數(shù)控加工一般采用離線測量模式，工件加工完成后需要搬運(yùn)到檢驗(yàn)部門進(jìn)行檢驗(yàn)，這種測量方式工件需要重新找正、設(shè)定原點(diǎn)，人為因素帶入一定的誤差，影響測量精度；工件在搬運(yùn)、裝卡過程中也容易出現(xiàn)變形與磕碰；造成操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率低。在線測量指工件加工完成后不拆卸，通過與機(jī)床集成在一起的測量系統(tǒng)直接對其進(jìn)行測量，檢驗(yàn)加工是否合格，這種方式可解決離線測量中存在的各種問題，有效提高加工效率。

精密磨床集成在線測量功能后，可實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)廓面測量成形、加工G代碼自動(dòng)編程、磨削量自動(dòng)檢測等功能，使數(shù)控磨床成為測量、加工一體化設(shè)備。本文介紹了實(shí)現(xiàn)精密磨床在線測量需解決的測量坐標(biāo)系建立、工件曲面建模、工件測量加工G代碼生成等關(guān)鍵技術(shù)問題，并通過磨削試驗(yàn)驗(yàn)證了精密磨床在線測量功能。

1、在線測量精密磨床系統(tǒng)構(gòu)成

精密數(shù)控磨床系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，其包含 X、Y、Z 三個(gè)直線軸和C軸、電主軸兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，其中C軸上裝卡工件，通過X軸、Z軸、C軸三軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)在線測量和磨削加工；電主軸上安裝磨頭，可以以最高12000r/h轉(zhuǎn)速對工件進(jìn)行磨削加工。

測頭為雷尼紹手動(dòng)旋轉(zhuǎn)測頭，分辨率為0.001mm，其*的三維測量性能與高精度光柵尺相配套，可保證產(chǎn)品測量的準(zhǔn)確度。旋轉(zhuǎn)測頭可以克服因被加工產(chǎn)品長，被測空間小所帶來的死區(qū)，提高測量效率。測頭安裝在測量桿上，信號通過數(shù)控系統(tǒng)快速I/O接口引入，以提高測量精度。測頭接觸工件瞬間可觸發(fā)中斷，數(shù)控系統(tǒng)通過MEAS命令記錄當(dāng)前坐標(biāo)值，并記錄到測量文件中。通過測量軌跡規(guī)劃，可實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)闊面測量，測量結(jié)果作為加工G代碼自動(dòng)編程依據(jù)，通過加工前后測量結(jié)果對比可檢驗(yàn)?zāi)ハ髁渴欠窈细瘛?/span>

精密數(shù)控磨床為高精度機(jī)床，任何誤差引入系統(tǒng)都將影響加工精度，本系統(tǒng)安裝光學(xué)成像設(shè)備作為對刀系統(tǒng)，通過調(diào)整高精度光學(xué)鏡頭，可將測頭和磨頭在同一焦距下放大數(shù)倍，并將圖像上傳至上位計(jì)算機(jī)，分別記錄測頭和磨頭中心點(diǎn)坐標(biāo)值，找到二者之間相對位置關(guān)系，即可建立測量坐標(biāo)系和加工坐標(biāo)系。上位計(jì)算機(jī)采用高配置工作站，完成測量軌跡規(guī)劃、測量G代碼自動(dòng)編程、測量結(jié)果曲面擬合、加工G代碼自動(dòng)編程、加工結(jié)果校驗(yàn)等大數(shù)據(jù)計(jì)算處理工作，同時(shí)提供人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)加工參數(shù)設(shè)定，加工G代碼仿真執(zhí)行，操作記錄等功能。

840D數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行測量和加工G代碼，通過多軸插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工件的測量和磨削加工。

2、測量、加工坐標(biāo)系建立

工件測量和加工都是基于工件母線曲線方程，其原點(diǎn)位于工件頂部，所以進(jìn)行加工前需建立以該原點(diǎn)為基準(zhǔn)的測量坐標(biāo)系G54、加工坐標(biāo)系G55。精密磨床光學(xué)對刀系統(tǒng)如圖2所示，通過固定在磨床上的基準(zhǔn)塊和光學(xué)成像系統(tǒng)，找到測頭和磨頭與工件坐標(biāo)原點(diǎn)之間相對位移，進(jìn)而建立測量坐標(biāo)系、加工坐標(biāo)系。

         （1）在安裝基準(zhǔn)塊時(shí)準(zhǔn)確測量其 X、Y、Z 三個(gè)方向與工作坐標(biāo)原點(diǎn)的坐標(biāo)差值，并通過銷釘將其固定在床身上，確保二者坐標(biāo)差值固定不變。 

 （2）測頭測量基準(zhǔn)塊XY、Z 三個(gè)端面，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)記錄測頭中心點(diǎn)坐標(biāo)值，通過與基準(zhǔn)塊坐標(biāo)差值計(jì)算，得到測頭相對于工件坐標(biāo)原點(diǎn)位移，在數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)置坐標(biāo)偏移值，建立測量坐標(biāo)系 G54。

  （3） 通過光學(xué)成像系統(tǒng)找到測頭中心點(diǎn)與磨頭中心點(diǎn) X 向、Z 向坐標(biāo)差值，通過與測量坐標(biāo)差值計(jì)算，得到磨頭相對于工件坐標(biāo)原點(diǎn)位移，在數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)置坐標(biāo)偏移值，建立加工坐標(biāo)系 G55。

3 、 數(shù)據(jù)處理方法及加工 G 代碼生成

精密數(shù)控磨床通過對工件上分散點(diǎn)的測量得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行母線方向及圓周方向兩維曲線擬合，得到被測工件回轉(zhuǎn)體曲面。依此為基礎(chǔ)，結(jié)合刀具（磨頭）自身特點(diǎn)，根據(jù)加工參數(shù)自動(dòng)生成加工 G 代碼，保證加工精度。加工完成后可對加工區(qū)域再次進(jìn)行測量，驗(yàn)證加工效果，檢測加工誤差，若誤差超出了要求，可對未達(dá)標(biāo)區(qū)域進(jìn)行再加工，直到滿足加工要求。

對工件內(nèi)廓面精密測量和修磨加工是數(shù)控磨床兩大最基本功能，數(shù)據(jù)處理是將測量和加工聯(lián)系起來的橋梁，同時(shí)也是按要求精密修磨的關(guān)鍵。

數(shù)據(jù)處理的任務(wù)是將測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面建模，建立加工基面，在此基礎(chǔ)上根據(jù)加工去除量和刀具軌跡規(guī)劃生成加工 G 代碼，完成對工件的修磨加工。

   （1） 內(nèi)廓面測量

對工件加工區(qū)域進(jìn)行測量的過程如下：測頭沿一條母線按等步長采集測量數(shù)據(jù)完畢后，工件沿圓周方向等間距旋轉(zhuǎn)，使測頭沿另一條母線采集數(shù)據(jù)，重復(fù)上述過程，依次遍及整個(gè)測量區(qū)域。

    （2）曲面建模

對工件內(nèi)廓面進(jìn)行測量之后得到一系列離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)工件加工工藝要求，找到所有測量點(diǎn)中距離內(nèi)表面理論點(diǎn)最高的一個(gè)點(diǎn)，以這個(gè)點(diǎn)位基準(zhǔn)勾勒出距理論內(nèi)表面等距的一個(gè)虛擬曲面，然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)各點(diǎn)的去處量自動(dòng)生成加工 G 代碼。

針對工件在圓周方向上的圓度已達(dá)到較高精度且加工區(qū)域在母線上曲率變化較平緩這一特點(diǎn)，采用最小二乘法曲線擬合的方法，即根據(jù)測量數(shù)據(jù)點(diǎn)，求出一個(gè)：

將每條測量母線的X坐標(biāo)與Z坐標(biāo)進(jìn)行三次多項(xiàng)式曲線擬合，根據(jù)母線方向擬合曲線的數(shù)據(jù)將圓周方向的 X 坐標(biāo)與 C 坐標(biāo)進(jìn)行三次多項(xiàng)式曲面擬合，兩個(gè)方向的擬合曲線即組成了工作基面；然后根據(jù)磨削去除量再沿著工件基面的法線方向計(jì)算出加工基面。以擬合加工基面方程為基準(zhǔn)并依據(jù)工藝參數(shù)以及測頭和磨頭半徑在法向方向上進(jìn)行半徑補(bǔ)償，就可以得到磨頭中心坐標(biāo)曲面。最終根據(jù)加工精度計(jì)算母線方向加工步距和圓周方向加工步距，規(guī)劃刀具軌跡，構(gòu)成加工基面的型值點(diǎn)集合，生成加工 G 代碼。

    （3）刀具軌跡規(guī)劃

精密磨床采用螺旋線形的環(huán)切刀具軌跡遍歷內(nèi)廓形，加工過程中磨頭在工件內(nèi)由里向外，先控制磨頭伸到工件的靠頂端處第一個(gè)螺旋環(huán)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)處，通過控制工件在 C 向旋轉(zhuǎn)和磨頭 X、Z 向微動(dòng)，三軸聯(lián)動(dòng)來完成第一圈修磨；第一圈的終點(diǎn)即為第二圈的起點(diǎn)，同樣由工件旋轉(zhuǎn)和磨頭微動(dòng)三軸聯(lián)動(dòng)完成第二周的加工，依次完成對整個(gè)內(nèi)廓面的修磨。

4、數(shù)控磨床磨削加工試驗(yàn)

在線測量數(shù)控磨床在加工完成后可通過測量系統(tǒng)驗(yàn)證加工精度：將加工區(qū)域內(nèi)每條測量母線加工前后的測量結(jié)果相減，得到各條母線加工值。

加工范圍：Z 向（工件母線方向）30mm，坐標(biāo)范圍245~275mm；磨削量：0.07mm，即工件母線的 X 向（磨削進(jìn)給方向）磨削前后坐標(biāo)差值；圓周采樣步距：90°，即在圓周方向每隔 90° 取一條母線進(jìn)行測量，共采集 4 條母線數(shù)據(jù)（0°，90°，180°，270°）；母線采樣步距：5mm，即沿母線 Z 向每隔 5mm 采集數(shù)據(jù)，每條母線上得到 7 個(gè)數(shù)據(jù)；圖 4 橫坐標(biāo)為 4 條母線的 Z 坐標(biāo)；圖 4 縱坐標(biāo)為加工前、后測量點(diǎn) X 坐標(biāo)的差值，即磨削去除量；每條母線上方的角度值表示該條母線在圓周方向的位置。

可以看出，工件內(nèi)表面的磨削是以近似相等的去處量進(jìn)行的，誤差控制在 ±0.01mm 以內(nèi)，該誤差影響因素包括：①雷尼紹旋轉(zhuǎn)測頭 0.006mm 測量精度；②直線軸 0.007mm 定位精度；③對刀系統(tǒng)誤差、裝卡誤差等。

5 、結(jié)論

在線測量技術(shù)應(yīng)用到精密數(shù)控磨床中，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的測量、建模、加工一體化，節(jié)省了工件搬運(yùn)、重復(fù)裝卡的工時(shí)，提高了產(chǎn)品測量、加工精度，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用其加工精度能控制在 ±0.01mm 以內(nèi)，同時(shí)該設(shè)備降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，顯著提高了生產(chǎn)效率?？梢灶A(yù)見，在線測量技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的廣泛應(yīng)用會成為發(fā)展趨勢。