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大型深孔加工機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

2018-4-8 來源：廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程佛山新成洪鼎作者：劉洲張平李新濤張國根

摘要: 目前大型深孔( d ＞ 500mm，h ＞ 80000mm) 現(xiàn)場(chǎng)加工機(jī)床的主軸定位均采用手工卡尺測(cè)量或是人工打表等方法，針對(duì)這些方法不足的問題，文章開發(fā)出了一套在線式自動(dòng)檢測(cè)與加工一體化裝置。該裝置運(yùn)用激光位移傳感器在線掃描被加工件內(nèi)腔輪廓，采用互為基準(zhǔn)的自動(dòng)定心方法，應(yīng)用雙重迭代算法快速得到虛擬軸的空間位置。調(diào)整機(jī)構(gòu)的快速響應(yīng)和檢測(cè)元件實(shí)時(shí)的反饋，使得機(jī)床主軸與虛擬軸自動(dòng)調(diào)整重合并進(jìn)行后續(xù)加工。在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用表明系統(tǒng)很好地滿足了便攜式鏜孔機(jī)自動(dòng)定心要求，極大的降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了定心精度和工作效率。

關(guān)鍵詞: 在線檢測(cè); 自動(dòng)定心; 迭代算法

0 引言

便攜式鏜孔機(jī)主要應(yīng)用于大型重工行業(yè)，例如: 船舶加工制造業(yè)、軍事加工制造業(yè)、核電產(chǎn)業(yè)等大型難加工，且加工精度要求特別高的行業(yè)。鏜孔加工過程中鏜桿軸線的位置決定了加工后孔的位置精度，同時(shí)對(duì)加工孔的形狀精度也有直接影響。目前國內(nèi)便攜式鏜孔機(jī)的定心方式均采用手動(dòng)測(cè)量、人工估算、手動(dòng)調(diào)整的定心方法，特別是針對(duì)有磨損的大型深孔修復(fù)時(shí)，使用這種調(diào)整方法不僅效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、定位精度差，而且工件加工后易產(chǎn)生廢品，導(dǎo)致巨大浪費(fèi); 對(duì)于空間位置有限深孔或盲孔，受條件限制工人無法安裝操作時(shí)，這就需要運(yùn)用自動(dòng)化手段實(shí)現(xiàn)鏜孔機(jī)自動(dòng)定心。

因此，開發(fā)便攜式鏜孔機(jī)的在線檢測(cè)自動(dòng)定心系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)加工行業(yè)的自動(dòng)化發(fā)展的需求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加工行業(yè)的發(fā)展有重要的推動(dòng)作用。

1 、在線檢測(cè)自動(dòng)定心系統(tǒng)

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)加工環(huán)境，以及系統(tǒng)安裝條件為了實(shí)現(xiàn)便攜式鏜孔機(jī)的自動(dòng)定心功能，設(shè)計(jì)如圖 1 所示的便攜式鏜孔機(jī)測(cè)控系統(tǒng)圖。

圖 1 大型深孔現(xiàn)場(chǎng)加工機(jī)床智能控制系統(tǒng)

該機(jī)床的在線檢測(cè)系統(tǒng)采用激光位移傳感器的非接觸式測(cè)量方式，通過多次測(cè)量調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定心功能。測(cè)控系統(tǒng)主要分為三大模塊: 數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、運(yùn)動(dòng)調(diào)整模塊。數(shù)據(jù)采集模塊: 在選定的測(cè)量截面內(nèi)控制刀架旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)激光位移傳感器圓周運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)工件內(nèi)腔的圓周掃描，采集得到一組距離數(shù)據(jù); 運(yùn)用無線傳輸技術(shù)將這些數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，并存儲(chǔ)在上位機(jī)中。通過對(duì)多個(gè)截面的圓周掃描后，得到多組原始數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件內(nèi)腔原始數(shù)據(jù)的采集。

數(shù)據(jù)處理模塊: 上位機(jī)對(duì)工件內(nèi)腔原始數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的運(yùn)算處理，計(jì)算出每個(gè)檢測(cè)截面的圓心位置，然后通過擬合運(yùn)算擬合出工件內(nèi)腔的虛擬軸線; 根據(jù)內(nèi)腔虛擬軸線與鏜桿軸線的空間位置關(guān)系，在上( 下) 調(diào)整面內(nèi)計(jì)算出虛擬軸線點(diǎn)和鏜桿軸線點(diǎn)的空間位置偏差量。

運(yùn)動(dòng)調(diào)整模塊: 上位機(jī)將空間位置偏差量傳輸給運(yùn)動(dòng)控制器，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)算插補(bǔ)后，將插補(bǔ)信息傳輸給驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)使執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)鏜桿運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鏜桿的空間位置調(diào)整。

便攜式鏜孔機(jī)自動(dòng)定心過程為: 首先，對(duì)進(jìn)行機(jī)械本體各部件進(jìn)行安裝，然后進(jìn)行測(cè)控系統(tǒng)的安裝，將水平傾角傳感器、激光位移傳感器、角度編碼器和壓力傳感器等檢測(cè)元件以及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電氣元件同控制系統(tǒng)進(jìn)行連接，形成一個(gè)閉環(huán)控制的測(cè)控系統(tǒng)。

其次，標(biāo)定激光位移傳感器發(fā)光點(diǎn)距主軸軸心的距離為 r0，獲取一個(gè)原始距離值。以水平傾角傳感器檢測(cè)方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，標(biāo)定坐標(biāo)系方向，并建立 O-XYZ 測(cè)量坐標(biāo)最后，通過激光位移傳感器對(duì)工件原始內(nèi)腔的逐層旋轉(zhuǎn)掃描如圖 2 所示。

圖 2 工件內(nèi)腔檢測(cè)模型

獲取工件內(nèi)腔的原始數(shù)據(jù); 將得到的每層原始數(shù)據(jù)運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行圓形擬合，從而得出每個(gè)截面掃描圓的擬合圓圓心及半徑; 然后每個(gè)截面處擬合的圓心再通過擬合運(yùn)算，得出虛擬內(nèi)腔圓柱的軸線; 在調(diào)整截面內(nèi)計(jì)算出兩軸線與截面相交點(diǎn)之間的位置偏移量和，通過數(shù)據(jù)和與直線度 d 進(jìn)行判別比較確定是否需要調(diào)整，如若需要調(diào)整則通過調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鏜桿自動(dòng)調(diào)整。

經(jīng)過多次測(cè)量、調(diào)整后達(dá)到定心精度的要求，完成自動(dòng)定心，然后進(jìn)行后續(xù)加工。2 最小二乘法定心算法根據(jù)圖 2 所示，工件內(nèi)腔輪廓掃描過程中將被測(cè)工件內(nèi)腔沿鏜桿軸線方向劃分為若干個(gè)截面，每個(gè)截面內(nèi)在圓周上均分為若干個(gè)采樣點(diǎn)，則每個(gè)采樣點(diǎn)的極坐標(biāo)為:

由于工件內(nèi)腔截面輪廓為非標(biāo)準(zhǔn)圓，取測(cè)量截面中第 K 個(gè)截面( k≤n) 為研究對(duì)象，如圖 3 所示。

圖 3 第 K 個(gè)截面掃描圖

采樣點(diǎn)的位置不可能完全在擬合圓周上，必定會(huì)存在誤差，設(shè)誤差為 δik。采用最小二乘法擬合圓曲線，其原理如下:

測(cè)量 n 個(gè)截面可以得到 n 個(gè)擬合圓心，將這些擬合圓心值選用最小二乘法進(jìn)行線性擬合運(yùn)算，擬合運(yùn)算后能夠得到一條理想空間直線 C上C下，如圖 4所示。

圖 4 自動(dòng)定心模型

直線 C上C下為鏜桿所要調(diào)整目標(biāo)的位置軸線，鏜桿上下調(diào)整面的調(diào)整量為 Δx，Δy ，調(diào) 整范圍量為C上C下的直線度誤差 d，根據(jù)調(diào)整量使鏜桿上下支撐的中心點(diǎn) A 和點(diǎn)

B 分別與點(diǎn) C上和點(diǎn) C下重合，完成一次鏜桿的自動(dòng)調(diào)整。

3 、實(shí)驗(yàn)分析

運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器實(shí)驗(yàn)平臺(tái) Lab VIEW 軟件，開發(fā)測(cè)控系統(tǒng)軟件。根據(jù)工件內(nèi)腔建立實(shí)體模型，并進(jìn)行鏜桿自動(dòng)定心模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。工件的原始內(nèi)腔曲面模型可以自行建立，其母線可為直線，斜線，單葉雙曲線等，其截面可為圓或是橢圓。本文建立的模型為橢圓斜柱模型，其工件內(nèi)腔各截面 x軸向半徑為 350mm，y 軸向半徑，半徑偏差范圍為，截面個(gè)數(shù)為，截距為，相對(duì)水平面 x 軸向偏角 α = 10°，y 軸向偏角，生成工件內(nèi)腔原始數(shù)據(jù)。

并通過原始數(shù)據(jù)進(jìn)行多次迭代自動(dòng)調(diào)整模擬，調(diào)整過程及結(jié)果如圖5、圖 6 所示:

圖 5 未調(diào)整時(shí)原始內(nèi)腔的三維信息圖

圖 6 未調(diào)整時(shí)擬合內(nèi)腔的三維信息圖

經(jīng)過三次迭代運(yùn)算、調(diào)整后的圖形如圖 7 和圖 8所示

圖 7 三次迭代調(diào)整后原始內(nèi)腔的三維信息圖

圖 8 三次迭代調(diào)整后擬合內(nèi)腔的三維信息圖

以建立橢圓斜柱工件內(nèi)腔模型時(shí)的坐標(biāo)系為絕對(duì)坐標(biāo)系，檢測(cè)裝置在工件內(nèi)腔內(nèi)部，沿鏜桿方向運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件內(nèi)腔進(jìn)行圓周掃描測(cè)量從而獲得的的原始曲面如圖 5a，對(duì)原始內(nèi)腔圓的圓心在絕對(duì)坐標(biāo)下顯示如圖5b，將原始內(nèi)腔截面圓的圓心轉(zhuǎn)化為在以鏜桿為 Z 軸的相對(duì)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)如圖 5c。對(duì)原始曲面進(jìn)行擬合得到內(nèi)腔擬合曲面如圖 6a，把圖 6a 中擬合曲面圓的圓心在絕對(duì)坐標(biāo)系中顯示如圖 6b，將圖 6b 中一系列的圓心進(jìn)行運(yùn)算，便可得到內(nèi)腔擬合曲面的圓柱直線度如圖6c。

經(jīng)過合理的處理獲得上下端的調(diào)整量，根據(jù)調(diào)整量對(duì)鏜桿進(jìn)行模擬調(diào)整，一次調(diào)整完成后再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、模擬運(yùn)算然后進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過三次迭代運(yùn)算、調(diào)整后得到圖 7 和圖 8 分別對(duì)應(yīng)于圖 5 和圖 6。為了實(shí)現(xiàn)從原始內(nèi)腔曲面模型的建立到自動(dòng)運(yùn)行調(diào)整完成的過程中，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)和調(diào)整結(jié)果進(jìn)行記錄和保存，最終生成檢測(cè)報(bào)告，以便于輸出和打。自動(dòng)檢測(cè)定心軟件可以自動(dòng)形成表 1，如下所示。

表 1 自動(dòng)定心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和調(diào)整的圖形中可以看出，該自動(dòng)定心系統(tǒng)用于定心時(shí)，經(jīng)過第三次迭代調(diào)整后，能夠得到很好的定心效果。定心偏差結(jié)果如下:

角度偏差:

上端偏差為:

從計(jì)算偏差可以看出，對(duì)于大型深孔加工過程中通過虛擬軟件控制調(diào)整，說明該自動(dòng)定心系統(tǒng)能夠很好的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定心要求，并且定心誤差能達(dá)到 μm 級(jí)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)加工設(shè)備的高精度檢測(cè)和精確定位。

4 、結(jié)論

綜上所述，本文采用互為基準(zhǔn)的方法，對(duì)便攜式鏜孔機(jī)的自動(dòng)定心測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明:

( 1) 該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測(cè)，快速進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，定心精度高，系統(tǒng)穩(wěn)定，操作方便。

( 2) 該系統(tǒng)具有多用性，不僅能用于加工前的系統(tǒng)自動(dòng)定心，還能夠用于加工后被加工工件的質(zhì)量檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)定位檢測(cè)和加工質(zhì)量檢測(cè)一體化。

( 3) 運(yùn)用自動(dòng)化系統(tǒng)，大大降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，提升了安全性能。同時(shí)也提高了現(xiàn)場(chǎng)加工機(jī)械的自動(dòng)化程度，為其他機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展提供了參考。

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