□ 姜成偉

沈陽機床股份有限公司 沈陽 110142

1 研究背景

目前,數(shù)控機床上已廣泛應(yīng)用觸發(fā)式測頭系統(tǒng)對工件進行在機測量,實現(xiàn)工件加工前、加工中及加工后的高精度自動測量和加工數(shù)據(jù)的及時修正,顯著提高了工件的加工效率和加工精度。

觸發(fā)式測頭是在機測量系統(tǒng)中的核心元件,觸發(fā)式測頭自身的測量精度至關(guān)重要。通過對觸發(fā)式測頭測量精度進行誤差分析,筆者提出一種簡單而有效的測量精度補償方法，用于減小測量誤差,進而提高在機測量系統(tǒng)的測量精度。

2 觸發(fā)式測頭工作原理

大部分觸發(fā)式測頭的機械結(jié)構(gòu)可以簡化為探針、觸點副、結(jié)構(gòu)件、預(yù)緊彈簧共四部分。在測頭內(nèi)部每120°設(shè)置一對觸點副,共三對觸點副,這三對觸點副之間為串聯(lián)關(guān)系[1-4]。預(yù)緊彈簧的作用是使探針在與工件接觸后回到初始狀態(tài)。觸發(fā)式測頭的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

觸發(fā)式測頭在測量時,探針與工件測量點接觸，并引起觸發(fā)力。當觸發(fā)力克服彈簧預(yù)緊力后,探針出現(xiàn)微量偏移。此時,三對觸點副中至少有一對觸點副脫開,使原本構(gòu)成的串聯(lián)電路出現(xiàn)斷路,進而產(chǎn)生觸發(fā)信號。機床數(shù)控系統(tǒng)接收到觸發(fā)信號后,進給軸停止運動,系統(tǒng)鎖存進給軸坐標數(shù)據(jù),結(jié)束測量點數(shù)據(jù)的采集進程。

▲圖1 觸發(fā)式測頭機械結(jié)構(gòu)

3 誤差分析

由觸發(fā)式測頭的工作原理可知,探針與工件測量點接觸后,探針會產(chǎn)生微小的擺動,測頭立即產(chǎn)生脈沖信號。由于測頭擺動滯后、信號延遲,以及彈簧預(yù)緊力、觸發(fā)方向、數(shù)據(jù)傳輸與處理等因素的影響,測頭的測量數(shù)據(jù)必然會存在誤差。在對應(yīng)時間段內(nèi)機床進給軸的移動距離稱為測頭的預(yù)行程誤差[6-7]。

觸發(fā)式測頭內(nèi)部同一水平面上均布的三對觸點副,其中任意一對斷開，即會產(chǎn)生測頭的信號觸發(fā)?；跍y頭所具有的三角特性結(jié)構(gòu)特點,在實際測量過程中,測頭從任意方向趨近工件時,均存在由觸發(fā)位置變化帶來的測量誤差,這一測量誤差稱為測頭的各向異性誤差[8-10]。

以上這兩項觸發(fā)式測頭的誤差是測頭測量精度的主要影響因素,并且由測頭自身的機械結(jié)構(gòu)特點所決定。因此，只要對測頭自身的測量誤差通過技術(shù)方法進行采集,并加以參數(shù)補償,就能大幅度提高測頭在機測量時的精度。

4 數(shù)據(jù)采集及補償方法

應(yīng)用數(shù)控機床,并采用環(huán)規(guī)、千分表來輔助進行測頭測量誤差數(shù)據(jù)的采集工作。在XY平面上準確確定環(huán)規(guī)的中心，方法為將環(huán)規(guī)放置在機床工作臺上,將千分表安裝在主軸端面,表針與環(huán)規(guī)內(nèi)徑圓周接觸,緩慢旋轉(zhuǎn)主軸直至在0°～360°范圍內(nèi)表針基本顯示在一個固定讀數(shù)位置,數(shù)值誤差控制在0.003 mm以內(nèi)。

保持機床的X軸、Y軸坐標不動,將測頭安裝至機床主軸上。按照圓周不同方向等分角度間隔,使測頭沿環(huán)規(guī)內(nèi)徑法向方向以相同速度趨近測量,得到各測量點在XY平面上的坐標值，記為A1(x1,y1)、A2(x2,y2)、…、An(xn,yn)。n為測量點數(shù)量,數(shù)值越大,采樣數(shù)據(jù)越可靠,測量誤差補償后的測量精度越高。以環(huán)規(guī)半徑為基準,計算不同矢量方向測點處的半徑誤差值E1、E2、…、En,再將誤差值沿X軸、Y軸方向進行分解,獲得各矢量方向測量點處的誤差坐標分量,即可得到不同矢量方向的誤差補償量。

5 驗證分析

采用觸發(fā)式測頭在配置i5數(shù)控系統(tǒng)的立式五軸雕銑中心上進行驗證,觸發(fā)式測頭的應(yīng)用環(huán)境如圖2所示。

▲圖2 觸發(fā)式測頭應(yīng)用環(huán)境

采用內(nèi)圓直徑為50 mm的環(huán)規(guī),按照前述測頭數(shù)據(jù)采集流程操作,確定環(huán)規(guī)中心。在環(huán)規(guī)圓周360°上均勻布置60個測量點,并在測量軟件上生成初始測量程序,然后在立式五軸雕銑中心上進行實際測量，獲得的測量數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)數(shù)據(jù)計算各矢量方向的半徑極大值為25.036 2 mm,極小值為25.019 3 mm,極差值為0.016 9 mm。半徑數(shù)據(jù)雷達圖如圖3所示。由圖3可以看出,由于觸發(fā)式測頭的三角特性,數(shù)據(jù)雷達圖呈現(xiàn)三角形式分布,明顯反映了觸發(fā)式測頭自身機械結(jié)構(gòu)影響測量精度。

表1 補償前測量數(shù)據(jù)

將計算后得到的各矢量方向半徑差值沿X軸、Y軸方向分解,得到測量誤差補償量。 分解后各矢量方向測點補償量見表2。

表2 各矢量方向測點補償量

▲圖3 補償前環(huán)規(guī)半徑數(shù)據(jù)雷達圖

按前文所述計算得到不同矢量方向的誤差補償量,生成具有測量誤差補償數(shù)值的測量程序,再測量環(huán)規(guī)進行驗證?；跍y量誤差補償數(shù)值，通過測量程序?qū)Νh(huán)規(guī)再次進行測量，獲得的測量數(shù)據(jù)顯示環(huán)規(guī)半徑極大值為25.003 9 mm,極小值為24.995 8 mm,極差值為0.008 1 mm。補償后環(huán)規(guī)半徑數(shù)據(jù)雷達圖如圖4所示。可見,對測頭進行XY平面內(nèi)的矢量方向測量誤差補償,可以有效提高觸發(fā)式測頭的測量精度。

▲圖4 補償后環(huán)規(guī)半徑數(shù)據(jù)雷達圖

6 結(jié)束語

筆者通過對測量誤差進行補償，提出了提高觸發(fā)式測頭測量精度的方法，通過在配置i5數(shù)控系統(tǒng)的立式五軸雕銑中心上應(yīng)用,驗證了方法的有效性。