提高觸發式測頭測量精度的方法

□ 姜成偉

沈陽機床股份有限公司 沈陽 110142

1 研究背景

目前,數控機床上已廣泛應用觸發式測頭系統對工件進行在機測量,實現工件加工前、加工中及加工后的高精度自動測量和加工數據的及時修正,顯著提高了工件的加工效率和加工精度。

觸發式測頭是在機測量系統中的核心元件,觸發式測頭自身的測量精度至關重要。通過對觸發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的測量精度。

2 觸發式測頭工作原理

大部分觸發式測頭的機械結構可以簡化為探針、觸點副、結構件、預緊彈簧共四部分。在測頭內部每120°設置一對觸點副,共三對觸點副,這三對觸點副之間為串聯關系[1-4]。預緊彈簧的作用是使探針在與工件接觸后回到初始狀態。觸發式測頭的機械結構如圖1所示。

觸發式測頭在測量時,探針與工件測量點接觸，并引起觸發力。當觸發力克服彈簧預緊力后,探針出現微量偏移。此時,三對觸點副中至少有一對觸點副脫開,使原本構成的串聯電路出現斷路,進而產生觸發信號。機床數控系統接收到觸發信號后,進給軸停止運動,系統鎖存進給軸坐標數據,結束測量點數據的采集進程。

▲圖1 觸發式測頭機械結構

3 誤差分析

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

觸發式測頭內部同一水平面上均布的三對觸點副,其中任意一對斷開，即會產生測頭的信號觸發。基于測頭所具有的三角特性結構特點,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構特點所決定。因此，只要對測頭自身的測量誤差通過技術方法進行采集,并加以參數補償,就能大幅度提高測頭在機測量時的精度。

4 數據采集及補償方法

應用數控機床,并采用環規、千分表來輔助進行測頭測量誤差數據的采集工作。在XY平面上準確確定環規的中心，方法為將環規放置在機床工作臺上,將千分表安裝在主軸端面,表針與環規內徑圓周接觸,緩慢旋轉主軸直至在0°～360°范圍內表針基本顯示在一個固定讀數位置,數值誤差控制在0.003 mm以內。

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,使測頭沿環規內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為測量點數量,數值越大,采樣數據越可靠,測量誤差補償后的測量精度越高。以環規半徑為基準,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

采用觸發式測頭在配置i5數控系統的立式五軸雕銑中心上進行驗證,觸發式測頭的應用環境如圖2所示。

▲圖2 觸發式測頭應用環境

采用內圓直徑為50 mm的環規,按照前述測頭數據采集流程操作,確定環規中心。在環規圓周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，獲得的測量數據見表1。根據數據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。半徑數據雷達圖如圖3所示。由圖3可以看出,由于觸發式測頭的三角特性,數據雷達圖呈現三角形式分布,明顯反映了觸發式測頭自身機械結構影響測量精度。

表1 補償前測量數據

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 補償前環規半徑數據雷達圖

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值的測量程序,再測量環規進行驗證。基于測量誤差補償數值，通過測量程序對環規再次進行測量，獲得的測量數據顯示環規半徑極大值為25.003 9 mm,極小值為24.995 8 mm,極差值為0.008 1 mm。補償后環規半徑數據雷達圖如圖4所示?？梢?對測頭進行XY平面內的矢量方向測量誤差補償,可以有效提高觸發式測頭的測量精度。

▲圖4 補償后環規半徑數據雷達圖

6 結束語

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