数控机床在线测量大直径技术研究

朱 沙，杨杰斌，陈世超，薛 靓

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

大型机械加工过程中的重要课题之一就是如何提高大尺寸的测量精度。一般认为大直径指大于500 mm的直径，如轧钢中的轧辊、重型机械和装备中大型的发电机组主轴、大型汽轮机主轴等尺寸达十几米。大直径测量存在于诸多生产工作中，但快速、准确的测量，特别是在线测量尚未完全实现。

工件的大直径精确测量是最近十年来研究的热点。文献[1-2]介绍了在圆周上作“标记法”测量大直径的方法，被测表面上安置带有强磁力座的薄形金属片（标记器），使得标记转到光电传感器处时，接收管产生光电脉冲信号，但该方法受工件转速精度和标记器大小的影响。文献[3]介绍了在专门设立的V型平台上，采用光学显微镜头、CCD摄像机和LED背景光源组件视觉系统，基于视觉检测技术实现高精度测量，实际上是一种非在线测量圆直径的方法。文献[4]总结了部分现有直径间接测量方法原理和主要的误差因素。文献[5]详述了激光源、摄像机、运动导轨、计算机和标定块组成的激光双目视觉测量系统，根据摄像机摄取的激光曲线图像，求解出圆柱体截面边界线的空间曲线方程，获取圆柱体在该截面处的直径参数的方法。该方法需要专用的装置，装置费用高。激光跟踪仪也可用于工件的圆直径的检测，但耗费时间较长，操作较为烦琐，需要有合适的空间使其激光能跟踪到测量点。总体来说“标记法”属于在线测量方法，但是“标记”方法对测量精度影响较大；近年来流行的视觉测量方法为非接触测量方法，但构成复杂，操作也相对复杂，价格昂贵。

综合上述因素本文提出了一种基于基点高差法的激光大直径测量系统，该系统专为解决数控机床的大直径在线测量而设计，具有与机床加工融合为一体，操作简单、快捷，精度高等优点。

1 基点高差法的激光测量方案

图1 机床系统

机床系统如图1所示，加工件位于主轴回转中心，与机床导轨一起构成了机床加工运动的空间坐标体系。主轴的回转中心应与机床导轨平行。

对于工件小直径（＜500mm）的测量，有很多方法可以实现，例如常规的外径千分尺，测量准确度可达0.01mm，小直径记为r。

对于大直径的工件测量，先选取直径较小的部位作为基准部位，使用外径千分尺测量其直径。

工件吊装到机床后，旋转工件，开动刀头架，使激光对准选取的基准部位，启动程序采集多个旋转周期内的多个测量距离，经处理后得到基准距离值，使用单点激光的测量精度为微米级。

将刀头架移动到需测量的大直径处，则有：

式中：R——被测量的工件直径；

L——激光到旋转加工件基准部位的距离；

H——测量激光到旋转加工件大直径处的距离；

r——工件小直径处的直径。

该方法根据机床加工的实际过程，巧妙利用机床直线性运动，小直径测量的方便快捷和准确性，工件旋转的周期变动性，激光测距的准确性，实现了大直径加工件的在线精密测量。

激光可直接装在一把经改造过的刀具上，装卡过程不到10s，或者固定安装在刀头架上，整个测量过程不到30s，最优测量准确度达到0.02mm。

2 测量误差的来源与分析

2.1 数控机床

2.1.1 回转主轴与导轨不平行和角度的影响

机床导轨与加工件回转主轴之间组成了一个空间坐标，回转主轴与导轨可能存在不平行和角度。不平行和角度对加工件的影响是不同的，若机床导轨与主轴回转轴线在水平面内有平行度误差，加工出的圆柱面就会产生锥度；若在垂直面内有平行度误差，则圆柱面成双曲线回转体，如图2所示。

图2 机床回转主轴与导轨不平行及角度对加工件的影响示意图

这两者影响到加工件本身，需要对机床系统自身进行调整，是机床不允许出现的状况，此时不能得到正确的测量数据。

2.1.2 主轴回转误差的影响

机床主轴回转存在径向跳动、轴向窜动、角度摆动对测量引入的误差。径向跳动是实际回转轴线平行于理想回转轴线，在一个平面内作等幅的跳动，这个跳动可以达到0.1mm，对直径测量带来影响，必须设法减小影响，可以采用数据处理的方法来克服径向跳动的影响；轴向窜动是实际回转轴线沿理想回转轴线在轴向方向的窜动，如果测量段直径不变，测量影响很小；角度摆动是实际回转轴线与理想回转轴线成一倾角，在一个平面上作摆动，影响到加工件的圆柱度，对该直径测量方法无影响[6-7]。

2.2 激光过圆心误差

理想的激光束应过测量直径圆的圆心，但实际激光束可能偏离圆心一定的距离，如图3所示。

图3 激光过圆心误差示意图

图3 是从加工件的轴方向投影的图形，内圆表示加工件上选取基准部位的圆，外圆表示加工件上大直径的测量部位的圆。

假设激光束过圆心，则大圆直径为小圆直径加上两个圆直径的差值，此差值为

而激光束不过圆心时，此差值为

假设小圆直径为360mm，即OD=OB=180mm，激光束过圆心偏差5mm，即OE=5mm

（1）假设测量大圆直径为1000mm，则

CD=CE-DE=320.0444mm，理论上是 320mm，误差为0.0444mm。

（2）假设大圆测量直径为600mm，则

CD=CE-DE=120.0278mm理论上是120mm，误差为0.0278mm。

可见误差随被测圆直径的增大而增大，但这个误差可通过控制激光束过圆心偏差来减少。在已知过圆心偏差范围的情况下，可根据直径差值和小圆直径，作为系统误差部分进行补偿。

2.3 激光束垂直入射角度误差

激光束垂直射到被测件上是最佳选择，但可能与垂直之间存在一个角度误差，这个角度误差会引起直径测量误差。假设选择的基准点至测量的大直径处高差的变化为L-H，角度偏差为θ，如图4所示。

图4 激光束垂直入射角度对直径测量的影响示意图

则由此引起的误差为假设L-H=1000mm，角度偏差θ=1°，则引起的误差为152.3μm。

假设L-H=1000mm，角度偏差θ=5°，则引起的误差为3.8053mm。

可见垂直入射角度误差为主要误差源。

3 数据处理

加工件以一定的转速旋转，例如30 r/min，激光器以较高的速率同步采集数据，得到多周期的数据。由于存在径向跳动，采集到的数据成正弦变化，为消除径向跳动的影响，可采用最小二乘法和FFT变换两种数据处理方式消除径向跳动的影响。

3.1 最小二乘法

按最小二乘法进行拟合，得到的截距部分就为距离值。

3.2 FFT变换

经FFT变换分离数据后，可得到0频的幅值，该值即为距离值，与转速同频的部分为圆跳动[8]。

4 准确度分析

4.1 测量数学模型

测量数据直径的误差为

式中：δ1——激光测距测量误差；

δ2——小直径量具测量误差；

δ3——激光束入射的垂直度误差；

δ4——激光过圆心误差[9]。

4.2 激光束过圆心误差的控制

机床尾椎为机床的旋转中心之一，尾椎一般为一个向内凹的圆，可事先测量和划线尾椎的中心线。将刀头架开到机床尾椎处，上下调节使激光束刚好横切尾椎，并与中心线重合，如此可控制过圆心偏差小于2 mm，同时根据过圆心偏差范围，将其看作系统误差部分进行补偿。

4.3 激光垂直度误差的消除

选用的激光测距应是测量准确度为微米级的激光器，在调整好过圆心误差后，移动刀头架使激光可测量距离，左右微调激光的角度，显示距离数据使读数为最小，此时激光束与被测对象垂直，可认为垂直引起的误差为几个微米。

激光束过心调整和垂直度调整可一次调整完成到位，测量时不需要再作调整。经调试后的系统大直径测量系统最优准确度可达20μm。

4.4 实测结果

用4根轧辊在机床上在线进行测量，然后使用研制的激光离线轧辊大直径测量装置进行复核，离线与在线直径测量数据比对见表1。两套不同测量原理的装置数据能相互印证，证明在线大直径测量系统的可行性。

表1 离线与在线直径测量数据比对

5 结束语

基于基点高差法的大直径工件激光测量方法，与加工机床融为一体，真实地反应了数控机床加工工件的直径。该方法简单、快捷，测量准确，可在线测量，还可直接测量圆跳动、锥度等。若加上刀头架导轨数据，还可扩展测量加工件的外形尺寸。该套系统已成功应用到某轨梁厂数控机床加工轧辊的生产工艺中。

[1]郭黎滨.新型“标记法”测量大直径的计算方法[J].哈尔滨工程大学学报，2004，25（6）：765-768.

[2]殷镇良.高精度大直径工件在线测量的新方法[J].仪器仪表学报，1994，15（3）：276-280.

[3]张玉纲.高精度圆柱直径大量程在线测量系统[J].传感技术学报，2009，22（12）：1839-1842.

[4]孙效杰.大直径间接测量方法的比较[J].工具技术，2009，43（3）：95-98.

[5]苏中.基于激光双目视觉系统的直径测量[J].半导体光电，2008，29（1）：131-139.

[6]雷贤卿.机床导轨对主轴回转轴线平行度的精密测量[J].制造技术与机床，2006（5）：68-74.

[7]李继中.改善数控机床精度的方法探索与分析[J].工具技术，2012，46（1）：48-52.

[8]胡广书.数字信号处理：理论、算法与实践[M].北京：清华大学出版社，2001：133-174.

[9]肖明耀.误差理论与应用[M].北京：中国计量出版社，1985：186.