù)綌?shù)控機床中去。第二是將千分表數(shù)據(jù)采樣和處理后得到的螺距誤差補償數(shù)據(jù)和反向間隙補償數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)控機床中。

與數(shù)控機床數(shù)據(jù)傳輸模塊包括串口參數(shù)設置和數(shù)據(jù)發(fā)送。串口參數(shù)設置首先要通過MSComm控件使用RTS.Enable=False；DTR.Enable=False語句選中與串口擴展器的第1個準RS232口通訊。然后再設定與數(shù)控機床串口通信協(xié)議一致的參數(shù)。FANUC數(shù)控系統(tǒng)的異步串行通信數(shù)據(jù)格式為：傳輸數(shù)據(jù)格式ASCII碼，波特率9600，7位數(shù)據(jù)位，2位停止位，1位奇偶校驗位，為偶校驗，其對應代碼為：InputMode=0； Settings=“9600,E,7,2”。

2.4 千分表數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理模塊

千分表數(shù)據(jù)采集主要實現(xiàn)將數(shù)顯千分表數(shù)據(jù)輸出適配器輸出的串口數(shù)據(jù)采集到上位機的CListBox控件中。串口參數(shù)設置首先要通過MSComm控件使用RTS.Enable=False；DTR.Enable=True語句選中與串口擴展器的第2個準RS232口通訊。依據(jù)數(shù)據(jù)采集適配器數(shù)據(jù)輸出協(xié)議為串口參數(shù)設置語句為：InputMode=0；Settings=“4800,N,8,1”。

再根據(jù)測量出的軸線各目標位置Pi的平均位置偏差和軸線的平均反向差值計算出螺距誤差補償值和反向間隙補償值，然后再生成相應格式的螺補文件，供數(shù)控機床數(shù)據(jù)傳輸模塊調用。

3 系統(tǒng)測試與運行

3.1 數(shù)控系統(tǒng)通信參數(shù)設置

在系統(tǒng)測試之前，需要先設置數(shù)控系統(tǒng)串口通信參數(shù)，F(xiàn)ANUC 0i系統(tǒng)相關通信參數(shù)如下所示[8]：

PRM No.20=0(使用數(shù)控系統(tǒng)主板上JD36A接口上的RS232C串行口1，并且I/O通道為1)

No.121=00000001(停止位為2)

No.122=0(設備為RS232C接口)

No.123=11(波特率為9600bps)

3.2 軟件界面

啟動軟件，運行自動生成的精度檢測程序，啟動軟件界面上“采集開始”按鈕，其數(shù)據(jù)采集界面如圖7所示：

圖7 數(shù)據(jù)采集畫面

3.3 測試方法與測試效果

下面將使用該自動控制系統(tǒng)和使用傳統(tǒng)手動測量兩種手段利用步距規(guī)對數(shù)控機床進行精度檢測和調整的測試效率和調整效果進行對比分析。

(1)自動化與手工精度檢測效率分析

測試方法：在同一臺數(shù)控機床上對同一個中等熟練的數(shù)控機床操作人員使用傳統(tǒng)手工手段和使用自動控制檢測系統(tǒng)手段進行精度測試與調整，分別記錄所使用的時間，通過比較測試過程所耗時間長短來分析測試效率的高低。

測試設備：FANUC 0i數(shù)控銑床，測試對象為Y軸的位置精度，Y軸的行程為400mm。

為了公平和計時方便，先做好準備工作再開始計時。準備工作包括：步距規(guī)安裝好，機床對好刀，設定好工件坐標系，機床螺距和反向間隙補償數(shù)據(jù)清空等。

兩種手段進行精度檢測與調整內容及耗時對比如表1所示。

表1 自動化與手工精度檢測效率分析

由上表測試數(shù)據(jù)可知，傳統(tǒng)手工進行數(shù)控機床精度檢驗與調整需要時間大概為25.5min，而使用自動控制系統(tǒng)進行數(shù)控機床精度檢驗與調整需要時間大概為3.8min，測試的效率明顯提高。

經分析，效率提高環(huán)節(jié)主要在于對原始測量數(shù)據(jù)的處理，系統(tǒng)自動計算可以節(jié)省幾乎一半的操作時間。效率提高環(huán)節(jié)其次在于數(shù)據(jù)的輸入，系統(tǒng)自動傳輸數(shù)據(jù)可大大減少手動數(shù)據(jù)輸入的時間。

(2)自動化與手工檢測與調整精度分析

測試方法：在同一臺機床上分別使用傳統(tǒng)手工手段和使用自動控制檢測系統(tǒng)手段利用步距規(guī)進行精度檢測和調整，比較使用兩種手段調整后的機床精度。

測試手段：為了增加機床精度測試的可比性，選用Renishaw ML10激光干涉儀作為第三方測試手段分別檢測兩種手段調整后的機床精度。

測試對象：FANUC 0i數(shù)控銑床，Y軸的位置精度，Y軸行程為400mm，測量位置0～-360mm，間距40mm，共10個點。

使用激光干涉儀分別對兩種手段調整后的機床精度進行測試，使用GB/T 17421.2-2000三合曲線標準[3]進行數(shù)據(jù)分析，得到其數(shù)據(jù)分別如圖8和圖9所示。

圖8 傳統(tǒng)手動精度檢測與調整后機床精度數(shù)據(jù)分析

圖9 自動控制系統(tǒng)精度檢測與調整后機床精度數(shù)據(jù)分析

由圖8和圖9可知，傳統(tǒng)手段精度調整后機床的定位精度A為8.907，自動控制系統(tǒng)手段調整后其定位精度提高到A為4.523；單向重復定位精度也由原來的4.321和3.471分別提高到了2.109和1.820。由此可見，用自動控制系統(tǒng)進行精度調整后的機床精度對比傳統(tǒng)手段有了明顯的提高。

4 結束語

上述介紹的利用數(shù)顯千分表的串口數(shù)據(jù)輸出功能，使用步距規(guī)進行數(shù)控機床位置精度檢測的自動控制系統(tǒng)在本單位已經試驗成功。該自動控制系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)的利用步距規(guī)進行手動檢測機床精度所存在的效率低和精度差的問題，具有成本小，自動化程度高的優(yōu)點，比較適合目前國內經濟性數(shù)控機床占多數(shù)的現(xiàn)狀。在此系統(tǒng)基礎上還可以添加其他模塊，用于其他類型的機床精度的檢測與調整。

[1] 李小彭，劉春時，馬曉波,等. 數(shù)控機床加工精度提高技術的進展及其存在的問題[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2010(11):1-4.

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[3] 全國金屬切削機床標準化技術委員會. 國家標準 GB/T17412.2-2000 機床檢驗通則 第2部分:數(shù)控軸線的定位精度和重復定位精度的確定[S]. 北京:中國標準出版社, 2000.

[4] 朱慶保. 一種全自動千分表百分表檢定系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代計量通訊, 2006(2):28-30.

[5] 伍茂盛. 使用步距規(guī)檢驗數(shù)控機床定位精度的方法[J]. 模具工業(yè), 2012(2):28

[6] 北京FANUC機電有限公司. BEIJING-FANUC 0i-MODEL C 連接說明書(硬件)[M].

[7] 黃曉華,王偉,曹娟,等.VB6.0環(huán)境下數(shù)控機床串口通訊軟件的設計[J]. 機械制造與自動化, 2010(10):87-90.

[8] 北京FANUC機電有限公司. BEIJING-FANUC 0i-MODEL C參數(shù)說明書[M].

(編輯 趙蓉)

Design of the CNC Precision Automatic Measurement Control System Based on Step Gauge

CHEN Fang

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Shenzhen Polytechnic,Shenzhen Guangzhou 518055,China)

Aimed at the disadvantage of big workload, low efficiency and low accuracy in traditional manual CNC precision measurement with step gauge, a CNC precision automatic measurement control system using digital dial gauge is put forward, which can acquire the measurement data and transmit the CNC data. The system hardware principle diagram is discussed, and the effect of each component is analyzed. The PC software system is developed and its structure and implement method is elaborated. The parameter setting is given and system testing software interface is shown.

step gauge；digital dial gauge；NC；CNC precision measurement

1001-2265(2014)06-0076-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.021

2013-10-08；

2013-11-19

深圳市南山區(qū)科技計劃項目：數(shù)控機床伺服優(yōu)化與機械精度調整的研究及應用 (KJ02S0210900000155)

陳芳(1977—)，女，湖南桃源人，深圳職業(yè)技術學院副教授，碩士，主要從事數(shù)控機床應用研究等,(E-mail)chenfangsz@szpt.edu.cn。

TH166;TG659

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