1 序言
大型零件精加工時，手動找正和測量主要依賴操作人員的技能水平，工序中如果將工件移到坐標測量機上檢測，會影響加工精度和生產效率。針對大型零件精加工存在的一系列問題，本文設計機床在線測量系統(tǒng)。機床在線測量系統(tǒng)通過自動修正偏置值，進行序中工件測量，提供過程反饋，減小不確定因素的影響，提高零件的定位精度和加工精度，減少生產輔助時間[1]。
2 組合機床在線測量系統(tǒng)的工作原理
組合機床在線測量系統(tǒng)工作時，首先導入零件CAD模型，選取檢測點，生成檢測程序，然后進行仿真校驗。當仿真校驗無誤后，工控機則通過機床通信接口，將檢測程序傳送給數控系統(tǒng)，而伺服系統(tǒng)驅動測頭按檢測路徑運動。當測頭接觸到零件后，會發(fā)出觸發(fā)信號，接收裝置接收信號，再傳給轉換器，經轉換器處理信號，傳給組合機床控制系統(tǒng)，機床停止運動，保存測點坐標[2]，然后進行下一點測量，重復以上過程。等所有點測量完畢，測點坐標經過通信接口，傳輸給工控機，工控機對檢測數據進行后續(xù)處理，生成檢測報告，如圖1所示。
圖1 組合機床在線測量系統(tǒng)工作原理
3 組合機床在線測量系統(tǒng)軟件設計
組合機床在線測量系統(tǒng)軟件包括測量模塊、數據處理模塊、調姿仿真模塊、數據管理模塊、接口管理模塊、系統(tǒng)設置模塊以及維護/診斷模塊。
?。?）測量模塊 測量模塊主要是用來連接激光跟蹤儀，設定相關的測量參數，標定并測量獲取目標點坐標。
?。?）數據處理模塊 數據處理模塊是整個軟件的核心，能夠根據激光跟蹤儀的測量數據計算出零件的初始姿態(tài)和目標姿態(tài)，實現(xiàn)坐標系轉換與統(tǒng)一、余量檢查與誤差分析、位姿變換與計算等算法。
?。?）調姿仿真模塊 調姿仿真模塊包括調姿過程離線仿真和實時仿真。離線仿真主要用于檢查調姿軌跡的正確性以避免干涉，同時能夠根據調姿機構和零件的動力學模型估算出調姿時間，從而合理安排調姿和加工工序。實時仿真即在線仿真需要在調姿過程中實時采集零件上的關鍵點坐標，并計算出其實時的姿態(tài)進行更新顯示，能夠使得調姿過程可視化，更容易受控。
（4）數據管理模塊 數據管理模塊能夠對調姿過程中涉及到的各類數據進行管理，包括激光跟蹤儀的測量數據、定位器的坐標及電動機的運行參數等。
（5）接口管理模塊 接口管理模塊用于管理與軟件相連接的其他軟硬件設備接口，主要包括與激光跟蹤儀的通信接口、與運動控制系統(tǒng)（數控系統(tǒng)）的通信接口以及數據/文檔向工廠信息化部和其他工位自動化設備的輸出接口。
（6）系統(tǒng)設置模塊 設置調節(jié)公差配置、用戶/訪問配置和其他按實際需要的配置。
?。?）維護/診斷模塊 組合機床發(fā)出警報，診斷模塊發(fā)出警報日志，進行機械元件（電路斷路器等）的診斷。
4 組合機床在線測量系統(tǒng)硬件組成
組合機床在線測量系統(tǒng)用配置西門子840DSolution Line數控系統(tǒng)的臥式鏜銑床作為執(zhí)行設備，在Windows XP professional操作系統(tǒng)下，以Visual Studio 2008和OpenGL 4.1為工具，進行二次開發(fā)，使機床能自動完成以下任務：檢查調姿軌跡的正確性，從而合理安排調姿和加工工序。用在機測頭找正工件的位置，編制在機測量程序并進行余量評估，執(zhí)行在機測量程序，測量數據分析和計算加工余量，編制加工程序，執(zhí)行加工程序，零件最終檢測，進行加工質量評價，滿足加工精度要求 則加工結束，工件下架；不能滿足加工精度要求時進行誤差分析。機床在線測量系統(tǒng)硬件組成如下所述。
?。?）臥式鏜銑床 臥式三坐標鏜銑床的切削功能為銑削、鉆削和鏜削，其工作原理為主軸端部銑刀的旋轉運動為主運動，工作臺（X軸）的橫向移動為進給運動，完成銑削加工。通過主軸端部刀具的旋轉運動為主運動，主軸進給軸（Z軸）縱向進給運動來實現(xiàn)連接孔的鉆削和鏜削加工。機床各軸都采用伺服電動機驅動，機床的導軌使用直線導軌（X軸使用滾柱直線導軌）。為了提高絲杠的剛性及定位精度，滾珠絲杠副的絲杠支承使用一組角接觸球軸承，裝配時絲杠可以進行有效的預拉伸。潤滑裝置采用集中定時定量供油，同時附有潤滑油收集通道。主軸傳動、主軸軸承和減速箱等都使用循環(huán)冷卻油冷卻，用來控制主軸溫升，確保主軸能保持較高的運行精度。
（2）數控系統(tǒng) 機床采用西門子840D Solution Line數控系統(tǒng)，驅動與數控的接口是數字量的，人機界面建立在Flex0s基礎上，閉環(huán)控制的所有軟件和硬件都集成在一起，便于監(jiān)控、編程和操作。通過SPL安全邏輯程序來執(zhí)行安全功能，同時也通過第二編碼器（光柵尺等）或伺服電動機編碼器作為安全編碼器，完成組合機床的伺服裝置電路連接、在機測量等狀態(tài)監(jiān)控。
?。?）伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)（servomechanism）又稱隨動系統(tǒng)，是使輸出的機械位移（或轉角）能夠準確地跟蹤輸入的位移（或轉角），來實現(xiàn)數控機床進給位置的伺服控制和主軸轉速（或位置）的伺服控制[3]的系統(tǒng)。
?。?）測量系統(tǒng) 測量系統(tǒng)由光學測頭、信號傳輸系統(tǒng)和數據采集系統(tǒng)等部分組成。Renishaw OMP60測頭采用調制光學傳輸，傳輸距離遠。OMI-2光學接收器抗光干擾能力強，可以安裝在臥式鏜銑床加工區(qū)域內，便于發(fā)送和接收測頭信號，實現(xiàn)工控機與測頭之間的通信。通過設置相關函數實現(xiàn)。
通信連接建立之后，根據加工要求再設置測量的相關參數，如環(huán)境參數、測量方式及數據采集（見圖2）頻率等。
圖2 數據采集
5 仿真功能
仿真模塊能夠直接讀入設計模型，包括機床的模型、調姿機構的模型和零件的模型，仿真碰撞檢查如圖3所示。由于模型比較大，為了提高讀取速度和改善仿真的流暢性，仿真模塊支持在不失真的前提下對源文件進行壓縮，使得占用硬盤和內存的所需空間大幅度減少。運行仿真功能是基于通用機床仿真平臺VCH2020實現(xiàn)的，內核采用C++編寫，具有運行速度快、占用內存低、渲染效率高和光照效果好等優(yōu)點。VCH2020提供了標準的基于MFC的OpenGL顯示環(huán)境，可以作為三維引擎完成實體顯示、光照渲染及三維交互等虛擬現(xiàn)實任務[4]。
圖3 仿真碰撞檢查
6 在機測量功能
通過編制測量宏程序來完成找正和余量評估，測量宏程序采用面向特征的數控編程模式，對同一類待測特征進行分類，將特征尺寸的大小、工藝參數等信息用變量來表示[5]。工件在線測量軌跡如圖4所示。
圖4 工件在線測量軌跡
程序為G65 P9814 D60 F1000 M100 A6 S6，測量直徑為60mm的圓孔，空行程測量速度為1000mm/min，測量速度為100mm/min，接近距離為6mm，搜索距離為6mm。
在機測頭能夠安裝在設計好的刀庫中，需要執(zhí)行在機測量任務時，能夠完成自動換刀，減少人工干預，提高效率和精度，零件在線測量如圖5所示。
圖5 零件在線測量
6 結束語
組合機床在線測量系統(tǒng)可用于序中測量和首件檢測，可以省去昂貴的夾具，避免手動和測量找正的不便。提高了生產力和批量產品尺寸的靈活性，降低了廢品率。
