面向零件测量领域的转台开发及应用

李积云，赵亮社 ，陈涛，李宏钢

(1. 宝鸡职业技术学院 智能制造创新中心，陕西 宝鸡 721013；2. 宝鸡机床集团有限公司，陕西 宝鸡 721013)

0 引言

数控机床研制中零件检测工序的目的是判定加工质量是否符合设计，保证整机装配精度和性能。三坐标因其高适用性和便捷性而广泛应用。测量机在测量同时记录各关键点的数据信息，传输到控制器，经测量软件计算处理后，输出测量点坐标值[1]。

数控机床包含的机械零部件有齿轮、齿轮轴、盘、套、箱体等，需测量圆柱度、平行度、直线度、垂直度等众多参数。在保证测量机性能正常、测量环境符合要求、测量过程规范的前提下，提高效率是企业关注的重点。因为检测是衔接加工制造相关工序和装配、调试工序的中间环节，其效率直接影响整个产品的生产周期。三坐标测量机是通过3个线性机构来获取三维空间位置，加之调整、校准、换件等时间消耗，与预期存在较大差距。开发一款针对该类零件装夹和位置调整装置配合测量机工作，提高测量效率，具有重要的意义。

1 三坐标测量

三坐标测量机对形状规则零件具有很好的适应性，而对具有复杂形状的零件需人为干预，如带有曲面、齿形、叶片、凸轮等零件。众多学者在专用零件检测、三坐标智能检测及检测规划等方面进行了大量的研究和实践，通过测量软件的二次开发或工装夹具的设计达到扩展测量机功能、提高效率的目的。

张露基于三坐标测量机开展对专用零件的检测，将检测结果作为控制产品质量的依据，设计专用夹具，引入SPC控制方法实现汽车底盘零件的质量控制[1]。宋爱利等设计一种针对渐开线齿轮的测量程序，将其应用到原测量系统，在扩展其功能的基础上提高测量效率[2]。杨新建将三坐标的自动测量技术和CAM、CAPP相结合，提出了智能测量中检测规划的若干注意事项[3]。欧阳婷婷等对曲面轮廓的测量分别在有基准约束和无基准约束两种情况下的测量差异做了比对[4]。屈力刚等对规则曲面的策略进行研究，提出临界采样点数算法，做为合理采样的理论基础[5]。刘涛等利用三坐标测量机结合零件检测软件Geomagic Qualify完成复杂三维曲面涡旋零件的精度检测[6]。张占锋等设计一种数控回转台的消隙机构[7]，提高转台回转精度。以上相关研究只对于某种专用零件测量，应用范围有限。

2 转台结构及功能

高精度转台广泛应用在航天航空、军事、测控、检测领域，其综合性能直接影响测试结果的可靠性和精度，故将稳定性和运行精度作为衡量其综合性能的主要指标[8-9]。稳定性常采用模态分析法，依据结构的振型和固有频率，对不同载荷下结构的振动形式进行预测和优化，避免共振；运行精度靠高精度传动装置和控制系统实现。

图1所示为工作转台外形，整体呈圆柱封闭结构。为避免轴承、电机等元件受到污染和损伤，主要装置布置在箱体内部，大部分机械及电器元件为轴对称圆柱形结构，使其机械结构稳定。箱体外预留线束接口，方便安装。底座预留槽型孔，可安装在各种台面上。

图1 工作台位置布置图

图2所示为位置闭环控制原理，对轴类、盘、齿轮等回转类零件，将零件装夹在转速可调且具有高精度位置控制功能的回转转台上。通过转台位置控制系统来调整待测零件的空间位置，测量机移动副驱动测量机测头做微量调整，测量过程由三个方向的线性移动变为一个快速回转运动和几个微量的线性移动。

图2 位置闭环控制系统框图

图3为工作台内部元件位置结构图，包括箱体、驱动装置、位置检测装置、制动装置。驱动装置包括力矩电机和转台轴承；电机定子通过螺栓固定在箱体上，电机转子与台面端面连接，转子带动转台台面旋转。为保证转台的回转精度，转台外圆面与转台轴承内孔相配合；位置测量装置采用AMR(磁阻传感器)原理[10-11]，将粘接有各向异性磁阻特性的磁环固定在转轴上，转轴与电机转子固定，传感器将位置信号传输给电机控制器；制动器采用盘式制动器，转台旋转时放松，到预定位置后锁紧。

图3 工作台零件位置结构图

2.1 驱动装置

采用蜗轮蜗杆、齿轮减速箱或谐波减速箱等传动方式的转台，传动链的传动间隙是无法避免的[12]。本文采用力矩电机直接驱动负载的动力模式，避免机械传动链引起的齿隙误差。利用伺服控制系统，使整个驱动装置具有反应速度快，线性度高的优势。通过电机和控制方式的合理配置提高转台的稳定性及静、动态精度。

转台机械回转精度主要受支撑轴承结构和精度的影响，故选用专用转台轴承，如四点接触式、交叉圆柱滚子轴承、三排圆柱滚子组合轴承等。考虑到零件外形及质量分布引起振动和变形，综合考虑其他因素，本文采用圆柱滚子和双向推力滚针组合轴承，安装位置如图3所示，转台轴承的外圈固定在箱体，内圈与轴配合安装。

2.2 位置检测装置

位置检测装置是转台运行精度的核心部件，对机床主轴、齿轮、叶片等涉及分度精度和传动精度的零件，可用回转位置的高精度控制系统驱动转台，配合三坐标进行测量。

本文采用某公司的增量式电感测量装置，该装置由一个非接触式编码器和安装移动装置上的磁阻传感器组成。对于线性位移量，在7m/s速度下分辨率为1μm；对于角度量，分辨率可达10-3°。

图4所示为将表面附着有磁阻效应涂层的磁阻传感器磁环粘接在固定环上。该测量装置的精度主要受编码器特性参数和安装调整方式的影响，在使用时注意以下两个方面：

图4 AMR传感器安装位置示意图

3 元件选型

型号为TK50S数控车床中的零件有主轴箱、传动轴、传动齿轮等，其中主轴箱外轮廓尺寸长宽高为520mm×460mm×420mm，最大质量为300kg。将工作台面外径设计为500mm，工作台回转最大线速度为现有三坐标测量机线性平移速度的2倍(三坐标线性副移动速度为200mm/min)，最大回转速度为150°/s,最大加速度为30°/s2。

3.1 电机和轴承

为保证工件稳定安装，依据载荷选用某公司生产的型号为YRT260高精密转台轴承。外径φ=385mm，内径为φ1=260mm，轴承的极限转速为n=200r/min，轴向动载荷Ca=160kN，径向动载荷Cr=93kN，摩擦力矩T=20N·m。由上述运行参数得知，转台工作时的角加速度ε=30°/s2=0.524rad/s2。

转台工作时所克服的力矩包括惯性力矩和摩擦力矩，负载质量为300kg，其他旋转部件质量为150kg，得到运转时最大转动惯量J=mr2=(300+150)×0.52=112.5(kg·m)，对应惯性转矩M=Jε=112.5×0.524=58.95(N·m)；摩擦力矩按照转台轴承的起动力矩计算，摩擦力矩T=20N·m。

以上得到转台峰值力矩为T0=M+T=78.95N·m。考虑负载变化及预留余量、装置稳定性，选择某公司的永磁式直流力矩电动机，型号为LYX320LYX02，安装方式采用为分装式，电机的峰值堵转转矩>10N·m，最大空转转速为80r/min。

3.2 AMR传感器

数控车床TK50S主轴箱内齿轮既要考虑传动精度，也要考虑传动稳定性、噪声和振动，因此以齿轮公差组Ⅰ组和Ⅱ组中的公差与极限偏差项目进行零件检测。两类公差组中包含的项目有：Fp为齿距累计误差、Fr为齿圈径向跳动公差、ff为齿形公差、fpt为齿距极限偏差。选择5级精度渐开线圆柱齿轮，上述各个参数对应取值为：Fp=0.01mm、ff=0.008mm、Fr=0.016mm、fpt=±0.007mm。

依据以上技术要求，选取编码器型号为LM10IC002的AMR传感器，分辨率0.002mm。磁环型号为MR122E，磁阻传感器固定环的外径为120mm，内径为90mm，采用径向安装方式。

4 实验验证

以型号为布朗夏普XCEL9.12.9三坐标测量机为基础，将该转台安装在三坐标测量机上。待测工件的CAD图如图5所示，为一根主轴，基准A和B对应外圆为支撑轴承安装位置。为保证主轴回转精度，需测量两端外圆圆柱度，两端外圆之间的同轴度及轴承安装端面对外圆面的跳动度。

图5 零件CAD图

按照常规测量方法，将三爪卡盘或专用工装夹具固定在测量机底座上，然后固定工件。设置工件和测量参数后，选用测量机附带的测量程序模块，如同轴度、圆柱度进行测量。正常工作时整个工件和工装夹具是不动的，只通过3个线性移动副的运动调整测头的位置，获得相应的零件尺寸信息。若图5所示待测零件外径较大，或轴向尺寸较长，需要几十分钟。

将该转台安装在三坐标底座上后，把工件安装在转台台面上，随转台转动。通过转台位置控制和驱动装置调整工件待测位置，测量机测头只需做微量调整即可实现测量，缩短测量时间，很好地解决了测量大尺寸零件时间过长的问题。表1所示为分别用三坐标和转台与三坐标协同测量两种方式，测量相同参数的检测结果。

表1 主轴形位公差检测结果

通过对比发现，高精度转台的应用，可扩展三坐标的测量功能，在保证测量精度的基础上提高测量效率。该装置可在相关企业中普及，也可配合机械臂将此装置安装在智能生产线上，提高生产效率。

5 结语

为解决数控机床生产中出现的零件测量相关工序效率低的问题，开发了辅助三坐标测量机测量的回转转台。

转台整体封闭式结构以及转台轴承和力矩电机的应用，极大地提高了测量装置的稳定性和机械回转精度。利用磁阻传感器位置控制系统实现测量时零件的位置控制，达到扩展测量机功能、提高测量效率的目的。该转台不但能满足常规零件的测量，同时可测量具有复杂外形结构的零件，面向零件测量领域具有一定的推广实用价值。