TS640測頭在五軸數控機床擺動主軸標定中的應用

楊林，李亞康

（沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870）

0 引言

隨著數控技術的發展，五軸加工領域中復雜零件所需要的高精度以及高重復精度已成為制約其發展的關鍵因素，因此如何提高數控機床的本體精度就顯得異常重要。當然，除了要保證機床各個零部件的加工精度以及裝配精度之外，對機床進行精準的標定已成為有效提高機床精度的重要途徑。沈陽工業大學和石家莊紡織機械有限公司合作研發的HR2500 大型螺旋錐齒輪加工機床采用6 軸5 聯動全閉環控制，數控和伺服驅動系統以及檢測反饋元件均采用德國海德漢公司推出的相關產品。本文依托海德漢iTNC 530 數控系統、TS640 測頭、SE640 接收器及海德漢KKH250 標準球，簡單介紹了TS640 測頭在該機床標定中的應用。

1 海德漢3D 測頭

1.1 測頭工作原理

海德漢公司的3D 測頭采用光學傳感器式的開關，其透鏡系統匯聚LED 發出的光束并聚焦在差動光電池上。每當其探針偏離自由狀態時，光電池就會發出觸發信號。由于光學開關的非接觸特性，在測量中傳感器沒有磨損，因此海德漢公司的觸發式測頭能夠長期保持探測重復精度穩定，其中包括加工中具有大量測量任務的復雜應用環境。TS640 測頭原配鋰電池連續工作時間典型值為800 h。

1.2 接收單元

TS640 測頭通過紅外線光束傳輸觸發信號。SE640接收單元安裝在機床加工區內。紅外線傳輸對噪音不敏感，甚至允許被反射，因此適用范圍很廣。這里我們將測頭安裝在擺動主軸頭上，如果需要更大傳輸范圍，還可以通過APE642 的連接單元，連接兩個SE640，因此能夠保證信號的順利接收。

1.3 反饋單元

KKH250 標準球，把測頭檢測到的數據反饋給控制系統，并記錄數據表。

2 測頭與數控系統的連接

在iTNC 530 數控系統中，連接TS、TT 工件與刀具測頭的接口分別為X12、X13，因此與系統的連接操作非常便利。操作者在MOD 模式下輸入密碼123，進入客戶參數區。其中參數6000 至6599為TS、TT 測頭的控制參數區域。對于TS 系列測頭的參數主要修改表1 所列的參數，其它參數均采用默認值即可。由于系統標準PLC 文件庫中已經包含了TS 系列測頭所需要的控制程序，因此無需客戶編制任何PLC 控制程序。在手動模式下，進入刀具表（TOOL TABLE），假設測頭為18 號刀，將PLC 項改為%000 000 01，退出刀具表后設置生效。當用戶調用18 號刀具時，用戶界面右下方閃爍紅色字符：PROBE，即表明所調用的為測頭［1］。

表1 測量參數表

3 擺動主軸標定試驗

本試驗以沈陽工業大學與石家莊紡織機械有限公司聯合研制的HR2500 大型6 軸5 聯動螺旋錐齒輪數控加工設備為研究對象，完成機床擺動主軸幾何誤差標定，從而準確建立機床擺動主軸幾何誤差補償模型。

首先，把回轉工作臺停在一個合適的位置，將HEIDENHAIN KKH250 標準球固定在回轉工作臺上（如圖1）所示，然后把TS640測頭安裝在主軸上，開始試驗。

1）在手輪模式下開動機床，讓測頭探針逐漸靠近標準球表面，直到探針接觸到目標A 點，此時TS640 測頭顯示警報，并同時讓機床停止進給，記錄下此時機床的坐標A（x1，y1，z1），然后，再開動機床，先讓機床遠離標準球到達安全位置，再讓A 軸擺動一個角度α，開動機床，讓測頭探針再次靠近標準球表面，直到探針接觸到目標B 點，測頭同樣發出警報，機床停止進給，記錄下此時機床的坐標B（x2，y2，z2）。通過A、B 兩點的坐標值，及它們之間的特殊三角函數關系，我們能夠計算出A 軸實際的擺動角度α′，所以擺動誤差Δα＝α′－α。

如圖 2所示，由于擺動角度的不同，會產生兩種不同的計算方法，其計算方法如下所述：

（1）當擺動主軸擺動小角度時，其效果示意圖如圖2 中左圖所示。

在直角ΔABC 中，

圖1 測頭安裝示意圖

圖2 計算原理圖

同樣由余弦定理可得：

把式（1）、（2）、（3）三式聯立，得

故可求解擺動誤差Δα＝α′－α。

（2）當擺動主軸擺動大角度時，其效果示意圖如圖2 中右圖所示。其求解方法與上述方法類似，在此不再贅述。

2）由于擺動主軸擺動不同的角度進行取點檢測，會對擺動誤差產生不同程度的影響，因此研究擺動誤差與擺動角度之間的函數關系，具有一定的實際意義。尤其是對擺動精度要求較高的螺旋錐齒輪加工行業更為重要。就它們之間的關系而言幾何誤差建模的宗旨，就是要得到擺動誤差基于擺動角度的數學誤差模型，為此要進行曲線擬合。曲線擬合，是指用連續曲線近似地描述或者刻畫平面上離散點組所表示的坐標之間的函數關系，簡單來說就是把離散的數據點公式化。即已知樣本點（xi，yi）（i=1，2，3，…，n），求得一個解析函數，y≈f（x），使f（x）在原樣本點（xi）上盡可能接近yi的值［2］。

4 結語

6 軸5 聯動數控加工中心的廣泛應用，對擺動主軸及回轉工作臺的誤差精度提出了更高的要求，所以僅從提高零件的加工精度、減少其內部發熱量、嚴格控制加工環境和使用條件來減小誤差的措施，變得越來越困難，而誤差標定、補償技術的應用則是擺脫這一困境的根本性措施［4］。本文以HR2500 6 軸5 聯動螺旋錐齒輪數控加工中心為研發平臺，對其擺動主軸的幾何誤差進行標定實驗。利用基于Matlab 求解多元函數的功能，擬合出誤差曲線的數學模型，并對擺動主軸的幾何誤差進行辨識建模。由于設計算法可以借助于計算機實現，因此在實踐中推廣非常方便。

［1］苗松.海德漢工件測頭TS640 在數控鏜銑床上的應用［J］.制造技術與機床，2009（12）：141-142.

［2］Wu S M，Ni J.Precision machining without precise machinery［C］//Proceedings of the CIRP Annals，1989：533-536.

［3］黃長藝，盧文祥，熊詩波.機械工程測量與試驗技術［M］.北京：機械工業出版社，2000.

［4］章青，王國鋒，劉又午，等.數控機床誤差補償技術及應用—幾何誤差補償技術［J］.制造技術與機床，1999（1）：30-31，34.