一種五軸數控加工中心在線檢測關鍵技術研究

劉愛軍

(泰州技師學院，江蘇 泰州 225300)

1 五軸數控加工中心在線檢測作業原理

選取五軸數控加工中心的數控系統HEIDENHAI-NITNC530作為工件加工控制工具，利用觸發式光電探測頭HEIDENHAIN460展開在線檢測[1]。探頭長度的標定需要運用高度為50 mm標準量塊作為輔助材料，確定機床工作臺與正主軸端面之間的距離，控制50 mm，而后，安裝探頭，開啟在線檢測作業模式[2]。圖1為在線檢測作業原理圖。

檢測作業期間，探頭觸碰工件受力，探測頭的角度會發生一定變化，偏離原位置，因此檢測到的位置不是工件實際位置。循環啟動探測作業，沿著+X、-X、+Y、-Y 4個方向展開檢測，而后探頭旋轉180°，再次沿著+X、-X、+Y、-Y 4個方向展開檢測，運行系統得到半徑R有效值，根據計算結果，確定工件是否達到加工標準。由于作業期間出現了原點偏差問題，所以需要重點討論修正原點的方法。

圖1 五軸數控加工中心在線檢測作業原理圖Fig.1 Working principle of online testing of 5-axis numerical machining center

2 五軸數控加工中心在線檢測技術的開發

2.1 在線檢測探頭作業功能開發

為了實現不同模式下的工件檢測及指標數值標定，設置了數控系統HEIDENHAIN ITNC530的檢測期間探頭作業功能，如表1所示。

表1 檢測期間探頭作業功能Tab.1 Function of detection head during testing

設定系統加工原點，選取預設表0位置作為原點參數存儲位置，根據檢測需求選取預設號，開啟作業模式。在此期間，預設號中將賦予0號預設值。

2.2 技術參數設置

按照在線檢測探頭功能開發方法，合理設定各個技術參數，以滿足在線檢測探頭作業要求，獲取較為精準的檢測結果。表2所示為技術參數設置方案。

表2 技術參數設置Tab.2 Setting of technical parameter

表1中，MP6151參數用“1”和“0”賦值決定是否開啟快速運動定位模式。其中，“1”代表開啟快速運動定位模式，以運用定位測頭采集運動速率數值，獲取快速運動定位信息；“0”代表不開啟定位模式，執行MP6150參數進給速度。

2.3 循環檢測技術開發

考慮到五軸數控加工中心檢測期間可能受到外界因素干擾，導致檢測結果與實際數值出現偏差[3]。其中，原點位置偏差問題較為嚴重，故而提出一種循環檢測技術。運用探測循環TCH PROBE411完成加工原點偏置處理，使加工原點位置得以修正[4]。偏置原點的布設如圖2所示。

圖2 偏置原點Fig.2 Polarization original point

2.3.1 循環檢測技術流程

根據檢測需求，設定TNC的輸入端，包括預定表、原點表兩個選項，快速移動定位也分為兩個選項，即MP6361、MP6150。設定編程起點位置1為檢測點探頭定位處。根據設定的技術參數數值，結合安全高度數據，計算在線檢測坐標數據，從而確定探頭檢測的起點。探頭按照檢測作業規定移動至檢測高度處，按照進給速率作業，完成第一觸點的檢測任務。而后沿進軸運動，檢測下一起點2間隔高度處，完成第二觸點的檢測任務。檢測起點3、起點4位置處的第三觸點、第四觸點，而后開啟下一次循環檢測，其中，返回的檢測原點由參數Q305和參數Q303決定。返回原點決定了檢測結果精準度，為了提高檢測精度，必須修正坐標原點。

2.3.2 坐標原點修正處理

通過對五軸數控加工中心坐標原點采取修正處理，從而提高定位精度，為操控人員提供高精度在線檢測結果。其中，坐標原點修正采用探測循環方式，執行TCH PROBE411循環操作命令。第一步，通過目測觀察檢測探頭所處位置，將其移動至矩形毛坯上表面設定的中心附件位置[5]。第二步，將加工原點設置為探頭當前所處位置，激活設備。第三步，執行TCH PROBE411循環操作命令。其中，參數Q322和Q321參數均設置為0。考慮到設備作業期間可能出現工件與探測頭碰撞情況，估計參數Q324和參數Q323數值，以最大值作為輸入量。關于循環操作中探測軸的定義，為五軸數控刀具調用功能加以程序控制得以完成[6]。以下為基于循環檢測技術的坐標系原點修正方案：

一是修正參數Q321=+55，定義為點2對應的X坐標值，用來描述沿著X方向，凸臺中心的絕對坐標值。二是修正參數Q322=+65，定義為點2對應的Y坐標值，用來描述Y方向，凸臺中心的絕對坐標值。三是修正參數Q261=-12，定義為沿著Z軸方向的檢測期間探頭高度，用于描述探測軸球頭中心的坐標值。四是修正參數Q323=+110，定義為沿著X向的毛坯長度，用來描述沿著X方向的矩形凸臺增量值。五是修正參數Q324=+128，定義為沿著Y向的毛坯寬度，用來描述沿著Y方向的矩形凸臺增量值。六是修正參數Q260=+50，定義為間隔高度，該參數的數值為50，用來描述間隔高度的絕對值，避免工件與刀具發生碰撞條件下的坐標值，該數值沿著探測軸方向。七是修正參數Q320=+10，定義為檢測探頭作業期間的安全距離，賦值10，用來描述球頭與檢測點之間的附加距離，該項參數數值將與MP6140累加。八是修正參數Q305=+3，定義為刀具參數存儲位置，布設在預設表位置3，用來描述預設表位置序號，為了調整原點位置，使其轉移至凸臺中心，為參數賦值0，此時TNC自動完成設置，調整原點位置。九是修正參數Q301=+1，定義為兩個檢測點之間的運動高度，用來描述檢測點的運動方式。“1”為間隔高度處運動，“0”代表檢測高度處運動。十是修正參數Q332=+0，定義為新原點Y軸參數，賦值0，用來描述輔助軸2坐標，設置為0。十一是修正參數Q331=+0，定義為新原點X軸參數，賦值0，用來描述輔助軸1坐標，設置為0。十二是修正參數Q331=+1，定義為檢測Z軸，用來描述檢測Z軸原點的設置決策，如果賦值“1”，則設置此原點，如果賦值“0”，則不設置此原點。十三是修正參數Q303=+1，定義為檢測值轉移，用來描述原點管理方法，包括“保存在預設表中”“保存在原表中”兩種情況。“1”代表保存在預設表中，“0”代表以當前工件坐標系統作為原點參考系統，“-1”代表保存在原表中。十四是修正參數Q383=+65，定義為檢測Z軸期間檢測點Y軸坐標數值，用來描述沿著Z軸方向檢測期間，Y軸坐標變換數值(以激活后的坐標系為準)。十五是修正參數Q382=+55，定義為檢測Z軸期間檢測點X軸坐標數值，用來描述沿著Z軸方向檢測期間，X軸坐標變換數值(以激活后的坐標系為準)。十六是修正參數Q382=0，定義為Z軸參數的設置(新原點)，賦值0，用來描述原點探測坐標，一般情況下設置為0。十七是修正參數Q384=+0，定義為檢測Z軸期間檢測點Z軸坐標數值，以該點作為檢測軸原點(當Q381=1時有效)。

3 測試分析

3.1 測試內容與方法

分別對6個不同工件質量進行檢測，設定6個檢測點位，運用在線檢測方案分別采集各個點位X軸、Y軸、Z軸數值，將此部分數據與點位實際坐標軸數據進行對比，獲取定位偏差統計結果。如果點位偏差控制在2 mm以內，則認為在線檢測方案定位精度達到檢測標準。

工件質量檢測運用HEIDENHAINITNC530系統計算工件各項參數，與加工標準進行比對，判斷當前檢測工件是否達到質量標準。該結果將與實際質檢情況進行比較，判斷結果。本次檢測隨機抽取6個工件作為檢測對象，如果6個工件的檢測結果與實際檢測結果相符，則認為設計的在線檢測方案符合五軸數控加工中心作業需求。

3.2 測試結果分析

按照上述測試方法，分別對檢測點坐標定位偏差、工件質量檢測準確性進行測試，整理數據結果見表3和表4。

表3 檢測點坐標定位偏差 單位：mm

表3中，除了點C 和點D的坐標定位中Z軸、Y軸分別出現了1 mm偏差，其他點未出現定位偏差。由此判斷，在線檢測方案符合測點定位精度要求。

表4 工件質量檢測準確性Tab.4 Accuracy of workpiece quality testing

表4中，6種工件質量檢測結果與實際結果相符，因此，該在線檢測方案能夠作為工件質量檢測輔助工具。

4 結語

選取五軸數控加工中心的數控系統HEIDENHAINITNC530作為工件加工控制工具，提出了一種系統在線作業檢測方法。該方法主要運用探頭采集坐標位置信息，統計各個位置信息，得到工件各個部位半徑參數，從而判斷工件是否需要進一步加工。該方法增加了原點偏差修正處理，測試結果顯示，點位測定偏差較小，控制在1 mm以內，工件質量檢測結果與實際情況相符。