基于觸發式測頭的五軸車銑加工中心曲軸在線測量方法的研究*

彭 凱 劉麗冰 王永興

（①河北工業大學機械學院，天津300130;②沈陽第一機床廠，遼寧沈陽 110025）

加工件檢測方法包括離線檢測和在線檢測兩種。傳統的曲軸測量方法是將加工之后的曲軸放在專用測量儀器或者檢具上，人工或者由儀器自動進行關鍵位置的測量，評定幾何元素的形位誤差，完成質量檢測。這種離線式檢測，一旦出現工件尺寸超差，需要將工件重新安裝找正，再修偏;這不僅耗費工時，且修偏精度難以保證。在線檢測則能在加工機床上直接對工件進行檢測，發現超差，可以及時采取修復加工等措施，保證加工精度。在線檢測技術是質量控制技術的發展趨勢。本文針對加工大型船用曲軸的車銑復合加工中心，采用觸發式測頭系統，為加工中心配備高精度檢測功能，完成曲軸幾何尺寸和基本形狀誤差的檢測。

1 測量工藝系統構成

在線測量系統包括觸發式測頭系統、西門子840D數控系統及車銑復合工作臺3部分，組成示意圖如圖1所示。

測頭系統中包括marposs公司的測頭探針TT25，無線電收發模塊WRP和控制器WRI三部分。探針長度100 mm，測球直徑6 mm。測頭在xyz三個坐標方向均是單向觸發，當需要沿不同矢量方向連續觸發時，由程序控制機床主軸沿矢量方向運動，確保測頭單向觸發點對準所需方向。工作過程:當啟動測量或標定程序后，控制系統給出指令，測頭和無線電接收裝置進入工作狀態。當測頭觸到工件表面，測頭測桿在yz方向產生些許傾角或x軸向產生一定的回縮時，觸動測頭中的常閉觸點開關斷開，從而發出觸碰信號，通過無線電模塊發出信號;控制器接收到無線電信號后，同樣給數控系統一個開關信號，通知數控系統測頭觸發。840D數控系統內部有測量指令，接收到觸發信號后，鎖定當前坐標，并讓數控機床運動軸停止運動。此時，需要通過數控指令，讀取當前坐標值記錄到變量中，即為觸碰點坐標。再通過指令驅動測頭反向回退到安全位置，一般設置5 mm。然后開始下一個接觸點測量動作;或者退回到起始位置。

2 測頭標定

測頭標定是根據測頭系統的測量誤差模型，通過對標準件采集多個點數據，評價標準件的尺寸，從而反算誤差模型中的參數。測量中將誤差模型參數帶入后，可得到修正后的測量值。

測頭沿yz方向發生擺轉，x方向沿軸向回縮。y=y+dy;z=z+dz;x=x+dx;標準件能識別出觸碰偏差，在單方向上直接觸碰兩個方向，默認兩個方向上的誤差值基本一致，標定原理圖如圖2所示。

從y正負向和z的正負向觸碰圓環中心，得到圓環直徑，觸碰值之差－理論直徑=觸發偏差×2。測頭只能從x負向觸碰得到數值點，因此只需要標定x負向觸發誤差。同樣通過接觸x上已知點位置，將讀數值與已知值之差，即為標定值。

完成標定工作，就可以進行工件的測量了。由于工件上的測量要素多為平面或者圓且與坐標軸平行或者垂直，因此測量點的觸碰方向可以選擇xyz軸正負方向，測量補償值也較準確。

3 實驗研究

測頭工作前需要對測頭的觸發延時偏差事先測定，確定測頭探針在機床坐標系中的位置，用來確定測頭觸發時，測頭位置與實際位置的偏差值大小。車銑復合加工中心，是5軸3聯動，配西門子840D控制系統，定位精度10 μm，配marposs測頭，測量重復性0.5 μm。

關于測頭標定程序，marposs公司提供針對標準加工中心和普通車床的測量標定程序，但是由于車銑復合加工中心的坐標系和運動方式與這兩種機床運動方式不一致，不能直接使用該測量標定程序。因此開發基于數控指令的測量標定子程序，提供用戶調用。

以下是完成測量工作的步驟:（1）安裝標準件將已知外徑的標準件安裝到工件加工主軸上，讓主軸軸線與標準件軸線一致。或者安裝一根測試棒料，用外圓車刀車出一個標準件，用千分尺準確卡出標準件直徑。用測頭觸碰外圓，按照圓測量原理，觸碰測點，獲取多個測量點。評價圓直徑，然后與標準圓直徑進行比較，通過模型計算誤差大小。（2）測頭對刀 測頭校正前需要完成對刀，就如同要使用刀具前的對刀一樣，確定測頭在機床坐標系中的位置。并將測桿長度和測頭直徑寫入刀補中，用于修正測頭在機床坐標系中的位置。（3）探測測量點 完成上述工作后就可以進行測點拾取。

探測程序用機床G代碼驅動測頭與被測量點接觸，觸發后，機床停止運動，并讀取觸發時刻的坐標值，再驅動機床反向運動，使得測頭與工件退開一定距離。

探測子程序（稍有刪減）如下:

標定程序沿各個方向運動步驟基本一致，這里僅給出x向標定程序。測量程序未給出，源代碼與標定程序類似。圖3顯示測頭標定時移動的路徑，其中圖中標的字母為用戶可以設定的距離，mar_saf是避障距離，safety是起測點至工作面距離，cubo是標準件尺寸，ANGL是可以設置的角度

X方向標定程序（稍有刪減）

經過標定后，x、y、z各個方向的觸發偏差大約在0.15 mm，檢測加工端面距離20 mm，測量結果優于20 μm，用于檢測大型曲軸類零件，其檢測精度足夠。

4 結語

本文討論了使用觸發測頭檢測5軸車銑復合加工中心在機加工的大型船用曲軸的方法，經過測頭標定，完成測頭的基本測量功能，測量加工端面距離，精度能達到20 μm，能夠滿足大型曲軸粗加工的尺寸檢測要求。系統使用方便，檢測精度高。對于復雜曲面的測量中涉及到的測頭標定和測量方法還需要進一步研究，

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