30
工具技术
用于加工中心的在线工件自动测量系统
山东工业大学机械工程学院(济南250061) 刘战强 赵 军 于复生
摘 要:介绍一种可用于加工中心的在线工件自动测量系统的构成及功能。该系统采用新型触发式传感器, 可使刀具刀尖自身作为测头测试工件加工尺寸。该系统可用于工件的装夹找正, 也可对工件进行自动在线测量, 并能根据测量结果对加工误差进行补偿以提高加工精度。
关键词:加工中心, 在线测量, 自动对刀装置, 触发式传感器
Automatic On 2machine Measurement System for Workpieces on CNC Machining Center
Liu Zhanqiang et al
Abstract :The structure and functions of a neotype automatic on 2machine measurement system used on C NC machine centers are introduced. The measurement technology is based on a novel fine 2touch sens or which enables the cutting tool tip itself to be used as the contact probe to im plement w orkpiece inspection. The measurement system can be applied to w orkpiece set 2up and on 2machine measurement of machined w orkpiece errors , which leads to the machining accuracy on a C NC turning center.
K eyw ords :machining center ,on 2machine measurement ,Q 2setter 1 引言
现代柔性加工系统、[1]。, 工件测量方法可分为四类(见图1) :①加工前测量; ②在线实时测量; ③在线测量; ④加工后离线测量。各种测量方法均有各自的优缺点及应用范围[2]。在线测量可大大减少测量成本, 其应用日益广泛(尤其在加工中心上) 。目前, 在线测量的传感器主要采用触发式测头(TTP ) [3～6], 但此类测头用于加工中心上时, 要求加工中心必须有与之适应的软件、硬件设施来监测和处理触发信号[7]。本文介绍一种新型触发式传感器, 利用这种传感器开发的自动在线测量系统可使刀具刀尖自身作为测头来测量工件加工尺寸。该测
收稿日期:2000年3月
, 、硬件设施, 因此可方便地。此外, 由于可利用刀尖作为测头, 所以凡是刀具刀尖能加工的几何形状及尺寸均可用该系统测量
。
图1 工件测量方法分类
2 自动对刀装置及触发式传感器现代数控机床及加工中心大多配置了各种不同
类型的对刀装置, 如机外对刀仪、机内光学对刀仪、接触式自动对刀装置等。车削中心一般采用机内接触式自动对刀装置[8]。本文所用的车削中心上配置的是Q 2setter 自动对刀装置, 该装置由4个触发式测头(+X , -X , +Z , -Z 方向各一个) 、联接臂、安装底座及测量软件等组成(见图2) 。
(2) 严格按刀具产品图纸设计、制造刀具, 加工
根部太近(约4～5mm ) , 加之倒角处未加工出圆角, 造成应力集中。此外, 由于m 值过小, 淬火加热时
为保证刃部硬度, 造成焊缝埋入盐浴面过深, 从而增大了焊缝危险区的应力。由于该批丝锥热处理时焊缝危险区与应力集中区接近或重合, 造成在刃部与柄部连接的倒角处开裂。 3 改进措施
(1) 按刀具制造工艺要求确定合适的m 值;
出丝锥刃部与柄部连接倒角处的圆角;
(3) 加强冷加工与热加工的工序协作;
(4) 丝锥对焊后应立即保温, 及时退火, 确保丝锥对焊后质量;
(5) 加强热处理中预热及冷却工艺控制, 及时充分回火。
编辑:汪 莉
2000年第34卷№9
31
3 工件加工尺寸自动测量系统
从以上介绍可知,Q 2setter 自动对刀装置只能用于测试刀具位置和刀具补偿值, 不能用于测量工件几何尺寸; 而触发式传感器只能测试刀具与工件是否接触, 不能测试刀具位置, 更不能直接用于测量工件加工尺寸。但通过一种简单有效的方法, 即可将
图2 Q 2setter 自动对刀装置
两种传感器结合起来, 以刀具刀尖自身作为测头来测量工件加工尺寸。将触发式传感器外置放大电路的输出经电压匹配后与Q 2setter 自动对刀装置的输出接口相联, 即可实现两种传感器的结合而完成工件加工尺寸的测量, 利用触发式传感器来监测刀尖与工件接触与否, 同时用Q 2setter , 当与+Z -Z ; 当与-X 。以下
联接臂在刀具加工时处于关闭状态。对刀时, 打开测量臂, 移动刀架使刀具的刀尖与相应的测头接触, 接触时测头发出触发信号, 该信号触发数控系
μ统记下此时的刀具位置(测量精度为1m ) , 为保护机床和刀具, 数控系统将同时自动“冻结”机床的运动。然后, 测量软件计算出刀具的固定补偿值并传送至相应的刀补单元。测量完毕后, 关闭测量臂, 操作者即可继续使用该刀具进行加工。
科技大学(原基辅工学院) 的[9]。, :—工件—刀具机、变压器等构成的电磁场。当刀具与工件接触时, 加工系统将形成一个闭合回路并产生电流, 车削时产生的电流经缠绕在刀杆上的线圈(见图3) 放大输出(铣削时线圈缠绕在主轴上) 。当外置放大电路检测到的放大输出值超出预置的门槛值时, 将触发“接触”信号, 表明刀具已与工件接触。该传感器的测试精度可与Renishaw 公司生产的高精度测头相媲美, 同时, 还用激光干涉仪进行了标定, 结果表明其测试精度远远高于微米级[9], 足以用于在加工中心上测量工件加工几何尺寸
。
。
测量前, 用刀尖接触自动对刀装置, 数控系统自动记录下刀补值X 刀补, 通过RS232接口, 该刀补值可传输到微机中进行后续处理。测量工件时, 先将自动对刀装置的联接臂打开少许, 使其处于测试状
态而又不与工件(当工件较长时) 和刀架运动发生干涉。移动刀架, 使刀尖与工件接触。当刀尖与工件接触时, 自动对刀装置与触发式传感器均发出触发信号, 触发式传感器发出的信号表明刀具已与工件接触, 自动对刀装置发出的信号激发数控系统记下此时的刀具位置及刀补值X 刀2工, 并立即“冻结”机床的运动以避免刀具与工件相碰撞而损坏刀具。两个刀补值X 刀补与X 刀2工的差别来自测量基准的改变:X 刀补是刀具相对于自动对刀装置的刀补值,
X 刀2工是刀具相对于工件的刀补值, 因此, 在刀具与
工件接触点的工件实际直径D 可由下式计算得到:
D =2L +|X 刀补|-|X 刀2工|
(1)
式中, X 刀补和X 刀2工均是工件直径方向上的刀补值,
L 是自动对刀装置测头到主轴中心线在+X 轴方向
上的实际距离(见图2) , 其大小由机床制造商提供, 故公式中进行加倍计算以得到工件直径值。如沿工件长度方向测量一系列点, 则可测得工件直径在长度方向上的分布即外形轮廓。当测量完毕重新进行
图3 工件直径在线自动测量系统
切削加工前, 需重新将刀补值设置为刀具相对于自动对刀装置的刀补值X 刀补并关闭自动对刀装置。
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工具技术
4 测量系统的应用
在线工件自动测量系统利用触发式传感器将刀尖作为测头, 拓展了新的应用领域。该系统可用于测试刀具破损; 借助标准试件可测量刀具磨损量, 通过比较加工前、后的X 刀2工值, 其差值即为刀具在上道工序的磨损量; 该系统还可用于工件的装夹找正及加工误差的测量及补偿。
4. 1 工件的装夹找正
粗加工→半精加工→精加工后的直径误差, 精加工
与半精加工的加工条件完全相同(机床:Hitachi Seiki 车削中心; 工件材料:中碳钢; 刀具材料:硬质合金; 刀片:DNMA150408, 刀杆:PD JN L 2525N 215; 切削速度:120m/min , 进给量:0.1mm/r , 切削深度:1mm) , 半精加工后根据测得的加工误差值修改精加工程序, 对加工误差进行补偿。由图4可见, 经误差补偿后,
μ精加工最大误差值可减至3m 。 5 结语
在线工件自动测量系统使用刀尖作为测头, 可简化测量系统结构, 降低测量成本。采用该系统在加工前进行工件的装夹找正, , 节省夹具费用, 。该系统在, 并能, 对加工误差进行补偿, 参考文献
1 洪治平. 加工中心上的自动测量系统. 组合机床与自动化
工件的装夹对工件加工精度有重要影响。在加工中心上, 工件的装夹位置往往与加工程序设定的
理想位置存在误差(如工件中心线与主轴中心线存μ在偏心) , 该误差一般可达±3m [10]。为了减少装夹误差对加工精度的影响, 工件初次装夹后, 可用在线工件自动测量系统测量工件直径, 然后与加工程序设定的理想位置比较, 求得装夹误差, 据此对工件装夹位置作出相应调整。循环上述测量步骤, 件装夹找正为止。
4. 2 , , 自动生成误差补偿数据, 以提高工件加工精度。如工件经过上道车削工序加工后, 通过测量得到工件直径加工误差, 如果下道工序与上道工序加工条件完全相同, 可以预计下道工序还会出现同样的误差, 因此可在下道工序加工前, 根据上道工序误差值在下道工序的加工程序中加入下列语句对程序作出修改:
G 10L11P 33X (U ) 33333Z (W ) 33333R 33333Q 3
(2
)
加工技术,1999(1)
2 Liu Zhanqiang , Patri K Venuvinod , V A Ostafiev. On 2machine
measurement of w orkpieces with the cutting tool. Integrated Manu facturing Systems , 1998, 9(3) :168～172
3 Hermann G. Process intermittent measurement of tools and w orkpieces. Journal of Manu facturing Systems , 1985, 4(1) :41
～49
4 Janeczko J. T ouch probe calibration and measurement on C NC
machining center. S ME T echnical Paper , I Q862908, 19865 Lynch M. C om puter numerical control access ory devices. Mc 2
G raw 2Hill Inc. , New Y ork , 1994
6 M ou J , Liu R C. A method for enhancing the accuracy of C NC
machine tools for on 2machine inspection. Journal of Manu factur 2ing Systems , 1994, 11(4) :229～237
7 Zhou E P , Harris on D K, Link D. E ffecting in 2cycle measure 2ment with preteritic C NC machine tools. C om puters in Industry , 1996, 28:95～102
8 周永麟. 用于车削中心的刀具自动测量系统. 工具技术,
1999,33(7)
9 Ostafiev V A , Venuvinod P K. A new electro 2magnetic contact
sensing technique for enhancing machining accuracy. Manu fac 2turing Science and T echnology , AS ME , ME D 26/1, 199710 Anders on P H , T orvinen SJ. A concept for maintaining quality in flexible production. C om puters in Industry , 1991, 17:247～255
式中,G 10L11表示数据设置功能; P 后面的两位数
字表示正在使用的刀具编码; X (U ) 和Z (W ) 后面的五位数字分别代表刀具在X 和Z 方向上的刀补值; R 后面的五位数字代表刀具圆角半径补偿值;Q 后
面的一位数字表示刀具运动方向。根据加工误差修改X (U ) , 即可实现工件加工直径误差的补偿。图4所示为一工件(长度150mm , 精加工后直径50mm ) 经
图4 工件加工直径误差的补偿编辑:张 宪
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工具技术
用于加工中心的在线工件自动测量系统
山东工业大学机械工程学院(济南250061) 刘战强 赵 军 于复生
摘 要:介绍一种可用于加工中心的在线工件自动测量系统的构成及功能。该系统采用新型触发式传感器, 可使刀具刀尖自身作为测头测试工件加工尺寸。该系统可用于工件的装夹找正, 也可对工件进行自动在线测量, 并能根据测量结果对加工误差进行补偿以提高加工精度。
关键词:加工中心, 在线测量, 自动对刀装置, 触发式传感器
Automatic On 2machine Measurement System for Workpieces on CNC Machining Center
Liu Zhanqiang et al
Abstract :The structure and functions of a neotype automatic on 2machine measurement system used on C NC machine centers are introduced. The measurement technology is based on a novel fine 2touch sens or which enables the cutting tool tip itself to be used as the contact probe to im plement w orkpiece inspection. The measurement system can be applied to w orkpiece set 2up and on 2machine measurement of machined w orkpiece errors , which leads to the machining accuracy on a C NC turning center.
K eyw ords :machining center ,on 2machine measurement ,Q 2setter 1 引言
现代柔性加工系统、[1]。, 工件测量方法可分为四类(见图1) :①加工前测量; ②在线实时测量; ③在线测量; ④加工后离线测量。各种测量方法均有各自的优缺点及应用范围[2]。在线测量可大大减少测量成本, 其应用日益广泛(尤其在加工中心上) 。目前, 在线测量的传感器主要采用触发式测头(TTP ) [3～6], 但此类测头用于加工中心上时, 要求加工中心必须有与之适应的软件、硬件设施来监测和处理触发信号[7]。本文介绍一种新型触发式传感器, 利用这种传感器开发的自动在线测量系统可使刀具刀尖自身作为测头来测量工件加工尺寸。该测
收稿日期:2000年3月
, 、硬件设施, 因此可方便地。此外, 由于可利用刀尖作为测头, 所以凡是刀具刀尖能加工的几何形状及尺寸均可用该系统测量
。
图1 工件测量方法分类
2 自动对刀装置及触发式传感器现代数控机床及加工中心大多配置了各种不同
类型的对刀装置, 如机外对刀仪、机内光学对刀仪、接触式自动对刀装置等。车削中心一般采用机内接触式自动对刀装置[8]。本文所用的车削中心上配置的是Q 2setter 自动对刀装置, 该装置由4个触发式测头(+X , -X , +Z , -Z 方向各一个) 、联接臂、安装底座及测量软件等组成(见图2) 。
(2) 严格按刀具产品图纸设计、制造刀具, 加工
根部太近(约4～5mm ) , 加之倒角处未加工出圆角, 造成应力集中。此外, 由于m 值过小, 淬火加热时
为保证刃部硬度, 造成焊缝埋入盐浴面过深, 从而增大了焊缝危险区的应力。由于该批丝锥热处理时焊缝危险区与应力集中区接近或重合, 造成在刃部与柄部连接的倒角处开裂。 3 改进措施
(1) 按刀具制造工艺要求确定合适的m 值;
出丝锥刃部与柄部连接倒角处的圆角;
(3) 加强冷加工与热加工的工序协作;
(4) 丝锥对焊后应立即保温, 及时退火, 确保丝锥对焊后质量;
(5) 加强热处理中预热及冷却工艺控制, 及时充分回火。
编辑:汪 莉
2000年第34卷№9
31
3 工件加工尺寸自动测量系统
从以上介绍可知,Q 2setter 自动对刀装置只能用于测试刀具位置和刀具补偿值, 不能用于测量工件几何尺寸; 而触发式传感器只能测试刀具与工件是否接触, 不能测试刀具位置, 更不能直接用于测量工件加工尺寸。但通过一种简单有效的方法, 即可将
图2 Q 2setter 自动对刀装置
两种传感器结合起来, 以刀具刀尖自身作为测头来测量工件加工尺寸。将触发式传感器外置放大电路的输出经电压匹配后与Q 2setter 自动对刀装置的输出接口相联, 即可实现两种传感器的结合而完成工件加工尺寸的测量, 利用触发式传感器来监测刀尖与工件接触与否, 同时用Q 2setter , 当与+Z -Z ; 当与-X 。以下
联接臂在刀具加工时处于关闭状态。对刀时, 打开测量臂, 移动刀架使刀具的刀尖与相应的测头接触, 接触时测头发出触发信号, 该信号触发数控系
μ统记下此时的刀具位置(测量精度为1m ) , 为保护机床和刀具, 数控系统将同时自动“冻结”机床的运动。然后, 测量软件计算出刀具的固定补偿值并传送至相应的刀补单元。测量完毕后, 关闭测量臂, 操作者即可继续使用该刀具进行加工。
科技大学(原基辅工学院) 的[9]。, :—工件—刀具机、变压器等构成的电磁场。当刀具与工件接触时, 加工系统将形成一个闭合回路并产生电流, 车削时产生的电流经缠绕在刀杆上的线圈(见图3) 放大输出(铣削时线圈缠绕在主轴上) 。当外置放大电路检测到的放大输出值超出预置的门槛值时, 将触发“接触”信号, 表明刀具已与工件接触。该传感器的测试精度可与Renishaw 公司生产的高精度测头相媲美, 同时, 还用激光干涉仪进行了标定, 结果表明其测试精度远远高于微米级[9], 足以用于在加工中心上测量工件加工几何尺寸
。
。
测量前, 用刀尖接触自动对刀装置, 数控系统自动记录下刀补值X 刀补, 通过RS232接口, 该刀补值可传输到微机中进行后续处理。测量工件时, 先将自动对刀装置的联接臂打开少许, 使其处于测试状
态而又不与工件(当工件较长时) 和刀架运动发生干涉。移动刀架, 使刀尖与工件接触。当刀尖与工件接触时, 自动对刀装置与触发式传感器均发出触发信号, 触发式传感器发出的信号表明刀具已与工件接触, 自动对刀装置发出的信号激发数控系统记下此时的刀具位置及刀补值X 刀2工, 并立即“冻结”机床的运动以避免刀具与工件相碰撞而损坏刀具。两个刀补值X 刀补与X 刀2工的差别来自测量基准的改变:X 刀补是刀具相对于自动对刀装置的刀补值,
X 刀2工是刀具相对于工件的刀补值, 因此, 在刀具与
工件接触点的工件实际直径D 可由下式计算得到:
D =2L +|X 刀补|-|X 刀2工|
(1)
式中, X 刀补和X 刀2工均是工件直径方向上的刀补值,
L 是自动对刀装置测头到主轴中心线在+X 轴方向
上的实际距离(见图2) , 其大小由机床制造商提供, 故公式中进行加倍计算以得到工件直径值。如沿工件长度方向测量一系列点, 则可测得工件直径在长度方向上的分布即外形轮廓。当测量完毕重新进行
图3 工件直径在线自动测量系统
切削加工前, 需重新将刀补值设置为刀具相对于自动对刀装置的刀补值X 刀补并关闭自动对刀装置。
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工具技术
4 测量系统的应用
在线工件自动测量系统利用触发式传感器将刀尖作为测头, 拓展了新的应用领域。该系统可用于测试刀具破损; 借助标准试件可测量刀具磨损量, 通过比较加工前、后的X 刀2工值, 其差值即为刀具在上道工序的磨损量; 该系统还可用于工件的装夹找正及加工误差的测量及补偿。
4. 1 工件的装夹找正
粗加工→半精加工→精加工后的直径误差, 精加工
与半精加工的加工条件完全相同(机床:Hitachi Seiki 车削中心; 工件材料:中碳钢; 刀具材料:硬质合金; 刀片:DNMA150408, 刀杆:PD JN L 2525N 215; 切削速度:120m/min , 进给量:0.1mm/r , 切削深度:1mm) , 半精加工后根据测得的加工误差值修改精加工程序, 对加工误差进行补偿。由图4可见, 经误差补偿后,
μ精加工最大误差值可减至3m 。 5 结语
在线工件自动测量系统使用刀尖作为测头, 可简化测量系统结构, 降低测量成本。采用该系统在加工前进行工件的装夹找正, , 节省夹具费用, 。该系统在, 并能, 对加工误差进行补偿, 参考文献
1 洪治平. 加工中心上的自动测量系统. 组合机床与自动化
工件的装夹对工件加工精度有重要影响。在加工中心上, 工件的装夹位置往往与加工程序设定的
理想位置存在误差(如工件中心线与主轴中心线存μ在偏心) , 该误差一般可达±3m [10]。为了减少装夹误差对加工精度的影响, 工件初次装夹后, 可用在线工件自动测量系统测量工件直径, 然后与加工程序设定的理想位置比较, 求得装夹误差, 据此对工件装夹位置作出相应调整。循环上述测量步骤, 件装夹找正为止。
4. 2 , , 自动生成误差补偿数据, 以提高工件加工精度。如工件经过上道车削工序加工后, 通过测量得到工件直径加工误差, 如果下道工序与上道工序加工条件完全相同, 可以预计下道工序还会出现同样的误差, 因此可在下道工序加工前, 根据上道工序误差值在下道工序的加工程序中加入下列语句对程序作出修改:
G 10L11P 33X (U ) 33333Z (W ) 33333R 33333Q 3
(2
)
加工技术,1999(1)
2 Liu Zhanqiang , Patri K Venuvinod , V A Ostafiev. On 2machine
measurement of w orkpieces with the cutting tool. Integrated Manu facturing Systems , 1998, 9(3) :168～172
3 Hermann G. Process intermittent measurement of tools and w orkpieces. Journal of Manu facturing Systems , 1985, 4(1) :41
～49
4 Janeczko J. T ouch probe calibration and measurement on C NC
machining center. S ME T echnical Paper , I Q862908, 19865 Lynch M. C om puter numerical control access ory devices. Mc 2
G raw 2Hill Inc. , New Y ork , 1994
6 M ou J , Liu R C. A method for enhancing the accuracy of C NC
machine tools for on 2machine inspection. Journal of Manu factur 2ing Systems , 1994, 11(4) :229～237
7 Zhou E P , Harris on D K, Link D. E ffecting in 2cycle measure 2ment with preteritic C NC machine tools. C om puters in Industry , 1996, 28:95～102
8 周永麟. 用于车削中心的刀具自动测量系统. 工具技术,
1999,33(7)
9 Ostafiev V A , Venuvinod P K. A new electro 2magnetic contact
sensing technique for enhancing machining accuracy. Manu fac 2turing Science and T echnology , AS ME , ME D 26/1, 199710 Anders on P H , T orvinen SJ. A concept for maintaining quality in flexible production. C om puters in Industry , 1991, 17:247～255
式中,G 10L11表示数据设置功能; P 后面的两位数
字表示正在使用的刀具编码; X (U ) 和Z (W ) 后面的五位数字分别代表刀具在X 和Z 方向上的刀补值; R 后面的五位数字代表刀具圆角半径补偿值;Q 后
面的一位数字表示刀具运动方向。根据加工误差修改X (U ) , 即可实现工件加工直径误差的补偿。图4所示为一工件(长度150mm , 精加工后直径50mm ) 经
图4 工件加工直径误差的补偿编辑:张 宪