数控机床在线测量大直径技术研究

2012-07-14杨杰斌陈世超

中国测试 2012年4期

朱沙，杨杰斌，陈世超，薛靓

（中国测试技术研究院，四川成都 610021）

0 引言

大型机械加工过程中的重要课题之一就是如何提高大尺寸的测量精度。一般认为大直径指大于500 mm的直径，如轧钢中的轧辊、重型机械和装备中大型的发电机组主轴、大型汽轮机主轴等尺寸达十几米。大直径测量存在于诸多生产工作中，但快速、准确的测量，特别是在线测量尚未完全实现。

工件的大直径精确测量是最近十年来研究的热点。文献[1-2]介绍了在圆周上作“标记法”测量大直径的方法，被测表面上安置带有强磁力座的薄形金属片（标记器），使得标记转到光电传感器处时，接收管产生光电脉冲信号，但该方法受工件转速精度和标记器大小的影响。文献[3]介绍了在专门设立的V型平台上，采用光学显微镜头、CCD摄像机和LED背景光源组件视觉系统，基于视觉检测技术实现高精度测量，实际上是一种非在线测量圆直径的方法。文献[4]总结了部分现有直径间接测量方法原理和主要的误差因素。文献[5]详述了激光源、摄像机、运动导轨、计算机和标定块组成的激光双目视觉测量系统，根据摄像机摄取的激光曲线图像，求解出圆柱体截面边界线的空间曲线方程，获取圆柱体在该截面处的直径参数的方法。该方法需要专用的装置，装置费用高。激光跟踪仪也可用于工件的圆直径的检测，但耗费时间较长，操作较为烦琐，需要有合适的空间使其激光能跟踪到测量点。总体来说“标记法”属于在线测量方法，但是“标记”方法对测量精度影响较大；近年来流行的视觉测量方法为非接触测量方法，但构成复杂，操作也相对复杂，价格昂贵。

综合上述因素本文提出了一种基于基点高差法的激光大直径测量系统，该系统专为解决数控机床的大直径在线测量而设计，具有与机床加工融合为一体，操作简单、快捷，精度高等优点。

1 基点高差法的激光测量方案

图1 机床系统

机床系统如图1所示，加工件位于主轴回转中心，与机床导轨一起构成了机床加工运动的空间坐标体系。主轴的回转中心应与机床导轨平行。

对于工件小直径（＜500mm）的测量，有很多方法可以实现，例如常规的外径千分尺，测量准确度可达0.01mm，小直径记为r。

对于大直径的工件测量，先选取直径较小的部位作为基准部位，使用外径千分尺测量其直径。

工件吊装到机床后，旋转工件，开动刀头架，使激光对准选取的基准部位，启动程序采集多个旋转周期内的多个测量距离，经处理后得到基准距离值，使用单点激光的测量精度为微米级。

将刀头架移动到需测量的大直径处，则有：

式中：R——被测量的工件直径；

L——激光到旋转加工件基准部位的距离；

H——测量激光到旋转加工件大直径处的距离；

r——工件小直径处的直径。

该方法根据机床加工的实际过程，巧妙利用机床直线性运动，小直径测量的方便快捷和准确性，工件旋转的周期变动性，激光测距的准确性，实现了大直径加工件的在线精密测量。

激光可直接装在一把经改造过的刀具上，装卡过程不到10s，或者固定安装在刀头架上，整个测量过程不到30s，最优测量准确度达到0.02mm。

2 测量误差的来源与分析

2.1 数控机床

2.1.1 回转主轴与导轨不平行和角度的影响

机床导轨与加工件回转主轴之间组成了一个空间坐标，回转主轴与导轨可能存在不平行和角度。不平行和角度对加工件的影响是不同的，若机床导轨与主轴回转轴线在水平面内有平行度误差，加工出的圆柱面就会产生锥度；若在垂直面内有平行度误差，则圆柱面成双曲线回转体，如图2所示。

图2 机床回转主轴与导轨不平行及角度对加工件的影响示意图

这两者影响到加工件本身，需要对机床系统自身进行调整，是机床不允许出现的状况，此时不能得到正确的测量数据。

2.1.2 主轴回转误差的影响

机床主轴回转存在径向跳动、轴向窜动、角度摆动对测量引入的误差。径向跳动是实际回转轴线平行于理想回转轴线，在一个平面内作等幅的跳动，这个跳动可以达到0.1mm，对直径测量带来影响，必须设法减小影响，可以采用数据处理的方法来克服径向跳动的影响；轴向窜动是实际回转轴线沿理想回转轴线在轴向方向的窜动，如果测量段直径不变，测量影响很小；角度摆动是实际回转轴线与理想回转轴线成一倾角，在一个平面上作摆动，影响到加工件的圆柱度，对该直径测量方法无影响[6-7]。