该文介绍了在数控机床上用寻边器测量工件尺寸及形位公差，同时快速设定工件零点的方法。它的成功应用不仅为众多的中小企业充分利用数控机床的先进功能、节约购置专用检测设备的投入提供了经验，同时为一些特殊及相似零件的编程加工及检测打开了思路。 数控机床和三坐标测量机均是机电一体化的自动化机械，数控机床是将被加工对象进行数字化处理，然后利用数字信息进行控制，从而加工出合格产品。而三坐标测量机则是在已加工好的产品上，利用测头与工件型面接触测得一系列点的坐标值，进而计算出尺寸、形位误差值的测量设备，数控机床与三坐标测量机均是利用坐标轴的移动实现自身功能。基于这一共同点，该方法在不改变数控机床CNC控制系统的条件下，将数控机床原有的功能加以扩展，通过宏程序实现在数控机床上测量工件尺寸及形位公差等多项功能。考虑到篇幅所限，仅以当今应用范围最广泛的FANUC数控系统为例做说明。 一、硬件部分 寻边器上测头的基本功能是触发和瞄准。测头分为机械式、光电式、电气式三种。测头性能的好坏，决定着测量方式的难易、测量精度的高低。这次选用我国生产的应用极为广泛的硬线连接光电式测头，它属于接触式测头，为通用型球头测头，直径6mm，能测定高度、槽宽、孔径和轮廓形状等。 二、软件部分 1.FANUC系统中的宏程序 O0999;(宏程序名) N1; #1=54.0;(选择坐标系G54) #2=0.1;(塞尺厚度，可根据实际情况改变该数值) IF[#2 LT 0] GOTO2 IF[#2 GT 1] GOTO2;(若塞尺厚度大于1mm，小于0mm则程序跳转到N2，面板上显示报警信息) IF[#1 EQ 54] GOTO54;(选择G54零点偏置) IF[#1 EQ 55] GOTO55;(选择G55零点偏置) #3000=1(YOU INPUT ERR，INPUT 54-55);(机床报警) N2 #3000=2(YOU INPUT ERR，INPUT 0.0-1.0);(机床报警：提示输入错误，请输入正确的塞尺厚度0-1.0) N54 M3S60;(转换至手动状态，并沿水平方向缓慢移动产品，直至寻边器上的测头刚刚与孔壁(或者工件边沿)接触，此时寻边器上的指示灯会发光) M0 #501=#5021;(读取当前X1点的机床坐标值) M00;(转换至手动状态，启动主轴旋转，仅在水平方向缓慢移动产品，直至寻边器上的测头刚刚与孔壁接触) #502=#5021;(读取当前X2点的机床坐标值) #503=[#501+#502]/2;(计算工件水平方向中心点的坐标) #801=#5221;(记录G54零偏区中X方向的中心) #5221=#503;(将X方向中心点坐标赋值到G54零偏区中) M00;(如果工件是圆形的，则不移动机床;如果工件是矩形的，则转换至手动状态，启动主轴旋转;在竖直方向移动产品，直至寻边器上的测头刚刚与工件侧壁接触，如图2所示Y1点的位置) #504=#5022;(读取当前Y方向Y1点的机床坐标) M00;(仅在竖直方向缓慢移动产品，直至寻边器上的测头刚刚与孔壁(或者工件边沿)接触(水平方向不动)) #505=#5022;(读取当前Y方向Y2点的机床坐标) #506=[#504+#505]/2;(计算工件Y方向的中心) #802=#5222;(记录G54零偏区中Y轴的中心) #5222=#506;(设置G54零偏区中Y轴的中心) M00;(暂停，转换至手动状态，取下寻边器，将刀具装入主轴，移动刀具到刚好和塞尺接触的位置;准备测量该刀具Z轴零位) #508=#5023;(读取当前Z方向机床坐标) #509=#508-#2-#[11000+#4120];(计算Z轴零位)(注：#4120为当前主轴上刀具号，#11001、#11002、#11003……依次为1号刀的刀具长度补偿值，2号刀、3号刀……值为正，若刀具补偿内存形式是B类，则系统变量从#2001开始，同时此处11000可以改为2000) #803=#5223;(记录当前G54零偏区中Z轴的零点) #5223=#509;(设置当前G54零偏区中Z轴的零点) M00 #510=2*SQRT[[#5021-#5221]*[#5021-#5221]+[#5022-#5222]*[#5022-#5222]]+6;(计算工件直径尺寸) #511=ABS[#502-#501]-6;(计算工件长度尺寸) #512=ABS[#505-#504]-6;(计算工件宽度尺寸)(注意表达式中的数值“6”代表寻边器测头的直径) N100 #3006=1(D=#510 L=#511 W=#512);(在控制面板上显示工件直径(长度、宽度)各自所对应的变量名) GOTO 200 M00 N55 M3S60 M00;(以下G55的程序与上面相同，已省略) N200 M30;(程序结束) 三、数据处理的理论依据 1.计算中点坐标 假设坐标轴上AB两点坐标分别为(xA，yA，zA)、(xB，yB，zB)，根据坐标轴上两点间的距离、中点计算公式及圆的标准方程 (其中，圆心O点坐标为(a，b)，半径为r)可求得圆的半径尺寸和AB两点间的距离d= ，其中x=xA-xB;y=yA-yB;z=zA–zB，中点的坐标随之求得。 2.计算误差 如果要检查产品的形状及位置公差，依据的原则为最小条件及最小二乘法。就是利用离散采样数据点的集合，将一定的数学模型进行计算以获得测量结果的过程。由于应用本测量方法测得的值均为一些要素表面离散点的坐标，因此要测出需要的几何元素误差值，还要进行相应的数学推导。对于形位误差的测量，只需用增加工件上的几个测量点，即可完成产品的直线度、圆度、同轴度等检测项目。测量精度可以达到0.003mm，较常规检测更为xx。下面以测量图1中孔轴线的直线度为例做简要说明(公式推导过程省略)。 (1) 将该直线方程化为一般式： ax+b-y=0 (2) 然后，求得各个测量点到该最小二乘线的距离： (3) 3.应用实例 如图1所示，设待测公差项目是孔轴线的直线度，公差为0.005mm。先将孔沿轴向划分为N个截面(本例取N=4)，测得每一截面上孔内表面上任意三个点的坐标，如表1所示。根据数学定理：不在同一条直线上的三点确定一个圆，可求得各截面圆对应的孔中心坐标，将此N个孔中心的坐标xi、yi代入式公式(1)，拟合最小二乘直线y=ax+b，再将各圆心点的坐标代入式(3)，可求出各个孔的中心点到该直线的距离;误差值为2dmax。 此为任意方向上孔的直线度误差：计算结果Δ=2dmax=0.0082mm。该数值大于设定的公差值0.005mm，因此该检测项目不合格。 表 寻边器测量孔内4个截面上任意三点的坐标值
图1 实例零件图 图2、图3中红色粗实线代表工件轮廓，黑色细实线小圆圈代表寻边器上测头的不同位置。以水平方向作为X轴方向，以竖直方向作为Y轴方向设定坐标系。按照宏程序中的说明，先将寻边器装入主轴，使主轴低速(一般取60～80r/min)旋转，然后转换至JOG方式，找到X1点的坐标，然后依次是X2点、Y1点和Y2点，注意矩形工件与圆形工件在Y1点的位置选择上有区别(图2、图3)，其余操作相同，可在20s之内让系统自动记录并在指定的零点偏置区(G54或G55等)中输入工件(X、Y轴)中心点坐标和Z轴的零点。如果是FANUC系统的机床，则会显示出圆形工件的直径(和矩形工件的长度、宽度)所对应的参数号：#510、#511、#512等，这些变量对应的数值保存在OFFSET界面下。查看时先按功能【OFFSET SETTING】键，按下继续菜单键，再按章节选择软键[MACRO](宏)，用翻页键或数值键及软键[NO.SRH](NO.搜索)选择参数号，即可显示每一个参数所对应的具体数值。如果是在SIEMENS系统的机床上，则会直接在控制面板上显示出圆形工件的直径(和矩形工件的长度、宽度)尺寸。
图2 圆形工件
图3 矩形工件 四、结束语 该方法利用机电一体化的自动化机械和全数字化控制手段，将寻边器的测头与工件型面接触得到一系列坐标点，通过函数运算进而计算出工件尺寸，从而开发了数控机床的辅助测量功能，大大减少了停机检测尺寸、反复装夹产品等辅助时间，{zd0}限度地提高了工作效率;同时也避免了由于人为计算及手工输入数据过程中可能出现的错误情况，有效地保证了产品的校正和加工精度的准确性、可靠性、高效性。尽管如此，上述方法仍有诸多不足，这里仅提出个人的一点经验，希望与广大读者进行交流。 |
