一种简易的数控机床圆度误差在线测量系统

2015-12-31邓宇锋

机械工程与自动化 2015年3期

蒋峰，邓宇锋，2

（1.江苏信息职业技术学院机电工程系，江苏无锡 214153；2.江南大学机械工程学院，江苏无锡 214153）

0 引言

圆度误差是机械零部件的一项重要参数，它是指回转体的同一正截面上实际轮廓对理想圆的变动量。机械零部件回转表面轮廓的圆度误差对机器的功能有直接的影响，它是高精度回转体零件的一项重要精度指标，因此对其测量是一个重要、复杂的工作。目前主要采用圆度仪和三坐标测量仪对圆度误差进行测量［1－3］，而它们的价格都非常昂贵，一般企业较少购买。随着数控技术和检测技术联系的不断紧密，数控机床在线检测技术的研究越来越受到人们的重视，它为数控加工过程中的零件检测提供了一套行之有效的方法。本文在过去研究成果的基础上，通过开发数控系统的宏程序，编制相应的测量及数据处理程序，并借助于寻边器，实现零件圆度误差的在线测量，可以降低测量成本，避免重复装夹引起的误差，提高数控机床的使用效率。

1 在线测量系统构建

图1为由机床本体、数控系统、伺服系统、PC、测头、系统接口和工件组成的数控机床在线测量系统［4］。其工作过程如下：由PC首先生成测量程序，并将测量程序通过接口传输至数控机床，进而驱动伺服系统工作部件，使测头、工件按照测量程序产生运动；其次，测头对工件进行测量时发出触发信号，该信号通过系统专用接口转换为数控系统可以识别的信号，数控系统记录此时测点的坐标，同时按程序执行下一步测量动作；最后，在PC控制下，对测量数据进行计算、补偿、显示等处理，直至全部测量工作结束。

图1 数控机床在线测量系统

本文采用数控系统宏程序与加工中心相结合，构建圆度误差在线检测系统，其结构如图2所示。它由机床本体、数控系统、伺服系统、寻边器和工件五部分组成。该测量系统与一般的在线测量系统比较，省去了系统接口、计算机，简化了测量装置，将由计算机完成的测量程序生成、测量数据处理、结果显示等任务完全由数控系统来完成。同时该系统不需要采用专用检测设备，只需由寻边器代替测头，而寻边器是数控机床上常用的对刀工具，成本低廉且简单、易用。通常，光电寻边器装在机床主轴上，由于其柄部和触头之间存在一个电位差，当触头与金属工件接触时形成回路，此时寻边器上的发光二极管即被点亮。通过降低机床步进量，使触头与被测工件处于极限接触，即进一步点亮，退一步熄灭，则认为定位到工件表面。因此，采用寻边器的触头与被测工件表面接触得到的一系列坐标点，通过函数运算进而得到被测的几何元素，从而开发数控机床的辅助测量等功能。

2 圆度误差计算方法

国家机械工业委员会规定了圆度误差值的基本评定方法为最小区域法，并指出了最小二乘圆法、最小外接圆法和最大内接圆法等几类常见近似评定方法［5－7］。本测量采用最小二乘圆法，该方法是以被测实际轮廓的最小二乘圆作为理想圆，其最小二乘圆圆心至轮廓的最大距离之差即为圆度误差。

图2 圆度误差在线测量系统组成

图3为被测零件的轮廓形状。o′点为测量中心，pi为第i个采样点，ri为点pi的半径。o为最小二乘圆圆心，坐标为（a，b），R为最小二乘圆半径。e为偏心距，φ为偏心起始角。θi为pi点与起始点的夹角，εi为pi点至最小二乘圆的径向距离。

图3 最小二乘圆法

由Δo′opi可得：

e≪R，且｜sin（θi－φ）｜≤1，故式（1）可近似为：

根据最小二乘法原理可知：

满足式（3）的条件为：

解方程组（4）得：

利用数控系统编程计算时，对采样数据按照图4所示流程进行处理，可以得出最小二乘圆法的圆度误差。

3 测量宏程序的编制

3.1 FANUC用户宏程序

通常数控指令是指国际标准化组织代码指令，指令的功能是固定不变的，比如G01为直线插补、G02为圆弧插补等。这些指令是由数控系统生产厂家开发，用户只需按照规定格式使用。但这些指令有时候满足不了使用者的需求，因此系统厂家提供了用户宏程序功能，用户可以在一定范围对数控系统功能进行扩展。

图4 测量数据处理流程图

使用用户宏程序时，数值可以以“＃”加变量号的变量形式表示，如＃1。根据变量的功能，宏变量可分为以下4类：空变量值为空，不能赋值；局部变量是在各宏程序中独立使用的变量，用于存储运算结果、代入调用宏程序的自变量等；公共变量是在多个宏程序中共同使用的变量；系统变量用于读、写当前位置、刀具补偿量等CNC系统信息的变量。其中某些系统变量只能读，如当前位置的信息，如表1所示。

表1 位置信息的系统变量

宏程序具有灵活性、通用性和智能性等特点，它注重机床功能参数与编程语言的结合，而且灵活的参数设置也使机床具有最佳的工作性能。

3.2 测量宏程序的编制

参数说明如下：＃2：寻边器测头的半径；＃3：被测圆的半径；＃6：最大值；＃7：最小值；＃800：圆度误差值；＃501～＃523：被测点X坐标；＃502～＃524：被测点Y坐标；＃600和＃601：最小二乘圆心坐标；＃701～＃723：被测点距圆心距离。

程序如下：

4 实验验证

实验采用VMC600加工中心，配备FANUC 0i－MC数控系统，寻边器采用HARDY生产的LR-20A光电式寻边器，被测圆的直径为30mm。程序在自动运行过程中若出现暂停，应切换至手轮操作，同时启动主轴，进行数据采集，采样点必须均匀分布，并且采样顺序从第一象限开始，按照逆时针方向。采样结束后，按“程序启动”按钮，直至程序运行结束。图5为测量结果。经过数据处理后，得到的圆度误差值为＃800＝0.017 591mm。可以发现，被测圆上各点的坐标值、中间运算结果和最终圆度误差值都可以从数控系统提供的显示页面上直接读出。FANUC 0i-MC数控系统可以按以下操作得到这些页面：［OFS/SET］—［＋］—［宏变量］—输入参数号—［搜索］。

实验结果与三坐标测量仪测量结果（如图6所示）进行比较。结果表明，该测量系统在精度上完全可以代替三坐标测量仪完成圆度误差测量（三坐标测量结果为0.0175mm）。