基于机床装夹工件的自动校准系统设计

吴国明，李进东，徐凤，陈鹏，蔡春堂

（四川职业技术学院，四川 遂宁 629000)

机床装夹工件主要用于机械加工过程中固定工件在机床上的位置，确保工件在机械加工时的稳定性，进而提高机械加工精度。在机床装夹工件定位、夹紧过程中，必然会产生一定程度上的位置偏差，因此，需要通过自动校准系统确保工件定位的精度。在我国，常用的基于机床装夹工件的自动校准系统包括：数字万用自动校准系统以及通信综合测试仪自动校准系统，但在实际应用过程中由于一种校准系统所适用的工件型号十分有限，无法通用于所有型号的机床装夹工件，导致自动校准普遍存在很大局限性，且校准精度不足。MET/CAL自动校准系统的不足之处在于价格过于昂贵，并且在实际应用过程中需要相应的调试才能操作，在我国适用性不强。基于此，本文提出基于机床装夹工件的自动校准系统设计，通过设计一种新型基于机床装夹工件的自动校准系统，致力于实现对自动校准系统在校准精度方面的优化设计。

1 基于机床装夹工件的自动校准系统硬件设计

1.1 USB 接口

在系统硬件部分，设计USB接口。通过USB接口读取计算机设备的自动校准代码，将代码烧写到符合总线接口的带电可擦可编程只读存储器中，并连接到USB接口的对应引脚上。USB接口枚举的过程中，在串行接口引擎的作用下，可以自动完成枚举。对相位满足离散Hilbert变换的初始化处理只需要对等待状态的寄存器设置相应参数，从而适应USB接口的数据转换即可。与此同时，本文在USB接口中设置8个中断源，当定位、夹紧机床装夹工件时，USB接口只通过一次简单的读写操作便可使上位机获取到自动校准信息，并识别到中断源进行相应的自动校准处理。

1.2 示波器

在USB接口的基础上，设计型号为Tektonnix4代示波器，作为基于机床装夹工件的自动校准中最重要的硬件，能够通过探头连接机床装夹工件与示波器的管道，本文设计的示波器配备32寸的显示屏，采用触摸式用户界面技术，能够以最大分辨率显示基于机床装夹工件的自动校准幅频响应。相比于其他示波器最大的亮点在于能够通过频谱分析，将机床装夹工件的自动校准选配，改为基于射频分析机床装夹工件的自动校准标配。设计的示波器具体参数信息，包括：1GHz带宽；4根1GHz无源探头；上升时间为350ps；测试信号高达500M。以其高效率，高精度的特点很好地适用于机床装夹工件的自动校准。以此，实现几十种机床装夹工件自动测量，在示波器上得到电流变化曲线，满足基于机床装夹工件的自动校准硬件需求。

2 基于机床装夹工件的自动校准系统软件设计

2.1 设置设备参数及校准点

在基于机床装夹工件的自动校准过程中，由于不同的机床装夹工件其基本参数必然不同，因此，必须在确定机床装夹工件基本参数的前提下，选定校准点。本文将校准点选取分为两种情况：对基本量程的机床装夹工件，选择机床装夹工件基本量程的60%、70%、80%、90%以及100%作为校准点；对非基本量程的机床装夹工件，选择100%作为校准点。在此基础上，通过测量校准点的输出电流有效值，确定校准点电流导通时间的准确度，为计算基于机床装夹工件的自动校准误差提供基础数据。

2.2 计算基于机床装夹工件的自动校准误差

在确定设备参数及校准点后，机床装夹工件安装误差是指工件加工中操作不规范、技术较落后及设置的空间轴线与探管轴线相交不重合，导致的轨迹定位误差，此误差属于先天误差，本文不对此进行过多研究。本文主要针对工件误差以及信号处理误差，计算基于机床装夹工件的自动校准误差。设基于机床装夹工件的自动校准误差为γ，可得公式（1）。

式（1）中，T指的是机床装夹工件自动校准输出信号处理导通时间，单位为min；s指的是实测机床装夹工件自动校准输出电流导通时间，单位为min。通过式（1），得出基于机床装夹工件的自动校准误差。在基于机床装夹工件的自动校准误差程序开始后，除非while循环的条件接线端接收到“真”，剔除基于机床装夹工件的自动校准误差，否则循环就一直进行，直至完成基于机床装夹工件的自动校准。

2.3 完成基于机床装夹工件的自动校准

在剔除基于机床装夹工件的自动校准误差后，假设某一校准点已知并确定，便可计算机床装夹工件进行轨迹测量时的实际数值，并代入上述误差计算公式，可求解公式中参数的具体数值，理论上便可固定轨迹中的轨迹点，结合12点位置法自动校准机床装夹工件中存在误差值。至此，完成基于机床装夹工件的自动校准系统软件部分设计。

3 实例分析

3.1 实验准备

本次实例分析选取型号为LIP56324-01的机床装夹工件作为实验对象。基于本文设计系统自动校准机床装夹工件，通过MATALB测试校准残差，并记录，将其设为实验组；再使用传统系统自动校准机床装夹工件，同样通过MATALB测试校准残差，并记录，将其设为对照组。由此可见，本次实验主要内容为测试两种系统的校准残差，残差数值越低证明该自动校准系统的精度也就越高。通过10次对比实验，针对实验测得的校准残差，记录实验数据。

3.2 实验结果与分析

根据上述设计的实验步骤，采集10组实验数据，将两种自动校准系统下的残差进行对比，残差对比结果，如表1所示。

表1 实验结果对比

从表1可以看出，本文设计自动校准系统在实际应用中残差最高为0.210；对照组残差最高为0.748，设计自动校准系统的校准残差远远低于传统自动校准系统，证明本文设计自动校准系统相对于传统自动校准系统校准精度更高，可以广泛投入应用。

4 结语

通过基于机床装夹工件的自动校准系统设计研究，能够取得一定的研究成果，解决传统基于机床装夹工件的自动校准中存在的问题。由此可见，本文设计的自动校准系统是具有现实意义的，能够指导基于机床装夹工件的自动校准系统优化。在后期的发展中，应加大本文设计自动校准系统在机床装夹工件自动校准中的应用力度，进而提高机床装夹工件定位、装夹精度。截至目前，国内外针对基于机床装夹工件的自动校准系统研究仍存在一些问题，在日后的研究中还需要进一步对自动校准系统的优化设计进行深入研究，为提高机床装夹工件自动校准系统的综合性能提供专业建议。