縫隙端面自動定位與測量技術研究

胡東紅，張博熠，張玲，王平江

(1.湖北大學物理學與電子技術學院，湖北武漢430062;2.華中科技大學數控中心，湖北武漢430074)

磨床是利用磨具對工件表面進行磨削加工的精密、高性能機床[1]。磨床可以加工硬度很高的材料，能做高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能進行高效率的磨削[2]，在汽車制造業、機床制造、電力、船舶、航空航天等領域有著廣泛的應用。磨床種類繁多，按其工作性質，常見的磨床種類可以劃分為外圓磨床[3]、平面磨床、內圓磨床、工具 (刀具)磨床[4]、無心磨床、非圓磨削機床、軋輥磨床、復合磨削加工單元、立式磨床等[2－6]。

隨著磨床工業向自動化方向的發展，工件自動測量定位與工件加工在線測量技術在磨削[2]加工中得到越來越多的應用，其中用得最廣泛的有工件端面定位技術，以精確定位工件的端面在z坐標方向的位置;還有工件徑向在線測量技術，以實時監測加工工件直徑。

其中工件端面自動測量技術往往需要預先確定待測工件端面的大概位置，并且讓端面量儀測頭運動到該位置(端面測量工位)，然后端面量儀測頭緩慢靠近并輕觸工件端面，從而對工件端面進行測量定位[7]。

但是，如果待測工件端面位于工件的小縫隙內，再考慮到工件頂尖孔誤差的影響，很可能無法確定一個固定的端面測量工位可以使端面量儀測頭對準縫隙。一旦端面量儀測頭不能對準縫隙，那么端面量儀測頭伸出的動作將使得端面量儀測頭與工件發生沖撞，從而直接導致端面量儀測頭損壞。

為此，作者提出了二次端面測量定位方法，以解決這種小縫隙端面自動測量與定位的問題。

1 問題的提出

如圖1所示，工件小縫隙端面B 和C之間的間隙約為3 mm。要求端面量儀測頭伸入小縫隙端面B和C之間，觸碰端面B，并以端面B為基準，對工件的A端面進行磨削加工，最終確保端面A 到端面B的距離符合要求。

而頂尖的誤差會導致小縫隙左右位移達到5 mm左右。以機床坐標位置記錄的端面量儀測量位置無法保證端面量儀測頭能夠準確對準小縫隙端面B 和C之間的縫隙。在這種情況下，如果端面量儀測頭貿然伸出，必然會撞壞測頭，造成嚴重的經濟損失。

為此，作者提出了一種二次端面定位技術，以解決小縫隙端面自動測量與定位的問題。

圖1 小縫隙端面定位測量示意圖

2 二次端面定位技術

考慮到頂尖孔誤差最多會造成工件沿z軸方向偏移5 mm 左右。因此，設定工件開闊端面A 右側7 mm 左右的位置為1號端面測量工位位置，該位置坐標值記為(xM1，zM1)，(xM1，zM1)為機床坐標系坐標值，如圖2所示。

圖2 端面測量1號工位與2號工位示意圖

對于該類型的任意一件毛坯工件，頂尖孔誤差可能導致開闊端面A 左右偏移約5 mm，而1號端面測量工位位于端面A 右側7 mm 左右位置，因此，端面量儀測頭在1號端面測量工位可以安全地伸出測頭，而不必擔心測頭會撞上工件。在實際加工過程中，端面量儀測頭首先定位于1號工位，測頭向左運動，觸碰端面A之后，調整工件坐標系z坐標原點[7]，調整后，假定端面A 在工件坐標系中的坐標值為zWA。

由于對該類型的任一件毛坯工件，縫隙端面B與開闊端面A之間沿z 方向的距離誤差不會超過0.2 mm，假定端面B 和C的縫隙中心位置到端面A之間沿z 方向的距離為L2。則2號端面測量工位在工件坐標系中的坐標值為(xW1，zWA+L2)。

記錄并保存1號端面測量工位在機床坐標系中的坐標(xM1，zM1)，記錄并保存2號端面測量工位在工件坐標系中的坐標值(xW1，zWA+L2)。在實際加工過程中，首先，端面量儀測頭定位于1號測量工位，如前所述，測頭會很安全地位于端面A 右側，不會與工件相撞;然后，測頭輕觸端面A，調整工件坐標系z坐標原點[7]，這時端面A 在工件坐標系中的z坐標位置為zWA，而端面B 和C的縫隙中心在工件坐標系中的z坐標位置則為zWA+L2;最后，端面量儀測頭運動到工件坐標系坐標位置(xW1，zWA+L2)，則測頭可以準確對準端面B 和C的縫隙中心位置。

這樣，通過工件坐標系記錄的1號端面量儀測量工位和工件坐標系記錄的2號端面量儀測量工位，通過兩次端面定位，可以解除頂尖孔誤差導致的小縫隙端面定位撞壞測頭的風險。

3 操作步驟

具體操作可以分為兩個部分，首先是1號端面測量工位設定和2號端面測量工位設定步驟;其次是加工過程G代碼運行步驟描述。

3.1 測量工位設定

第1步，選一毛坯工件安裝到工作臺上，令端面量儀測頭伸出;

第2步，操作手輪令測頭位于端面A 右側約7 mm位置;

第3步，記錄當前機床坐標系坐標位置 (xM1，zM1);

第4步，操作手輪，令測頭沿z 方向運動，輕觸端面A;

第5步，修改工件坐標系z坐標原點，使得當前工件坐標系z坐標值為zWA;

第6步，操作手輪，令測頭運動到端面B 和C的縫隙中心，2號端面測量工位位置;

第7步，記錄當前工件坐標系坐標位置 (xW2，zW2)，顯然有zW2=zWA+L2;

第8步，將1號端面測量工位坐標(xM1，zM1)和2號端面測量工位坐標(xW1，zW2)錄入數控系統。

至此，端面測量工位坐標設定完畢。

3.2 加工過程運行步驟描述

以華中數控21型外圓磨床[8]數控系統為例，說明如下:

第1步，操作人員將待加工毛坯工件安裝到工作臺上;

第2步，執行1號端面測量工位測量指令G80Z[zWA]，該指令的含義及具體執行過程分述如下:①測頭運動到機床坐標系坐標位置(xM1，zM1);②測頭伸出;③測頭向左接近端面A，直至觸發測量有效信號;④數控系統調整工件坐標系z坐標原點，使得當前工件坐標系z坐標值為zWA;⑤測頭向右遠離端面A;⑥測頭縮回。

第3步，執行2號端面測量工位測量指令G84Z[zWB]，該指令的含義及具體執行過程分述如下:①測頭運動到工件坐標系坐標位置(xW2，zW2);②測頭伸出;③測頭向左接近端面B，直至觸發測量有效信號[7];④數控系統調整工件坐標系z坐標原點，使得當前工件坐標系z坐標值為zWB;⑤測頭向右脫離端面B;⑥測頭縮回。

第4步，砂輪[9]以端面B 在工件坐標系中的z坐標值zWB為基準，運動到端面A 附近，對端面A 進行磨削[2]，直至端面A與端面B之間的距離達到指定的要求LAB，見圖3。

圖3 以端面B為基準磨削端面A 示意圖

部分G代碼如下:

4 討論

在實際應用中，曾經發現，在執行G83指令時，端面量儀測頭并不是對準工件端面B 和C之間的縫隙的中間位置。經查，發現用戶在對刀設定工件坐標系之后，操作手輪令測頭運動到1號測量位置，記錄該位置的機床坐標值;然后直接操作手輪另測頭運動到2號測量位置，記錄該位置的工件坐標值。這樣設置測量位置參數，在對刀很精準的情況下，看似沒有什么問題。但是，在實際加工中，經過G80指令調整工件坐標系z 原點之后，原先設定的2號測量位置的機床坐標位置z坐標就會發生變化，從而使得測頭偏離縫隙中間位置。

因此，在設置2號測量位置之前，一定要讓測頭觸碰端面A，并且調整工件坐標z 原點，然后再設置2號測量位置，才能使2號測量位置測頭準確對準縫隙中間位置。也可在設置1號測量位置之后，運行G80指令調整工件坐標z 原點之后，再設置2號測量位置，也可以達到同樣效果。

1號測量工位距離端面A的距離應根據頂尖孔造成的端面A 左右最大偏移距離，合理設置。在確保測頭不會撞上工件的前提下，盡量讓測頭靠近端面A，以減少觸碰端面A時的行走距離，提高加工效率。

對毛坯工件而言，縫隙中心位置與端面A之間沿z 方向的距離偏差分布如果接近小縫隙寬度的1/3，則會導致測頭在2號測量位置撞上工件的概率增大。但是，就毛坯工件而言，縫隙中心位置與端面A之間沿z 方向的距離一般不會超過0.2 mm。

所以，該方法對小縫隙端面自動測量與定位是有效和可靠的。

【1】國際斯來福臨集團的高性能磨床[J].世界制造技術與裝備市場，2007(2):99－100.

【2】劉興國.國內外超高速磨削的現狀[J].機械工人:冷加工，2004(9):16－17.

【3】胡東紅，王平江，陳吉紅.外圓磨床數控系統研究[J].機床與液壓，2009，37(5):5－10.

【4】CHOI In-Hyu，KIM Jeong-Du.Development of Monitoring System on the Diamond Tool Wear.International Journal of Machine Tools and Manufacture[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，1999，39(3):505－515.

【5】陳美福.對發展我國數控磨床的淺見[J].世界制造技術與裝備市場，1994(3):6－7.

【6】PROCTOR Frederick M，ALBUS James S.Open-architecture Controllers[J].IEEE Spectrum，1997，34(6):60－64.

【7】胡東紅，李朗，張玲.徑向量儀校正工件坐標原點的方法[J].伺服控制，2011(1):64－66.

【8】胡東紅，王平江，舒創.基于開放式數控平臺的外圓磨床數控系統開發[J].伺服控制，2007(6):37－41，64.

【9】胡東紅，王平江，張玲.三軸聯動的軸承磨成型砂輪修整控制模型研究[J].機床與液壓，2011，39(23):10－13.