劉　洲，張　平，李新濤，張國根

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣州 516006；2.佛山新成洪鼎機械技術(shù)有限公司，廣東 佛山 528200)

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大型深孔加工機床在線檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計

劉洲1，張平1，李新濤2，張國根2

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣州 516006；2.佛山新成洪鼎機械技術(shù)有限公司，廣東 佛山 528200)

目前大型深孔(d>500mm,h>80000mm)現(xiàn)場加工機床的主軸定位均采用手工卡尺測量或是人工打表等方法，針對這些方法不足的問題，文章開發(fā)出了一套在線式自動檢測與加工一體化裝置。該裝置運用激光位移傳感器在線掃描被加工件內(nèi)腔輪廓，采用互為基準(zhǔn)的自動定心方法，應(yīng)用雙重迭代算法快速得到虛擬軸的空間位置。調(diào)整機構(gòu)的快速響應(yīng)和檢測元件實時的反饋，使得機床主軸與虛擬軸自動調(diào)整重合并進行后續(xù)加工。在現(xiàn)場的實際應(yīng)用表明系統(tǒng)很好地滿足了便攜式鏜孔機自動定心要求，極大的降低了工人勞動強度，提高了定心精度和工作效率。

在線檢測；自動定心；迭代算法

0　引言

便攜式鏜孔機主要應(yīng)用于大型重工行業(yè)，例如：船舶加工制造業(yè)、軍事加工制造業(yè)、核電產(chǎn)業(yè)等大型難加工，且加工精度要求特別高的行業(yè)。鏜孔加工過程中鏜桿軸線的位置決定了加工后孔的位置精度，同時對加工孔的形狀精度也有直接影響[1-2]。目前國內(nèi)便攜式鏜孔機的定心方式均采用手動測量、人工估算、手動調(diào)整的定心方法，特別是針對有磨損的大型深孔修復(fù)時，使用這種調(diào)整方法不僅效率低、工人勞動強度大、定位精度差，而且工件加工后易產(chǎn)生廢品，導(dǎo)致巨大浪費[3]；對于空間位置有限深孔或盲孔，受條件限制工人無法安裝操作時，這就需要運用自動化手段實現(xiàn)鏜孔機自動定心[4-8]。因此，開發(fā)便攜式鏜孔機的在線檢測自動定心系統(tǒng)是現(xiàn)場加工行業(yè)的自動化發(fā)展的需求，對現(xiàn)場加工行業(yè)的發(fā)展有重要的推動作用。

1　在線檢測自動定心系統(tǒng)

依據(jù)現(xiàn)場加工環(huán)境，以及系統(tǒng)安裝條件為了實現(xiàn)便攜式鏜孔機的自動定心功能，設(shè)計如圖1所示的便攜式鏜孔機測控系統(tǒng)圖。

圖1　大型深孔現(xiàn)場加工機床智能控制系統(tǒng)

該機床的在線檢測系統(tǒng)采用激光位移傳感器的非接觸式測量方式，通過多次測量調(diào)整來實現(xiàn)自動定心功能。測控系統(tǒng)主要分為三大模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、運動調(diào)整模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊：在選定的測量截面內(nèi)控制刀架旋轉(zhuǎn)從而帶動激光位移傳感器圓周運動，完成對工件內(nèi)腔的圓周掃描，采集得到一組距離數(shù)據(jù)；運用無線傳輸技術(shù)將這些數(shù)據(jù)傳輸給上位機，并存儲在上位機中。通過對多個截面的圓周掃描后，得到多組原始數(shù)據(jù)點，實現(xiàn)對工件內(nèi)腔原始數(shù)據(jù)的采集。

數(shù)據(jù)處理模塊：上位機對工件內(nèi)腔原始數(shù)據(jù)進行合理的運算處理，計算出每個檢測截面的圓心位置，然后通過擬合運算擬合出工件內(nèi)腔的虛擬軸線；根據(jù)內(nèi)腔虛擬軸線與鏜桿軸線的空間位置關(guān)系，在上(下)調(diào)整面內(nèi)計算出虛擬軸線點和鏜桿軸線點的空間位置偏差量。

運動調(diào)整模塊：上位機將空間位置偏差量傳輸給運動控制器，經(jīng)過運動控制器的運算插補后，將插補信息傳輸給驅(qū)動裝置，驅(qū)動裝置驅(qū)使執(zhí)行部件運動帶動鏜桿運動，從而實現(xiàn)鏜桿的空間位置調(diào)整。

便攜式鏜孔機自動定心過程為：首先，對進行機械本體各部件進行安裝，然后進行測控系統(tǒng)的安裝,將水平傾角傳感器、激光位移傳感器、角度編碼器和壓力傳感器等檢測元件以及各執(zhí)行機構(gòu)的電氣元件同控制系統(tǒng)進行連接，形成一個閉環(huán)控制的測控系統(tǒng)。其次，標(biāo)定激光位移傳感器發(fā)光點距主軸軸心的距離為r0，獲取一個原始距離值。以水平傾角傳感器檢測方向為標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)定坐標(biāo)系方向，并建立O-XYZ測量坐標(biāo)系。最后，通過激光位移傳感器對工件原始內(nèi)腔的逐層旋轉(zhuǎn)掃描如圖2所示。

圖2　工件內(nèi)腔檢測模型

獲取工件內(nèi)腔的原始數(shù)據(jù)；將得到的每層原始數(shù)據(jù)運用最小二乘法進行圓形擬合，從而得出每個截面掃描圓的擬合圓圓心及半徑；然后每個截面處擬合的圓心再通過擬合運算，得出虛擬內(nèi)腔圓柱的軸線；在調(diào)整截面內(nèi)計算出兩軸線與截面相交點之間的位置偏移量和，通過數(shù)據(jù)和與直線度d進行判別比較確定是否需要調(diào)整，如若需要調(diào)整則通過調(diào)整機構(gòu)實現(xiàn)鏜桿自動調(diào)整。經(jīng)過多次測量、調(diào)整后達到定心精度的要求，完成自動定心，然后進行后續(xù)加工。

2　最小二乘法定心算法

根據(jù)圖2所示，工件內(nèi)腔輪廓掃描過程中將被測工件內(nèi)腔沿鏜桿軸線方向劃分為若干個截面，每個截面內(nèi)在圓周上均分為若干個采樣點，則每個采樣點的極坐標(biāo)為：

Pij(ρij,θij,zj)(i=1,2,3…m;j=1,2,3…n;0≤θij≤2π)，將極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)Pij(xij,yij,zj)且

(1)

由于工件內(nèi)腔截面輪廓為非標(biāo)準(zhǔn)圓，取測量截面中第K個截面(k≤n)為研究對象，如圖3所示。

圖3　第K個截面掃描圖

采樣點的位置不可能完全在擬合圓周上，必定會存在誤差，設(shè)誤差為δik。采用最小二乘法擬合圓曲線[9-10]，其原理如下：

(2)

令

(3)

要使δik的平方和最小，則有:

minF(u,v,w)

(4)

分別對u,v,w求偏導(dǎo)，則有:

(5)

測量n個截面可以得到n個擬合圓心，將這些擬合圓心值選用最小二乘法進行線性擬合運算[11-12]，擬合運算后能夠得到一條理想空間直線C上C下，如圖4所示。

圖4　自動定心模型

直線C上C下為鏜桿所要調(diào)整目標(biāo)的位置軸線，鏜桿上下調(diào)整面的調(diào)整量為 Δx,Δy，調(diào)整范圍量為C上C下的直線度誤差d，根據(jù)調(diào)整量使鏜桿上下支撐的中心點A和點B分別與點C上和點C下重合，完成一次鏜桿的自動調(diào)整。

3　實驗分析

運用實驗室虛擬儀器實驗平臺LabVIEW軟件，開發(fā)測控系統(tǒng)軟件[13-16]。根據(jù)工件內(nèi)腔建立實體模型，并進行鏜桿自動定心模擬實驗驗證。

工件的原始內(nèi)腔曲面模型可以自行建立，其母線可為直線，斜線，單葉雙曲線等，其截面可為圓或是橢圓。本文建立的模型為橢圓斜柱模型，其工件內(nèi)腔各截面x軸向半徑為350mm，y軸向半徑，半徑偏差范圍為，截面?zhèn)€數(shù)為，截距為，相對水平面x軸向偏角α=10°，y軸向偏角，生成工件內(nèi)腔原始數(shù)據(jù)。并通過原始數(shù)據(jù)進行多次迭代自動調(diào)整模擬，調(diào)整過程及結(jié)果如圖5、圖6所示：

圖5　未調(diào)整時原始內(nèi)腔的三維信息圖

圖6　未調(diào)整時擬合內(nèi)腔的三維信息圖

經(jīng)過三次迭代運算、調(diào)整后的圖形如圖7和圖8所示。

圖7　三次迭代調(diào)整后原始內(nèi)腔的三維信息圖

圖8　三次迭代調(diào)整后擬合內(nèi)腔的三維信息圖

以建立橢圓斜柱工件內(nèi)腔模型時的坐標(biāo)系為絕對坐標(biāo)系，檢測裝置在工件內(nèi)腔內(nèi)部，沿鏜桿方向運動，對工件內(nèi)腔進行圓周掃描測量從而獲得的的原始曲面如圖5a，對原始內(nèi)腔圓的圓心在絕對坐標(biāo)下顯示如圖5b，將原始內(nèi)腔截面圓的圓心轉(zhuǎn)化為在以鏜桿為Z軸的相對坐標(biāo)系下的坐標(biāo)如圖5c。對原始曲面進行擬合得到內(nèi)腔擬合曲面如圖6a，把圖6a中擬合曲面圓的圓心在絕對坐標(biāo)系中顯示如圖6b，將圖6b中一系列的圓心進行運算，便可得到內(nèi)腔擬合曲面的圓柱直線度如圖6c。經(jīng)過合理的處理獲得上下端的調(diào)整量，根據(jù)調(diào)整量對鏜桿進行模擬調(diào)整，一次調(diào)整完成后再次進行數(shù)據(jù)采集、模擬運算然后進行調(diào)整。經(jīng)過三次迭代運算、調(diào)整后得到圖7和圖8分別對應(yīng)于圖5和圖6。

為了實現(xiàn)從原始內(nèi)腔曲面模型的建立到自動運行調(diào)整完成的過程中，對測量數(shù)據(jù)和調(diào)整結(jié)果進行記錄和保存，最終生成檢測報告，以便于輸出和打印。自動檢測定心軟件可以自動形成表1，如下所示。

表1　自動定心實驗數(shù)據(jù)

以上實驗數(shù)據(jù)和調(diào)整的圖形中可以看出，該自動定心系統(tǒng)用于定心時，經(jīng)過第三次迭代調(diào)整后，能夠得到很好的定心效果。定心偏差結(jié)果如下：

角度偏差：

δα=10-10.0085=-0.0085°=-30.6″

δβ=-10-(-9.99591)=-0.00409°=-14.724″上端偏差為:

δx=0-0.0473487=-0.0473487mm

δy=0-(-0.0497066)=0.497066mm

下端偏差為:

δx=170.917-171.116=-0.199mm

δy=-170.917-(-170.899)=-0.081mm

從計算偏差可以看出，對于大型深孔加工過程中通過虛擬軟件控制調(diào)整，說明該自動定心系統(tǒng)能夠很好的實現(xiàn)自動定心要求，并且定心誤差能達到μm級，實現(xiàn)現(xiàn)場加工設(shè)備的高精度檢測和精確定位。

4　結(jié)論

綜上所述，本文采用互為基準(zhǔn)的方法，對便攜式鏜孔機的自動定心測控系統(tǒng)進行了設(shè)計，并通過實驗驗證，結(jié)果表明：

(1)該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測，快速進行數(shù)據(jù)處理，定心精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定，操作方便。

(2)該系統(tǒng)具有多用性，不僅能用于加工前的系統(tǒng)自動定心，還能夠用于加工后被加工工件的質(zhì)量檢測，可以實現(xiàn)定位檢測和加工質(zhì)量檢測一體化。

(3)運用自動化系統(tǒng)，大大降低了操作人員的勞動強度，提高了工作效率，提升了安全性能。同時也提高了現(xiàn)場加工機械的自動化程度，為其他機械自動化的發(fā)展提供了參考。

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(編輯李秀敏)

Research and Design of Online Measurement and Control System for Large Deep Hole Processing Machine

LIU Zhou1,ZHANG Ping1,LI Xin-tao2,ZHANG Guo-gen2

(1.School of Electro-mechanical Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 516006,China;2.Foushan Shinekey Machinery Technology Co.,Ltd，F(xiàn)oshan Guangdong 528200,China)

The large hole (d>500mm,h>80000mm) site processing machine tool spindle positioning are made by hand caliper or play table artificial methods, these methods are inadequate for the problem, we developed an online automatic detection and processing integrated devices. The device scans using laser displacement sensor line to be processed cavity contour, using a self-centering method reference each other, the application of double iterative algorithm to quickly get the spatial position of the virtual axis. Rapid response and real-time feedback detection element adjustment mechanism, so that the virtual machine spindle axis is automatically adjusted for subsequent re-merge process. Practical application in the field indicate that the system satisfy the portable boring machines automatic centering requirements, greatly reduce labor intensity and improve the centering accuracy and efficiency.

online testing;automatic centering;iterative algorithm

1001-2265(2016)09-0088-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.025

2015-10-12

劉洲(1989—)，男，湖北襄陽人，廣東工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為機械電子工程虛擬檢測與控制，(E-mail)xy_liuzhou@126.com。

TH161;TG65

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