用于加工中心的在线工件自动测量系统.pdf

1、根 部 太 近 (约 4 5mm) ,加 之 倒 角 处 未 加 工 出 圆 角 ,造 成 应 力 集 中 。 此 外 ,由 于 m 值 过 小 ,淬 火 加 热 时为 保 证 刃 部 硬 度 ,造 成 焊 缝 埋 入 盐 浴 面 过 深 ,从 而 增大 了 焊 缝 危 险 区 的 应 力 。 由 于 该 批 丝 锥 热 处 理 时 焊缝 危 险 区 与 应 力 集 中 区 接 近 或 重 合 ,造 成 在 刃 部 与柄 部 连 接 的 倒 角 处 开 裂 。3 改 进 措 施(1)按 刀 具 制 造 工 艺 要 求 确 定 合 适 的 m 值 ;(2)严 格 按 刀 具 产 品 图 纸 设

2、计 、 制 造 刀 具 ,加 工出 丝 锥 刃 部 与 柄 部 连 接 倒 角 处 的 圆 角 ;(3)加 强 冷 加 工 与 热 加 工 的 工 序 协 作 ;(4)丝 锥 对 焊 后 应 立 即 保 温 ,及 时 退 火 ,确 保 丝锥 对 焊 后 质 量 ;(5)加 强 热 处 理 中 预 热 及 冷 却 工 艺 控 制 ,及 时 充分 回 火 。编 辑 :汪 莉收 稿 日 期 :2000 年 3 月用 于 加 工 中 心 的 在 线 工 件 自 动 测 量 系 统山 东 工 业 大 学 机 械 工 程 学 院 (济 南 250061) 刘 战 强 赵 军 于 复 生摘 要 :介 绍 一

3、 种 可 用 于 加 工 中 心 的 在 线 工 件 自 动 测 量 系 统 的 构 成 及 功 能 。 该 系 统 采 用 新 型 触 发 式 传 感 器 ,可 使 刀 具 刀 尖 自 身 作 为 测 头 测 试 工 件 加 工 尺 寸 。 该 系 统 可 用 于 工 件 的 装 夹 找 正 ,也 可 对 工 件 进 行 自 动 在 线 测 量 ,并 能 根 据 测 量 结 果 对 加 工 误 差 进 行 补 偿 以 提 高 加 工 精 度 。关 键 词 :加 工 中 心 , 在 线 测 量 , 自 动 对 刀 装 置 , 触 发 式 传 感 器Automatic On2machine Me

4、asurement System for Workpieces on CNC Machining CenterLiu Zhanqiang et alAbstract :The structure and functions of a neotype automatic on2machine measurement system used on CNC machine centersare introduced. The measurement technology is based on a novel fine2touch sensor which enables the cutting t

5、ool tip itself to beused as the contact probe to implement workpiece inspection. The measurement system can be applied to automatic workpiece set2up and on2machine measurement of machined workpiece errors , which leads to the machining accuracy enhancement on a CNCturning center.Keywords : machining

6、 center ,on2machine measurement ,Q2setter ,fine2touch sensor1 引 言现 代 柔 性 加 工 系 统 、 柔 性 加 工 单 元 、 加 工 中 心 和某 些 数 控 机 床 均 需 配 置 先 进 的 自 动 测 量 系 统 1 。 在加 工 设 备 上 对 被 加 工 工 件 进 行 自 动 测 量 是 提 高 自 动化 加 工 水 平 和 保 证 工 件 加 工 精 度 的 有 效 方 法 之 一 。根 据 测 量 时 间 和 测 量 地 点 的 不 同 ,工 件 测 量 方 法 可分 为 四 类 (见 图 1) : 加 工 前

7、 测 量 ; 在 线 实 时 测量 ; 在 线 测 量 ; 加 工 后 离 线 测 量 。 各 种 测 量 方 法均 有 各 自 的 优 缺 点 及 应 用 范 围 2 。 在 线 测 量 可 大 大减 少 测 量 成 本 ,其 应 用 日 益 广 泛 (尤 其 在 加 工 中 心上 ) 。 目 前 ,在 线 测 量 的 传 感 器 主 要 采 用 触 发 式 测 头(TTP) 3 6 ,但 此 类 测 头 用 于 加 工 中 心 上 时 ,要 求 加工 中 心 必 须 有 与 之 适 应 的 软 件 、 硬 件 设 施 来 监 测 和处 理 触 发 信 号 7 。 本 文 介 绍 一 种 新

8、 型 触 发 式 传 感器 ,利 用 这 种 传 感 器 开 发 的 自 动 在 线 测 量 系 统 可 使刀 具 刀 尖 自 身 作 为 测 头 来 测 量 工 件 加 工 尺 寸 。 该 测量 系 统 直 接 使 用 加 工 中 心 内 置 数 控 命 令 和 测 量 软件 ,不 再 需 要 添 置 其 它 软 、 硬 件 设 施 ,因 此 可 方 便 地应 用 于 各 种 加 工 中 心 。 此 外 ,由 于 可 利 用 刀 尖 作 为测 头 ,所 以 凡 是 刀 具 刀 尖 能 加 工 的 几 何 形 状 及 尺 寸均 可 用 该 系 统 测 量 。图 1 工 件 测 量 方 法 分

9、类2 自 动 对 刀 装 置 及 触 发 式 传 感 器现 代 数 控 机 床 及 加 工 中 心 大 多 配 置 了 各 种 不 同类 型 的 对 刀 装 置 ,如 机 外 对 刀 仪 、 机 内 光 学 对 刀 仪 、接 触 式 自 动 对 刀 装 置 等 。 车 削 中 心 一 般 采 用 机 内 接触 式 自 动 对 刀 装 置 8 。 本 文 所 用 的 车 削 中 心 上 配 置的 是 Q2setter 自 动 对 刀 装 置 ,该 装 置 由 4 个 触 发 式 测头 ( + X , - X , + Z , - Z 方 向 各 一 个 ) 、 联 接 臂 、 安 装底 座 及 测

10、 量 软 件 等 组 成 (见 图 2) 。03 工 具 技 术图 2 Q2setter 自 动 对 刀 装 置联 接 臂 在 刀 具 加 工 时 处 于 关 闭 状 态 。 对 刀 时 ,打 开 测 量 臂 ,移 动 刀 架 使 刀 具 的 刀 尖 与 相 应 的 测 头接 触 ,接 触 时 测 头 发 出 触 发 信 号 ,该 信 号 触 发 数 控 系统 记 下 此 时 的 刀 具 位 置 (测 量 精 度 为 1 m) ,为 保 护机 床 和 刀 具 ,数 控 系 统 将 同 时 自 动 “ 冻 结 ” 机 床 的 运动 。 然 后 ,测 量 软 件 计 算 出 刀 具 的 固 定 补

11、 偿 值 并 传送 至 相 应 的 刀 补 单 元 。 测 量 完 毕 后 ,关 闭 测 量 臂 ,操作 者 即 可 继 续 使 用 该 刀 具 进 行 加 工 。本 文 所 用 的 触 发 式 传 感 器 是 由 乌 克 兰 国 立 基 辅科 技 大 学 (原 基 辅 工 学 院 ) V. A. Ostafiev 教 授 发 明的 9 。 该 传 感 器 由 一 个 线 圈 与 外 置 放 大 电 路 构 成 ,其 工 作 原 理 非 常 简 单 :由 机 床 夹 具 工 件 刀 具组 成 的 加 工 系 统 是 一 个 由 各 种 电 磁 元 器 件 如 伺 服 电机 、 变 压 器 等

12、构 成 的 电 磁 场 。 当 刀 具 与 工 件 接 触 时 ,加 工 系 统 将 形 成 一 个 闭 合 回 路 并 产 生 电 流 ,车 削 时产 生 的 电 流 经 缠 绕 在 刀 杆 上 的 线 圈 (见 图 3) 放 大 输出 (铣 削 时 线 圈 缠 绕 在 主 轴 上 ) 。 当 外 置 放 大 电 路 检测 到 的 放 大 输 出 值 超 出 预 置 的 门 槛 值 时 ,将 触 发 “ 接触 ” 信 号 ,表 明 刀 具 已 与 工 件 接 触 。 该 传 感 器 的 测 试精 度 可 与 Renishaw 公 司 生 产 的 高 精 度 测 头 相 媲 美 ,同 时 ,还

13、 用 激 光 干 涉 仪 进 行 了 标 定 ,结 果 表 明 其 测 试精 度 远 远 高 于 微 米 级 9 ,足 以 用 于 在 加 工 中 心 上 测量 工 件 加 工 几 何 尺 寸 。图 3 工 件 直 径 在 线 自 动 测 量 系 统3 工 件 加 工 尺 寸 自 动 测 量 系 统从 以 上 介 绍 可 知 ,Q2setter 自 动 对 刀 装 置 只 能 用于 测 试 刀 具 位 置 和 刀 具 补 偿 值 ,不 能 用 于 测 量 工 件几 何 尺 寸 ;而 触 发 式 传 感 器 只 能 测 试 刀 具 与 工 件 是否 接 触 ,不 能 测 试 刀 具 位 置 ,更

14、 不 能 直 接 用 于 测 量 工件 加 工 尺 寸 。 但 通 过 一 种 简 单 有 效 的 方 法 ,即 可 将两 种 传 感 器 结 合 起 来 ,以 刀 具 刀 尖 自 身 作 为 测 头 来测 量 工 件 加 工 尺 寸 。 将 触 发 式 传 感 器 外 置 放 大 电 路的 输 出 经 电 压 匹 配 后 与 Q2setter 自 动 对 刀 装 置 的 输出 接 口 相 联 ,即 可 实 现 两 种 传 感 器 的 结 合 而 完 成 工件 加 工 尺 寸 的 测 量 ,利 用 触 发 式 传 感 器 来 监 测 刀 尖与 工 件 接 触 与 否 ,同 时 用 Q2sett

15、er 自 动 对 刀 装 置 来 测试 刀 尖 位 置 并 控 制 刀 具 运 动 。 在 车 削 中 心 上 ,当 与+ Z 或 - Z 输 出 接 口 联 接 时 可 测 量 工 件 长 度 ;当 与+ X 或 - X 联 接 时 则 可 用 于 测 量 工 件 直 径 。 以 下介 绍 如 何 用 这 两 种 传 感 器 在 车 削 中 心 上 测 量 工 件 直径 。测 量 前 ,用 刀 尖 接 触 自 动 对 刀 装 置 ,数 控 系 统 自动 记 录 下 刀 补 值 X刀 补 ,通 过 RS232 接 口 ,该 刀 补 值可 传 输 到 微 机 中 进 行 后 续 处 理 。 测

16、量 工 件 时 ,先 将自 动 对 刀 装 置 的 联 接 臂 打 开 少 许 ,使 其 处 于 测 试 状态 而 又 不 与 工 件 (当 工 件 较 长 时 )和 刀 架 运 动 发 生 干涉 。 移 动 刀 架 ,使 刀 尖 与 工 件 接 触 。 当 刀 尖 与 工 件接 触 时 ,自 动 对 刀 装 置 与 触 发 式 传 感 器 均 发 出 触 发信 号 ,触 发 式 传 感 器 发 出 的 信 号 表 明 刀 具 已 与 工 件接 触 ,自 动 对 刀 装 置 发 出 的 信 号 激 发 数 控 系 统 记 下此 时 的 刀 具 位 置 及 刀 补 值 X刀 2工 ,并 立 即

17、“ 冻 结 ” 机床 的 运 动 以 避 免 刀 具 与 工 件 相 碰 撞 而 损 坏 刀 具 。 两个 刀 补 值 X刀 补 与 X刀 2工 的 差 别 来 自 测 量 基 准 的 改变 : X刀 补 是 刀 具 相 对 于 自 动 对 刀 装 置 的 刀 补 值 ,X刀 2工 是 刀 具 相 对 于 工 件 的 刀 补 值 ,因 此 ,在 刀 具 与工 件 接 触 点 的 工 件 实 际 直 径 D 可 由 下 式 计 算 得 到 :D = 2L + | X刀 补 | - | X刀 2工 | (1)式 中 , X刀 补 和 X刀 2工 均 是 工 件 直 径 方 向 上 的 刀 补 值

18、,L 是 自 动 对 刀 装 置 测 头 到 主 轴 中 心 线 在 + X 轴 方 向上 的 实 际 距 离 (见 图 2) ,其 大 小 由 机 床 制 造 商 提 供 ,故 公 式 中 进 行 加 倍 计 算 以 得 到 工 件 直 径 值 。 如 沿 工件 长 度 方 向 测 量 一 系 列 点 ,则 可 测 得 工 件 直 径 在 长度 方 向 上 的 分 布 即 外 形 轮 廓 。 当 测 量 完 毕 重 新 进 行切 削 加 工 前 ,需 重 新 将 刀 补 值 设 置 为 刀 具 相 对 于 自动 对 刀 装 置 的 刀 补 值 X刀 补 并 关 闭 自 动 对 刀 装 置 。

19、132000 年 第 34 卷 94 测 量 系 统 的 应 用在 线 工 件 自 动 测 量 系 统 利 用 触 发 式 传 感 器 将 刀尖 作 为 测 头 ,拓 展 了 新 的 应 用 领 域 。 该 系 统 可 用 于测 试 刀 具 破 损 ;借 助 标 准 试 件 可 测 量 刀 具 磨 损 量 ,通过 比 较 加 工 前 、 后 的 X刀 2工 值 ,其 差 值 即 为 刀 具 在 上道 工 序 的 磨 损 量 ;该 系 统 还 可 用 于 工 件 的 装 夹 找 正及 加 工 误 差 的 测 量 及 补 偿 。4. 1 工 件 的 装 夹 找 正工 件 的 装 夹 对 工 件 加

20、 工 精 度 有 重 要 影 响 。 在 加工 中 心 上 ,工 件 的 装 夹 位 置 往 往 与 加 工 程 序 设 定 的理 想 位 置 存 在 误 差 (如 工 件 中 心 线 与 主 轴 中 心 线 存在 偏 心 ) ,该 误 差 一 般 可 达 3 m10 。 为 了 减 少 装 夹误 差 对 加 工 精 度 的 影 响 ,工 件 初 次 装 夹 后 ,可 用 在 线工 件 自 动 测 量 系 统 测 量 工 件 直 径 ,然 后 与 加 工 程 序设 定 的 理 想 位 置 比 较 ,求 得 装 夹 误 差 ,据 此 对 工 件 装夹 位 置 作 出 相 应 调 整 。 循 环

21、上 述 测 量 步 骤 ,直 至 工件 装 夹 找 正 为 止 。4. 2 加 工 误 差 的 测 量 及 补 偿在 线 工 件 自 动 测 量 系 统 可 在 加 工 过 程 中 对 工 件尺 寸 进 行 在 线 测 量 ,根 据 测 量 结 果 调 整 刀 补 值 ,自 动生 成 误 差 补 偿 数 据 ,以 提 高 工 件 加 工 精 度 。 如 工 件经 过 上 道 车 削 工 序 加 工 后 ,通 过 测 量 得 到 工 件 直 径加 工 误 差 ,如 果 下 道 工 序 与 上 道 工 序 加 工 条 件 完 全相 同 ,可 以 预 计 下 道 工 序 还 会 出 现 同 样 的

22、误 差 ,因 此可 在 下 道 工 序 加 工 前 ,根 据 上 道 工 序 误 差 值 在 下 道工 序 的 加 工 程 序 中 加 入 下 列 语 句 对 程 序 作 出 修 改 :G10L11P 3 3 X(U) 3 3 3 3 3 Z(W) 3 3 3 3 3 R 3 3 3 3 3 Q 3 (2)图 4 工 件 加 工 直 径 误 差 的 补 偿式 中 ,G10L11 表 示 数 据 设 置 功 能 ; P 后 面 的 两 位 数字 表 示 正 在 使 用 的 刀 具 编 码 ; X(U) 和 Z(W) 后 面 的五 位 数 字 分 别 代 表 刀 具 在 X 和 Z 方 向 上 的

23、 刀 补 值 ;R后 面 的 五 位 数 字 代 表 刀 具 圆 角 半 径 补 偿 值 ;Q 后面 的 一 位 数 字 表 示 刀 具 运 动 方 向 。 根 据 加 工 误 差 修改 X(U) ,即 可 实 现 工 件 加 工 直 径 误 差 的 补 偿 。 图 4所 示 为 一 工 件 (长 度 150mm ,精 加 工 后 直 径 50mm)经粗 加 工 半 精 加 工 精 加 工 后 的 直 径 误 差 ,精 加 工与 半 精 加 工 的 加 工 条 件 完 全 相 同 (机 床 : Hitachi Seiki车 削 中 心 ;工 件 材 料 :中 碳 钢 ;刀 具 材 料 :硬 质

24、 合 金 ;刀 片 : DNMA150408 ,刀 杆 : PDJNL 2525N215 ;切 削 速度 :120m/ min ,进 给 量 :0. 1mm/ r ,切 削 深 度 :1mm) ,半精 加 工 后 根 据 测 得 的 加 工 误 差 值 修 改 精 加 工 程 序 ,对 加 工 误 差 进 行 补 偿 。 由 图 4 可 见 ,经 误 差 补 偿 后 ,精 加 工 最 大 误 差 值 可 减 至 3 m。5 结 语在 线 工 件 自 动 测 量 系 统 使 用 刀 尖 作 为 测 头 ,可简 化 测 量 系 统 结 构 ,降 低 测 量 成 本 。 采 用 该 系 统 在加 工

25、 前 进 行 工 件 的 装 夹 找 正 ,可 简 化 工 装 夹 具 ,节 省夹 具 费 用 ,缩 短 辅 助 工 时 ,提 高 加 工 效 率 。 该 系 统 在加 工 中 或 加 工 后 可 对 工 件 直 径 进 行 在 线 测 量 ,并 能根 据 测 量 结 果 修 改 加 工 程 序 ,对 加 工 误 差 进 行 补 偿 ,提 高 加 工 精 度 。参 考 文 献1 洪 治 平 . 加 工 中 心 上 的 自 动 测 量 系 统 . 组 合 机 床 与 自 动 化加 工 技 术 ,1999 (1)2 Liu Zhanqiang , Patri K Venuvinod , V A O

26、stafiev. On2machinemeasurement of workpieces with the cutting tool. IntegratedManufacturing Systems , 1998 , 9 (3) : 168 1723 Hermann G. Process intermittent measurement of tools andworkpieces. Journal of Manufacturing Systems , 1985 , 4 (1) : 41 494 Janeczko J . Touch probe calibration and measurem

27、ent on CNCmachining center. SME Technical Paper , IQ862908 , 19865 Lynch M. Computer numerical control accessory devices. Mc2Graw2Hill Inc. , New York , 19946 Mou J , Liu R C. A method for enhancing the accuracy of CNCmachine tools for on2machine inspection. Journal of Manufactur2ing Systems , 1994

28、, 11 (4) : 229 2377 Zhou E P , Harrison D K, Link D. Effecting in2cycle measure2ment with preteritic CNC machine tools. Computers in Industry ,1996 , 28 : 95 1028 周 永 麟 . 用 于 车 削 中 心 的 刀 具 自 动 测 量 系 统 . 工 具 技 术 ,1999 ,33 (7)9 Ostafiev V A , Venuvinod P K. A new electro2magnetic contactsensing technique for enhancing machining accuracy. Manufac2turing Science and Technology , ASME , MED26/ 1 , 199710 Anderson P H , Torvinen SJ . A concept for maintaining quality inflexible production. Computers in Industry , 1991 , 17 : 247 255编 辑 :张 宪23 工 具 技 术