哈爾濱中天數(shù)控工具有限責任公司
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摘 要：眾所周時，當今制造業(yè)正朝智能制造進行轉(zhuǎn)型升級，智能制造過程中的自感知功能很大部分是通過在線檢測來實現(xiàn)的。在制造過程中引入在線檢測能大大提高零件的生產(chǎn)效率和精度。通過研究某五軸數(shù)控加工中心中的HEIDENHAIN ITNC530 數(shù)控系統(tǒng)，搭建了機床的探測功能；對該系統(tǒng)的 TCH PROBE411 探測循環(huán)的工作原理和執(zhí)行過程進行了深入研究，進而實現(xiàn)在制造過程的自動對刀和加工原點精確修正功能，大大縮短了零件的加工輔助時間，降低勞動強度，提高加工效率。
關(guān)鍵詞：智能制造；在線檢測；探測循環(huán)；原理；效率
1 、在線檢測技術(shù)
在線檢測指的是在數(shù)控加工中心上安裝觸發(fā)式測頭，測頭在刀庫中占據(jù)一個特殊的刀具號，測頭工作時不需要主軸旋轉(zhuǎn)；在進行檢測工作時，換刀機械手將刀庫里的測頭安裝至加工中心主軸上；然后按相應(yīng)的檢測程序進行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，進而判斷加工精度，從而決定是否進一步加工工件。
在線檢測技術(shù)把加工過程與檢測過程高效地結(jié)合起來，在加工復雜空間曲面的產(chǎn)品時有明顯的優(yōu)勢，它自由度大，避免了對工件多次裝夾造成的誤差，縮短制造周期，降低生產(chǎn)成本，同時能夠?qū)庸み^程給予精確的指導，所以在氣缸、葉片、整體葉輪以及螺旋槳等這類結(jié)構(gòu)復雜且為空間曲面的零件加工上有重要的研究意義。
因此，基于數(shù)控加工中心的在線檢測技術(shù)得到迅速的發(fā)展，越來越多的專家學者進行了深入研究。
在線檢測相對于離線測量的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：工件的加工和測量都在機床上完成，節(jié)省了工件的拆卸和裝夾時間，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期；減少貴重的離線測量設(shè)備（如三坐標測量儀）的使用，節(jié)約生產(chǎn)成本；避免因?qū)⒐ぜ蓹C床轉(zhuǎn)移至離線測量設(shè)備時產(chǎn)生的裝夾誤差，從而提高加工精度；加工檢測一體化，能增強操作員信心，進而實現(xiàn)無人加工。
數(shù)控加工中心在線檢測技術(shù)發(fā)展的趨勢主要表現(xiàn)在智能化、人性化；開放式、網(wǎng)絡(luò)化；技術(shù)標準化、規(guī)范化。在五軸數(shù)控加工中心采用探測功能，可以將工件的位置快速地確定下來，并設(shè)定好坐標系。
在檢測工件尺寸的同時，還會根據(jù)測量的數(shù)據(jù)結(jié)果對刀偏量自動地修正。此外，在線自動檢測技術(shù)可以設(shè)定夾具和旋轉(zhuǎn)軸，而且在進行柔性加工中確認工件以及夾具。其主要功能包括：自動修正加工坐標系；能在數(shù)控加工程序中嵌入測量程序；減低夾具的消耗；實現(xiàn)良好的過程控制，提高安全性。
2 、五軸數(shù)控加工中心探測功能搭建
研究的是基于 DMU60MONOBLOCK 五軸數(shù)控加工中心中的 HEIDENHAINITNC530 數(shù)控系統(tǒng)，使用的是 HEIDENHAIN460三維觸發(fā)式光電測頭。搭建改系統(tǒng)的探測功能，首先要標定探頭的長度和半徑，然后對已加工零件進行尺寸檢測、找正、標定以及對刀修正等。
標定探頭的長度和半徑時，首先先在光電測頭安裝 3.6V 的電池；探頭內(nèi)的工作模式選擇 3（自動模式）；在數(shù)控系統(tǒng)刀具表中定義探頭刀具時，應(yīng)在 PLC 參數(shù)設(shè)置為：%00010000，代表該刀具為探頭；同時應(yīng)將 B 和 C 軸復位；啟動探頭功能指令 M27（機床快速移動速度降低）。標定探頭長度時首先用 50mm 高的標準量塊找正主軸端面與機床工作臺之間的距離，使它們之間的距離剛好為 50mm，此時將機床該位置設(shè)為 Z0；然后安裝上探頭，在數(shù)控系統(tǒng)中手動/探測功能/標定 L/循環(huán)啟動，則探頭的探測量塊上表面，則系統(tǒng)能直接顯示探頭的高度原理，如圖1 所示。
圖 1 探頭長度測量原理
如圖 2（a）和 2（b）所示，由于探針的紅寶石觸頭在檢測觸碰時，觸頭會受力，使得探針產(chǎn)生一定角度的傾斜，所以實際工作時的有效半徑將不是觸頭的實際半徑，因此需要測量出探頭檢測時的有效直徑。檢測時，首先安裝標準環(huán)規(guī) 49.998mm，然后將探頭在手輪模式下移動至環(huán)規(guī)的圓環(huán)內(nèi)部，紅寶石觸頭的位置要求是在環(huán)規(guī)上表面以下；然后在手動模式下啟動探測功能，先輸入環(huán)規(guī) R 值 2，按循環(huán)啟動，探頭則能分別朝+X/-X/+Y/-Y 四個方向進行檢測；檢測完后，選擇軟件/旋轉(zhuǎn) 180，探頭則再次朝+X/-X/+Y/-Y 四個方向進行檢測，然后系統(tǒng)自動計算出有效半徑 R 值。如圖 2（c）所示，探頭初始位置是在 O 點，移動過程是依次點 o→點1→點 o→點 2→點 o→點 3→-點 o→點 4-→點 o。
由此可測量出a\b\c\d 四個直線的距離，由此可以構(gòu)建 R 探（探頭有效半徑）的計算模型，如式（1）——式（6）所示。
圖 2 標定探頭半徑 R
3 、探測功能及應(yīng)用研究
3.1 探測功能
HEIDENHAIN ITNC530 數(shù)控系統(tǒng)中的探測功能，如表 1 所示。共 10 項，能實現(xiàn)多種模式的測量和標定，大大提高零件的測量和加工效率。在移動探頭時應(yīng)在手輪模式下，以保證安全；在輸入檢測值時，應(yīng)先選擇設(shè)為原點，鍵入預(yù)設(shè)表，則系統(tǒng)將該位置設(shè)為加工原點，同時將原點參數(shù)（對刀參數(shù)）存儲在預(yù)設(shè)表的 0 號位置；然后選擇要用的預(yù)設(shè)號/啟用預(yù)設(shè)，則能把 0 號位的預(yù)設(shè)值參數(shù)復制到相應(yīng)的預(yù)設(shè)號中。
表 1 探測功能
3.2 通用參數(shù)
為使探頭擁有更廣范的應(yīng)用，應(yīng)提前完成探測循環(huán)通用參數(shù)的設(shè)置，以保證探頭的正確、安全使用，通用參數(shù)內(nèi)容及注釋如表 2 所示。
表 2 通用參數(shù)
3.3 探測循環(huán)
- - TCH P ROBE411如圖 3（a）所示，探測循環(huán) 411（TCH PROBE411）能實現(xiàn)加工原點的偏置，同時也能對加工原點的位置進行精確修正，也可以用于確定矩形凸臺的中心并將其定義為原點。如果需要的話，TNC 也可以將坐標輸入到原點表或預(yù)定表中。TNC 將按照 MP6150 或MP6361 的設(shè)置值快速移動定位，將測頭定位在編程起點位置 1處。TNC 將執(zhí)行循環(huán)中數(shù)據(jù)和 MP6140 的安全高度數(shù)據(jù)計算探測起點；然后測頭運動到所輸入的測量高度處并以探測進給速率（MP6120 或 MP6360）探測第一觸點；然后將測頭沿近軸運在測量高度處或下一起點 2 的間隔高度處并探測第二觸點；然后 TNC將測頭定位在起點 3 位置處，再定位在起點 4 位置處，探測第三和第四觸點；最后 TNC 再將測頭移回間隔高度處并處理根據(jù)循環(huán)參數(shù) Q303 和 Q305 所確定的原點。TCHPROBE411 循環(huán)各參數(shù)的圖解，如圖 3 所示。
探測循環(huán) 411 參數(shù)，如表 3 所示。在圖 3（a）中，若在尺寸為 110×129×50 的長方體毛坯上，執(zhí)行將加工原點由位置 1 轉(zhuǎn)移至位置 2。首先在手動模式下，選擇探測功能/測量 POS/X+、Y+、Z-，分別探測毛坯的左側(cè)、前側(cè)和上表面，將工件的上表面左下方的位置 1 設(shè)置為加工原點，并激活；然后執(zhí)行表 3 中的“TCH PROBE411”循環(huán)和相關(guān)參數(shù)，則能實現(xiàn)將點 2（毛坯上表面中心）設(shè)為原點，并將原點的對刀參數(shù)存儲在設(shè)表中的 3 號位置處；激活預(yù)設(shè)表中的 3 號位置，則完成加工原點轉(zhuǎn)移設(shè)置
“TCH PROBE411”同時也可以進行加工坐標系原點的修正，進行精確定位。首先在目測模式下將探頭移動至矩形毛坯上表面的中心附件（盡量接近，但不要接觸）；然后將當前位置設(shè)為加工原點并激活；然后基于該原點執(zhí)行“TCH PROBE411”循環(huán)，此時“TCH PROBE411”循環(huán)中 Q321、Q322 應(yīng)設(shè)置為 0。為避免測頭和工件發(fā)生碰撞，輸入 Q323
和 Q324 參數(shù)時，可輸入較大的估計值；循環(huán)定義前必須編程一個刀具調(diào)用功能以定義探測軸。
圖 3 探測循環(huán) 411
表 3 探測循環(huán) 411 參數(shù)
4 、小結(jié)
介紹了基于 HEIDENHAIN ITNC530 數(shù)控系統(tǒng)的 DMU60M-ONOBLOCK 五軸聯(lián)動加工中心的自動對刀的和在線檢測功能。通過系統(tǒng)的“探測功能”能實現(xiàn)自動對刀，同時通過“TCHPROBE411”循環(huán)能將實現(xiàn)加工原點的智能轉(zhuǎn)換和修正，從而大大提高生產(chǎn)制造效率并減輕勞動強度。在執(zhí)行“TCH PROBE411”循環(huán)時為避免測頭和工件發(fā)生碰撞，輸入第 1 和第 2 邊長度較大的估計值；循環(huán)定義前，必須編程一個刀具調(diào)用功能以定義探測軸。
“探測功能”輸入?yún)?shù)時，應(yīng)先選擇設(shè)為原點，鍵入預(yù)設(shè)表；改變預(yù)設(shè)，啟用預(yù)設(shè)則能把 0 號預(yù)設(shè)復制到其它序號的預(yù)設(shè)表中。在加工零件的加工制造過程中引進在線檢測功能，不但省時省力，而且還提高了加工效率，具有廣泛的應(yīng)用價值。目前高效、精密制造研究的關(guān)鍵技術(shù)之一就是在數(shù)控機床上對工件進行在線檢測。
文自：北京電子科技職 汽車工程學院 首都航天機械
