一种五轴数控加工中心在线检测关键技术研究
（泰州技师学院 江苏泰州 225300）
摘要：在线检测技术作为数控加工中心作业的重要组成部分，技术应用方案决定了机床加工效率与质量。目前，提出的机床在线检测关键技术未能有效识别数控加工中心刀偏量，缺少偏量修正的研究，导致在线检测作业价值未能得以充分体现。为了提高五轴数控加工中心作业效率，改善机床在线检测性能，以数控加工中心刀偏量作为研究突破口，提出一种新的一种五轴数控加工中心在线检测关键技术研究。该技术方案以数控系统HEIDENHAINITNC530作为工件加工控制工具，利用触发式光电探测头HEIDENHAIN460对工件进行在线检测，通过运行探测循环TCH PROBE411原点偏置处理程序，修正加工原点位置。测试结果表明，本研究开发的技术方案在线检测定位应用测试中虽然出现了1mm偏差，但是在误差允许范围之内，6种工件质量检测结果与实际结果相符。所以，该技术方案的设计，不仅可以准确修正检测原点偏差，而且还可以为工件质检提供较为可靠的判断依据。
关键词：在线检测；五轴数控加工中心；探测头
在线检测技术在机床上的应用，是将触发式探头安装在数控加工中心上，以探测头作为特殊刀具号，对工件质量进行检测[1]。根据检测结果，判断是否对工件采取进一步加工处理。由于该项技术的应用具有自由度大优势，支持复杂空间曲面产品检测，作业效率较高，因而能够帮助数控加工机床缩短制造周期，有效控制加工成本[2]。因此，在线检测技术成为了数控加工中心作业不可缺少的一部分。由于在线检测技术的应用研究时间尚短，未能有效识别数控加工中心刀偏量，并加以修正[3-4]。为了充分发挥在线检测技术在五轴数控加工中心中应用的功效，本文尝试提出一种支持自动修正的在线检测关键技术展开深入研究。
一、五轴数控加工中心在线检测作业原理
本研究选取五轴数控加工中心的数控系统HEIDENHAINITNC530作为工件加工控制工具，利用触发式光电探测头HEIDENHAIN460展开在线检测工作[5]。关于探头长度的标定，需要运用高度为50mm标准量块作为辅助材料，确定机床工作台与正主轴端面之间的距离，控制50mm，而后安装探头，开启在线检测作业模式[6]。如图1所示为在线检测作业原理图。
图1 五轴数控加工中心在线检测作业原理图
检测作业期间探头触碰工件受力，探测头的角度会发生一定变化，偏离原位置。因此，检测到的位置不是工件实际位置。循环启动探测作业，沿着+X、-X、+Y、-Y4个方面展开检测，而后探头旋转180°，再次沿着+X、-X、+Y、-Y4个方面展开检测，运行系统得到半径R有效值，根据计算结果确定工件是否达到加工标准。由于作业期间出现了原点偏差问题，所以需要重点讨论修正原点的方法。
二、五轴数控加工中心在线检测技术开发
1、在线检测探头作业功能开发
为了实现不同模式下的工件检测及指标数值标定，本研究设置了数控系统HEIDENHAIN ITNC530的检测期间探头作业功能，如表1所示。
表1 检测期间探头作业功能
名称 标定R 测量POS 标定L 测量P1 测量P2
探头功能 有效半径的校准 任务轴原点的设置 有效长度的校准 原点设置为角点 运用4孔/圆柱台设置原点
名称 测量ROT1 测量 测量CC2 测量CC1 测量ROT2
探头功能 采用直线测量法，完成基本旋转检测 原点设置为中心线 运用3孔/圆柱台设置圆心 原点设置为圆心 运用2孔/圆柱台检测基本旋转
首先，设定系统加工原点，选取预设表0位置作为原点参数存储位置，而后根据检测需求选取预设号，开启作业模式。在此期间，预设号中将赋予0号预设值。
2、技术参数设置
按照在线检测探头功能开发方法，合理设定各个技术参数，以满足在线检测探头作业要求，获取较为精准的检测结果。如表2所示为技术参数设置方案。
表2 技术参数设置
序号 参数名称 说明 序号 参数名称 说明
1 MP6120 检测进给速率，应用设备为触发型测头 6 MP6165 以编程探测方向为中心，确定红外线测头布设方向
2 MP6130 检测点行程最大值 7 MP6166 将基本旋转设定为手动操控模式
3 MP6140 检测点安全距离 8 MP6170 开展多次测量
4 MP6150 快速运动定位，应用设备为触发型测头 9 MP6171 设定可信范围
5 MP6151 决定是否开启快速运动定位模式，应用设备为触发型测头
表1中，MP6151参数，用“1”和“0”赋值决定是否开启快速运动定位模式。其中，“1”代表开启快速运动定位模式，以运用定位测头采集运动速率数值，获取快速运动定位信息；“0”代表不开启定位模式，而是执行MP6150参数进给速度。
3、循环检测技术开发
考虑到五轴数控加工中心检测期间可能受到外界因素干扰，导致检测结果与实际数值出现偏差[7]。其中，原点位置偏差问题较为严重，因此本文将此问题作为重点研究内容，提出一种循环检测技术的应用开发。通过运用探测循环TCH PROBE411完成加工原点偏置处理，使得加工原点位置得以修正[8]。其中，偏置原点的布设如图2所示。
图2 偏置原点
（1）循环检测技术流程
根据检测需求，设定TNC的输入端，包括预定表、原点表两个选项，快速移动定位也分为两个选项，即MP6361、MP6150。另外，设定编程起点位置1为检测点探头定位处。确定这些参数后，根据设定的技术参数数值，结合安全高度数据，计算在线检测坐标数据，从而确定探头检测的起点。接下来，探头按照检测作业规定，移动至检测高度处，按照进给速率作业，完成第一触点的检测任务。而后沿进轴运动，检测下一起点2间隔高度处，完成第二触点的检测任务。接下来，检测起点3、起点4位置处的第三触点、第四触点。而后开启下一次循环检测，其中，返回的检测原点由参数Q305和参数Q303决定。因此，返回原点决定了检测结果精准度，为了提高检测精度，必须修正坐标原点。
（2）坐标原点修正处理
通过对五轴数控加工中心坐标原点采取修正处理，从而提高定位精度，为操控人员提供高精度在线检测结果。其中，坐标原点修正采用探测循环的方式，执行TCH PROBE411循环操作命令。第一步，通过目测观察检测探头所处位置，将其移动至矩形毛坯上表面设定的中心附件位置[9]。第二步，将加工原点设置为探头当前所处位置，激活设备。第三步，执行TCH PROBE411循环操作命令。其中，参数Q322和 Q321参数均设置为0。考虑到设备作业期间可能出现工件与探测头碰撞情况，估计参数Q324和参数Q323数值，以最大值作为输入量。关于循环操作中探测轴的定义，为五轴数控刀具调用功能加以程序控制得以完成[10]。以下为基于循环检测技术的坐标系原点修正方案：
（1）修正参数Q321=+55，定义为点2对应的X坐标值，用来描述沿着X方向，凸台中心的绝对坐标值；（2）修正参数Q322=+65，定义为点2对应的Y坐标值，用来描述Y方向，凸台中心的绝对坐标值；（3）修正参数Q261=-12，定义为沿着Z轴方向的检测期间探头高度，用于描述探测轴球头中心的坐标值；（4）修正参数Q323=+110，定义为沿着X向的毛坯长度，用来描述沿着X方向的矩形凸台增量值；（5）修正参数Q324=+128，定义为沿着Y向的毛坯宽度，用来描述沿着Y方向的矩形凸台增量值；（6）修正参数Q260=+50，定义为间隔高度，该参数的数值为50，用来描述间隔高度的绝对值，避免工件与刀具发生碰撞条件下的坐标值，该数值沿着探测轴方向。（7）修正参数Q320=+10，定义为检测探头作业期间的安全距离，赋值10，用来描述球头与检测点之间的附加距离，该项参数数值将与MP6140累加；（8）修正参数Q305=+3，定义为刀具参数存储位置，布设在预设表位置3，用来描述预设表位置序号，为了调整原点位置，使其转移至凸台中心，为参数赋值0，此时TNC自动完成设置，调整原点位置；（9）修正参数Q301=+1，定义为两个检测点之间的运动高度，用来描述检测点的运动方式。“1”为间隔高度处运动，“0”代表检测高度处运动；（10）修正参数Q332=+0，定义为新原点Y轴参数，赋值0，用来描述辅助轴2坐标，设置为0；（11）修正参数Q331=+0，定义为新原点X轴参数，赋值0，用来描述辅助轴1坐标，设置为0；（12）修正参数Q331=+1，定义为检测Z轴，用来描述检测Z轴原点的设置决策，如果赋值“1”，则设置此原点，如果赋值“0”，则不设置此原点。（13）修正参数Q303=+1，定义为检测值转移，用来描述原点管理方法，包括“保存在预设表中”、“保存在原表中”两种情况。“1”代表保存在预设表中，“0”代表以当前工件坐标系统作为原点参考系统，“-1”代表保存在原表中；（14）修正参数Q383=+65，定义为检测Z轴期间检测点Y轴坐标数值，用来描述沿着Z轴方向检测期间，Y轴坐标变换数值（以激活后的坐标系为准）；（15）修正参数Q382=+55，定义为检测Z轴期间检测点X轴坐标数值，用来描述沿着Z轴方向检测期间，X轴坐标变换数值（以激活后的坐标系为准）；（16）修正参数Q382=0，定义为Z轴参数的设置（新原点），赋值0，用来描述原点探测坐标，一般情况下设置为0；（17）修正参数Q384=+0，定义为检测Z轴期间检测点Z轴坐标数值，以该点作为检测轴原点（当Q381=1时有效）。
三、测试分析
1、测试内容与方法
（1）分别对6个不同的工件质量进行检测期间，设定6个检测点位，运用本文设计的在线检测方案分别采集各个点位X轴、Y轴、Z轴数值，将此部分数据与点位实际坐标轴数据进行对比，获取定位偏差统计结果。如果点位偏差控制在2mm以内，则认为在线检测方案定位精度达到检测标准。
（2）工件质量检测，运用HEIDENHAINITNC530系统计算工件各项参数，与加工标准进行比对，判断当前检测工件是否达到质量标准。该结果将与实际质检情况进行比较，得到质检结果相符判断结果。本次检测随机抽取6个工件作为检测对象，如果6个工件的检测结果与实际检测结果相符，则认为本研究设计的在线检测方案符合五轴数控加工中心作业需求。
2、测试结果分析
按照上述测试方法，分别对检测点坐标定位偏差、工件质量检测准确性进行测试，整理数据结果见表3和表4。
表3 检测点坐标定位偏差（单位：mm）
坐标轴 点A 点B 点C 点D 点E 点F
X轴 0 0 0 0 0 0
Y轴 0 0 0 1 0 0
Z轴 0 0 1 0 0 0
表3中，除了点C 和点D的坐标定位中Z轴、Y轴分别出现了1mm偏差，其他点未出现定位偏差。由此判断，本研究的在线检测方案符合测点定位精度要求。
表4 工件质量检测准确性
统计指标 工件1 工件2 工件3 工件4 工件5 工件6
检测结果 合格 不合格 合格 合格 不合格 合格
实际结果 合格 不合格 合格 合格 不合格 合格
相符情况 相符 相符 相符 相符 相符 相符
表4中，6种工件质量检测结果与实际结果相符，所以本研究设计的在线检测方案能够作为工件质量检测辅助工具。
总结
本文选取五轴数控加工中心的数控系统HEIDENHAINITNC530作为工件加工控制工具，讨论一种系统在线作业检测方法。该方法主要运用探头采集坐标位置信息，统计各个位置信息，得到工件各个部位半径参数，从而判断工件是否需要进一步加工。本研究与其他研究的不同之处在于，增加了原点偏差修正处理。测试结果显示，本设计方案的点位测定偏差较小，控制在1mm以内，工件质量检测结果与实际情况相符。
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