數(shù)控加工一般采用離線測量模式鞍靴，工件加工完成后需要搬運(yùn)到檢驗(yàn)部門進(jìn)行檢驗(yàn)傅瞻，這種測量方式工件需要重新找正蘑慕、設(shè)定原點(diǎn)董翻，人為因素帶入一定的誤差圾董，影響測量精度；工件在搬運(yùn)桨挂、裝卡過程中也容易出現(xiàn)變形與磕碰几谐；造成操作工人勞動強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率低布布。左線測量指工件加工完成后不拆卸坊欢，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)加工是否合格鹃封，這種方式可解決離線測量中存在的各種問題甥归，有效提高加工效率。

精密磨床集成在線測量功能后趟伺，可實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)廓面測量成形卑保、加工 G 代碼自動編程、磨削量自動檢測等功能酸疹，使數(shù)控磨床成為測量天俺、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)系建立雌芽、工件曲面建模授艰、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世落。

1 淮腾、 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屉佳、Y来破、Z 三個直線軸和 C 軸、電主軸兩個旋轉(zhuǎn)軸忘古，其中 C 軸上裝卡工件徘禁，通過 X 軸、Z 軸髓堪、C 軸三軸聯(lián)動實(shí)現(xiàn)在線測量和磨削加工送朱；電主軸上安裝磨頭，可以以最高 12000r/h 轉(zhuǎn)速對工件進(jìn)行磨削加工干旁。

測頭為雷尼紹手動旋轉(zhuǎn)測頭驶沼，分辨率為 0.001mm炮沐，其優(yōu)越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)確度佛缕。旋轉(zhuǎn)測頭可以克服因被加工產(chǎn)品長碉伙，被測空間小所帶來的死區(qū)，提高測量效率陈汇。測頭安裝在測量桿上真译，信號通過數(shù)控系統(tǒng)快速 I/O 接口引入，以提高測量精度燕柠。測頭接觸工件瞬間可觸發(fā)中斷猬蚤，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尊慷。通過測量軌跡規(guī)劃执寺，可實(shí)現(xiàn)工件內(nèi)闊面測量，測量結(jié)果作為加工 G 代碼自動編程依據(jù)肖婴，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?/p>

精密數(shù)控磨床為高精度機(jī)床洞惕，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)略裹，通過調(diào)整高精度光學(xué)鏡頭庞溜，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)碑定，分別記錄測頭和磨頭中心點(diǎn)坐標(biāo)值煞松，找到二者之間相對位置關(guān)系栽不，即可建立測量坐標(biāo)系和加工坐標(biāo)系允坚。上位計(jì)算機(jī)采用高配置工作站极谊，完成測量軌跡規(guī)劃、測量 G 代碼自動編程碘赖、測量結(jié)果曲面擬合驾荣、加工 G代碼自動編程、加工結(jié)果校驗(yàn)等大數(shù)據(jù)計(jì)算處理工作普泡，同時提供人機(jī)交互界面播掷，實(shí)現(xiàn)加工參數(shù)設(shè)定，加工 G 代碼仿真執(zhí)行撼班，操作記錄等功能歧匈。

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)動實(shí)現(xiàn)工件的測量和磨削加工砰嘁。

圖1  精密數(shù)控磨床系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2  嚎猛、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鹤梯，其原點(diǎn)位于工件頂部拉鳄，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排貌、加工坐標(biāo)系 G55。精密磨床光學(xué)對刀系統(tǒng)如圖 2 所示凳福，通過固定在磨床上的基準(zhǔn)塊和光學(xué)成像系統(tǒng)投谅，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)系则钩、加工坐標(biāo)系蘑劲。

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

圖2  精密數(shù)控磨床光學(xué)對刀系統(tǒng)圖

② 測頭測量基準(zhǔn)塊 X、Y适肠、Z 三個端面霍衫，數(shù)控系統(tǒng)自動記錄測頭中心點(diǎn)坐標(biāo)值，通過與基準(zhǔn)塊坐標(biāo)差值計(jì)算侯养，得到測頭相對于工件坐標(biāo)原點(diǎn)位移敦跌，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逛揩。

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 向柠傍、Z 向坐標(biāo)差值，通過與測量坐標(biāo)差值計(jì)算辩稽，得到磨頭相對于工件坐標(biāo)原點(diǎn)位移惧笛，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逞泄。

3 患整、 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喷众，得到被測工件回轉(zhuǎn)體曲面各谚。依此為基礎(chǔ)，結(jié)合刀具（磨頭）自身特點(diǎn)到千，根據(jù)加工參數(shù)自動生成加工 G 代碼甥鼠，保證加工精度。加工完成后可對加工區(qū)域再次進(jìn)行測量稻诚，驗(yàn)證加工效果惑妥，檢測加工誤差，若誤差超出了要求浴瞭，可對未達(dá)標(biāo)區(qū)域進(jìn)行再加工示荠，直到滿足加工要求漓蜗。

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)系起來的橋梁节立，同時也是按要求精密修磨的關(guān)鍵螃恕。

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，建立加工基面患并，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 代碼膳几，完成對工件的修磨加工。曲面數(shù)字化修磨數(shù)據(jù)處理流程如圖 3 所示:

圖3  精密數(shù)控磨床數(shù)據(jù)處理流程圖

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)完畢后破溺，工件沿圓周方向等間距旋轉(zhuǎn)启疙，使測頭沿另一條母線采集數(shù)據(jù)，重復(fù)上述過程裕循，依次遍及整個測量區(qū)域臣嚣。

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)工件加工工藝要求剥哑，找到所有測量點(diǎn)中距離內(nèi)表面理論點(diǎn)最高的一個點(diǎn)硅则，以這個點(diǎn)位基準(zhǔn)勾勒出距理論內(nèi)表面等距的一個虛擬曲面，然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)各點(diǎn)的去處量自動生成加工 G 代碼株婴。

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)怎虫，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)困介，求出一個：

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)式曲線擬合大审，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，兩個方向的擬合曲線即組成了工作基面座哩；然后根據(jù)磨削去除量再沿著工件基面的法線方向計(jì)算出加工基面饥努。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)曲面八回。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酷愧，規(guī)劃刀具軌跡，構(gòu)成加工基面的型值點(diǎn)集合撼烹，生成加工 G 代碼濒垫。

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)由里向外远燕，先控制磨頭伸到工件的靠頂端處第一個螺旋環(huán)第一個節(jié)點(diǎn)處久泞，通過控制工件在 C 向旋轉(zhuǎn)和磨頭 X、Z 向微動奖放，三軸聯(lián)動來完成第一圈修磨淡藻；第一圈的終點(diǎn)即為第二圈的起點(diǎn)，同樣由工件旋轉(zhuǎn)和磨頭微動三軸聯(lián)動完成第二周的加工砚粒，依次完成對整個內(nèi)廓面的修磨缔沐。

4  贤疆、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尊陪，如圖 4 所示：

圖4  精密數(shù)控磨床加工結(jié)果數(shù)據(jù)圖

加工范圍：Z 向（工件母線方向）30mm枫演，坐標(biāo)范圍245~275mm；磨削量：0.07mm段物，即工件母線的 X 向（磨削進(jìn)給方向）磨削前后坐標(biāo)差值酵熙；圓周采樣步距：90°，即在圓周方向每隔 90° 取一條母線進(jìn)行測量驰坊，共采集 4 條母線數(shù)據(jù)（0°匾二，90°，180°拳芙，270°）察藐；母線采樣步距：5mm，即沿母線 Z 向每隔 5mm 采集數(shù)據(jù)态鳖，每條母線上得到 7 個數(shù)據(jù)转培；圖 4 橫坐標(biāo)為 4 條母線的 Z 坐標(biāo)恶导；圖 4 縱坐標(biāo)為加工前浆竭、后測量點(diǎn) X 坐標(biāo)的差值，即磨削去除量惨寿；每條母線上方的角度值表示該條母線在圓周方向的位置邦泄。

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)行的裂垦，誤差控制在 ±0.01mm 以內(nèi)顺囊，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 定位精度吝蔽；③對刀系統(tǒng)誤差端辛、裝卡誤差等。

5  結(jié)論

在線測量技術(shù)應(yīng)用到精密數(shù)控磨床中超肃，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的測量希没、建模、加工一體化佳绩，節(jié)省了工件搬運(yùn)腿伟、重復(fù)裝卡的工時，提高了產(chǎn)品測量舰搜、加工精度芬过，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用其加工精度能控制在 ±0.01mm 以內(nèi)，同時該設(shè)備降低了工人勞動強(qiáng)度蚪桐，顯著提高了生產(chǎn)效率佣今⊙溆常可以預(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)展趨勢但惶。

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