陳 芳

(深圳職業(yè)技術學院 機電學院，廣州 深圳 518055)

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結合3D測頭和宏程序實現機床定位精度自動測量*

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)數控機床定位精度測量過程中，手工測量手段工作量大，效率低和自動測量手段成本高的缺點，提出了一種基于3D測頭和宏程序相結合的機床定位精度自動測量的方案。該方案利用3D測頭和數控系統(tǒng)高速跳轉功能實現自動采集精度測量時的機床實際位移值，使用宏程序將實際位移值與雙向步距規(guī)的理論標稱值進行數據比較和運算，計算出相應的位置誤差補償值，利用G10數據輸入功能指令實現機床位置誤差的自動補償。使用激光干涉儀對使用該系統(tǒng)進行檢測與補償前后的機床精度進行了對比分析，實驗數據證明該自動檢測系統(tǒng)能在不增加昂貴設備的同時，有效地提高機床定位精度。

宏程序；螺距誤差；數控；機床定位精度

0 引言

機床精度分為機床幾何精度，定位精度和加工精度[1]。其中機床定位精度是指機床各坐標軸在數控裝置控制下運動所能達到的位置精度。定位精度決定于數控系統(tǒng)和機械傳動誤差。

通常機床定位精度的測量可用步距規(guī)手動測量和激光干涉儀進行自動測量。其中手動測量方式的優(yōu)點是經濟，只需要低成本設備步距規(guī)和普通常用千分表，操作步驟簡單，不需要復雜的調試；但缺點是測量時需要肉眼識別指針讀數，手動記錄指針讀數，人工進行復雜的數據處理和參數的設置，而且不能實現定位誤差的自動補償。使用激光干涉儀器進行自動測量的優(yōu)點是：從位置誤差測量，測量數據分析到誤差補償整個過程實現自動化，操作簡單方便[2]；但該方法需要購置的專用設備過于昂貴，不是一般企業(yè)能承受，通常用于專門測量機構和大型軍工企業(yè)，而且激光干涉儀對光調試步驟比較繁瑣。

FANUC數控系統(tǒng)一般都具有G31跳躍功能，結合高精度3D測頭，可以實現機床位置的自動檢測。而FANUC數控系統(tǒng)的宏程序又具有強大的數據運算功能和可編程數據輸入功能。因此本文旨在結合3D測頭，充分利用數控系統(tǒng)宏程序的功能，研究數控機床定位精度的自動檢測和補償，實現在不增加昂貴設備的同時，提高機床定位精度檢測和補償的效率。

1 定位精度自動測量系統(tǒng)組成原理

1.1 測量系統(tǒng)搭建

整個機床定位精度自動檢測與補償系統(tǒng)包含兩個部分：①數控加工系統(tǒng)；②測量系統(tǒng)。其整個系統(tǒng)組成框架如圖1所示。數控加工系統(tǒng)包括CNC數控系統(tǒng)，機床伺服系統(tǒng)，機床工作臺和機床主軸部分。測量系統(tǒng)包括高精度步距規(guī)，測頭，信號接收器以及精度自動檢測與補償宏程序。

圖1 機床定位精度自動測量系統(tǒng)組成

3D測頭在與步距規(guī)的接觸式檢測過程中，機床主軸帶動測頭按照檢測宏程序規(guī)劃的路線移動，當探針與步距規(guī)碰觸后，信號接收器將檢測到的觸碰信號輸入給CNC數控系統(tǒng)，使檢測宏程序中的跳躍功能指令作用，機床停止運動，并且在觸碰點機床的機械坐標值被保存到相應的系統(tǒng)變量中。檢測宏程序再從相應的系統(tǒng)變量中采集碰觸點的機械坐標值并存儲，接著繼續(xù)執(zhí)行之后的檢測宏程序代碼指令，按照相同原理完成下一個步距規(guī)接觸點的數據采集與存儲。檢測宏程序將采集到的機床實際位移和步距規(guī)理論標稱位移相比較，依據相關標準進行運算處理后得到相應的位置誤差和補償數據。根據需要，宏程序再利用系統(tǒng)的可編程數據輸入功能將補償數據輸入到系統(tǒng)中，實現定位精度的調整。

1.2 3D測頭

3D測頭的精度直接關系到測量系統(tǒng)的測量精度。本實驗選用TP系列觸發(fā)式測頭。觸發(fā)式測頭當測針與零件產生接觸而發(fā)生角度變化時，發(fā)出一個開關信號。這個信號傳送給控制系統(tǒng)之后，控制系統(tǒng)對此刻的光柵計算器中的數據鎖存，經處理后傳送給測量軟件，表示測量了一個點。觸發(fā)式測頭結構簡單壽命長、具有較好的測量重復性(0.35～0.28 μm)，成本低廉，測量迅速，因而應用廣泛。

1.3 高速跳轉信號連接

數控系統(tǒng)跳轉功能分為普通跳轉接口與高速跳轉接口兩種。高速跳轉信號輸入則能保證誤差在0.004ms以下，可以實現高精度的測量，因此這里采用高速跳轉接口。高速跳轉信號編程指令為G31，其硬件連接信號HDI0是直接連接到CNC，不需要PMC。

數控機床用的三維測頭安裝在機床主軸上并隨主軸移動時，只要測針上的測球與步距規(guī)檢測面接觸，使測針產生微小的擺動或移動，將立即導致測頭發(fā)出聲、光等指示信號，并輸出相關開關量信號。其中三維測頭輸出的開關量信號與數控系統(tǒng)高速跳轉信號的連接如圖2所示。

圖2 高速跳轉信號連接

圖2中JA40整個接口為FANUC系統(tǒng)單元上的模擬主軸接口及高速跳過信號接口。將測頭開關量的常開觸點接到JA40接口上的HD10和0V端，系統(tǒng)就能直接接收到外部高速跳轉信號，觸發(fā)相應G31功能指令的運行。

1.4 高精度步距規(guī)

步距規(guī)是一種長度實物標準器，同一測量線上提供了一系列的同向與異向標準尺寸，使用步距規(guī)測量機床定位精度，方便快捷，準確可靠。

由于測頭測量要垂直接近接觸面，因此需要使用同時既能測量同向工作面又能測量異向工作面的高精度步距規(guī)。

2 定位精度測量與補償原理

2.1 定位精度補償原理

2.2 定位精度檢測與計算原理

根據雙向步距規(guī)的結構，設計定位精度檢測循環(huán)路線如圖3所示。

圖3 定位精度測量循環(huán)圖

單向位置偏差：

某一位置的單向平均位置偏差：

3 測量系統(tǒng)宏程序設計

3.1 宏程序總體結構

宏程序的編制包括主程序調用宏程序的G65指令語句和被調用的測量宏程序O9000。

其中調用指令的格式為：G65 P9000 A B C ;

變量A為步距規(guī)量塊寬度，變量B為量塊間距，變量C為測球直徑。

被調用的測量宏程序O9000主要實現在測頭循環(huán)移動過程中有序采集測量數據，測量循環(huán)結束后再根據相關標準進行數據處理，最后根據需要自動進行相關誤差補償等一體化功能。

測量宏程序的總體流程圖如圖4所示。

圖4 測量宏程序流程圖

其中模態(tài)及位置信息的保存與恢復與其他普通宏程序沒什么區(qū)別。

3.2 測頭循環(huán)移動宏程序

測頭的整個移動循環(huán)如圖3所示進行多次正反方向趨近各目標點。

對于每個目標點由于測頭要徑向垂直接近檢測面，同時為了防止測頭小球過沖的影響使得存儲的數據不是十分精確，宏程序采用檢測表面兩次的方法[3]。第一次以高速接觸，當激發(fā)了脈沖后，退后一小段距離2～3mm，然后再次以低速觸碰表面。以測量X軸定位精度為例，其中一個位置點的測頭運行路線如圖5的①～⑦。

圖5 目標點趨近路線

其中①探頭Z方向下移；②探頭接近檢測點；③退后約2mm；④以很小的速度精確接近檢測點，采集跳躍信號發(fā)生時的Z坐標，并且做必要的簡單運算處理；⑤退后約5mm；⑥探頭Z方向上移；⑦X方向前進一個步距，準備開始下一個點的探測循環(huán)。

3.3 數據采集和數據處理宏程序

數據采集的任務主要是采集探測頭正向或負向趨近各目標位置時發(fā)生跳躍信號時的實際機械坐標值。

數據處理包括：①在發(fā)生有效跳轉信號時采集到的實際機械坐標值實時轉化為當前的位置偏差，并累計該方向當前點的多次測量偏差之和；②測量循環(huán)結束后再根據前述公式計算出各個目標點的正向平均位置偏差、反向平均位置偏差和平均反向間隙值；③若需要進行誤差補償則再將檢測的誤差值反向轉換為單向螺距誤差補償值和反向間隙補償值。

設計FANUC宏程序變量定義[4]見表1。

表1 宏程序變量定義

按規(guī)定路線進行一個循環(huán)的測量與數據處理的流程圖如圖6所示。

圖6 數據處理流程圖

3.4 誤差補償宏程序

數據處理完成后，若變量#8(是否進行誤差補償)為1，則宏程序可以利用FANUC數控系統(tǒng)的G10可編程數據輸入指令[5]自動將計算出的反向間隙補償值和螺距誤差補償值補償到數控系統(tǒng)中去。其中向FANUC控制系統(tǒng)寫入軸型參數的G10可編程數據輸入指令格式如表2所示。

表2 G10指令格式

4.系統(tǒng)測試效果分析

4.1 系統(tǒng)運行

將編制的宏程序應用在配有FANUC 0i-MD數控系統(tǒng)的立式數控銑床上。測量對象為X軸的位置誤差，X軸的行程為600cm。

選用高精度步距規(guī)的步距為30cm，量塊尺寸10cm，間距為20cm。測球直徑φ3mm。

測試步驟：①清除數控系統(tǒng)中的反向間隙和螺補數據，設置好機床螺距誤差補償相關參數[6]。②在數控系統(tǒng)中輸入編制好的檢測宏程序O9000。③在MDI或者自動模式下運行指令G65P9000A10.0B20.0C3.0。

4.2 測試效果

為了檢驗使用宏程序實現定位精度自動檢測與補償的效果，采用高精度檢驗儀器Renashaw ML10激光干涉儀作為第三方測試手段[7]，分別對該機床在使用該系統(tǒng)進行測量和補償前后的機床精度進行了測試和對比[2，9]。

使用激光干涉儀自帶軟件，生成使用GB/T 17421.2-2000三合曲線標準[8]進行數據分析得到機床位置誤差對比圖如圖7所示。

圖7 誤差補償前后機床精度對比

由圖7a和圖7b圖對比可知，在清除各種精度補償參數之后，該機床在進行自動測量與反向間隙補償之前，該機床的系統(tǒng)偏差E為49.8μm，反向間隙為B為26.1μm。在使用本文設計的系統(tǒng)進行誤差自動測量與補償后，機床的系統(tǒng)偏差E減小到4.3μm，反向差值B減小為2μm，可見該機床X軸的位置誤差已經成功地被補償，其定位精度有了明顯提高。

5 結束語

本文給出的測量系統(tǒng)方案實現方法簡單，操作方便，為數控機床定位精度自動測量與補償提供了一種新的思路。實驗證明該系統(tǒng)在不需要增加新的昂貴設備的情況下能有效提高機床的定位精度，能明顯提高機床精度測量的效率，節(jié)省大量的人工，避免不必要的人為誤差。由于目前大部分數控系統(tǒng)都具有高速跳轉功能，因此本方案通用性強，其程序設計思路對其他數控系統(tǒng)也具有一定的借鑒意義。由于本系統(tǒng)的測量精度還受到3D測頭和步距規(guī)硬件本身制造精度的影響，具有一定的局限性，因此該自動測量系統(tǒng)比較適合于中、低檔數控機床大批量定位精度的調試。

[1] 李繼中. 改善數控機床精度的方法探索與分析[J]. 工具技術，2012(1):48-52.

[2]陳芳. 數控機床螺距誤差測量與補償[J]. 機床與液壓，2009(9):37-38.

[3] S K Sinha. FANUC數控宏程序編程技術[M]. 北京:科學出版社，2011.

[4] 劉利劍，楊光，岳彥芳,等. 在線測量系統(tǒng)中測量宏程序的開發(fā)[J]. 組合機床及自動化加工技術，2005(5):75-77.

[5]王寶平. 淺談FANUC 0iD系統(tǒng)參數的特殊更改方法[J]. 制造技術與機床，2014(1):169-172.

[6] 李繼中. 數控機床螺距誤差補償與分析[J]. 組合機床及自動化加工技術, 2010(2):98-101.

[7] 陳芳. 基于步距規(guī)的機床精度自動檢測控制系統(tǒng)設計[J]. 組合機床及自動化加工技術，2014(6):76-79.

[8] 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.

[9] 孫興偉，張春堂，張興偉. 數控機床定位精度檢測及補償方法的研究[J]. 機床與液壓，2014(12):93-96.

(編輯 李秀敏)

Automatic Measurement of Machine Tool Positioning Accuracy Based on 3D Probe and Macro Program

CHEN Fang

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

Aimed at the disadvantages of big workload, low efficiency in manual means and high cost in automatic means during CNC machine tool position accuracy measurement, a new scheme is proposed in this paper. The real machine position is gathered based on 3D probe and micro program. Comparing the real machine position with the theoretical nominal position of two-way step gauge, the position compensation value can be calculated by micro program. Using G10 data input instructions, the position error can be compensated automatically. The experiment proves that the system can improve the position accuracy of machine tool effectively without expensive equipment.

micro program；pitch error；NC；CNC positioning accuracy

1001-2265(2016)09-0000-00

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.000

2015-11-24；

2015-12-22

數控機床伺服優(yōu)化與機械精度調整的研究及應用 (KJ02S0210900000155)

陳芳(1977-)，女，湖南桃源縣人，深圳職業(yè)技術學院副教授，碩士，研究方向為數控機床應用，(E-mail)chenfangsz@szpt.edu.cn。

TH166;TG659

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