TS640测头在五轴数控机床摆动主轴标定中的应用

杨林，李亚康

（沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳 110870）

0 引言

随着数控技术的发展，五轴加工领域中复杂零件所需要的高精度以及高重复精度已成为制约其发展的关键因素，因此如何提高数控机床的本体精度就显得异常重要。当然，除了要保证机床各个零部件的加工精度以及装配精度之外，对机床进行精准的标定已成为有效提高机床精度的重要途径。沈阳工业大学和石家庄纺织机械有限公司合作研发的HR2500 大型螺旋锥齿轮加工机床采用6 轴5 联动全闭环控制，数控和伺服驱动系统以及检测反馈元件均采用德国海德汉公司推出的相关产品。本文依托海德汉iTNC 530 数控系统、TS640 测头、SE640 接收器及海德汉KKH250 标准球，简单介绍了TS640 测头在该机床标定中的应用。

1 海德汉3D 测头

1.1 测头工作原理

海德汉公司的3D 测头采用光学传感器式的开关，其透镜系统汇聚LED 发出的光束并聚焦在差动光电池上。每当其探针偏离自由状态时，光电池就会发出触发信号。由于光学开关的非接触特性，在测量中传感器没有磨损，因此海德汉公司的触发式测头能够长期保持探测重复精度稳定，其中包括加工中具有大量测量任务的复杂应用环境。TS640 测头原配锂电池连续工作时间典型值为800 h。

1.2 接收单元

TS640 测头通过红外线光束传输触发信号。SE640接收单元安装在机床加工区内。红外线传输对噪音不敏感，甚至允许被反射，因此适用范围很广。这里我们将测头安装在摆动主轴头上，如果需要更大传输范围，还可以通过APE642 的连接单元，连接两个SE640，因此能够保证信号的顺利接收。

1.3 反馈单元

KKH250 标准球，把测头检测到的数据反馈给控制系统，并记录数据表。

2 测头与数控系统的连接

在iTNC 530 数控系统中，连接TS、TT 工件与刀具测头的接口分别为X12、X13，因此与系统的连接操作非常便利。操作者在MOD 模式下输入密码123，进入客户参数区。其中参数6000 至6599为TS、TT 测头的控制参数区域。对于TS 系列测头的参数主要修改表1 所列的参数，其它参数均采用默认值即可。由于系统标准PLC 文件库中已经包含了TS 系列测头所需要的控制程序，因此无需客户编制任何PLC 控制程序。在手动模式下，进入刀具表（TOOL TABLE），假设测头为18 号刀，将PLC 项改为%000 000 01，退出刀具表后设置生效。当用户调用18 号刀具时，用户界面右下方闪烁红色字符：PROBE，即表明所调用的为测头［1］。

表1 测量参数表

3 摆动主轴标定试验

本试验以沈阳工业大学与石家庄纺织机械有限公司联合研制的HR2500 大型6 轴5 联动螺旋锥齿轮数控加工设备为研究对象，完成机床摆动主轴几何误差标定，从而准确建立机床摆动主轴几何误差补偿模型。

首先，把回转工作台停在一个合适的位置，将HEIDENHAIN KKH250 标准球固定在回转工作台上（如图1）所示，然后把TS640测头安装在主轴上，开始试验。

1）在手轮模式下开动机床，让测头探针逐渐靠近标准球表面，直到探针接触到目标A 点，此时TS640 测头显示警报，并同时让机床停止进给，记录下此时机床的坐标A（x1，y1，z1），然后，再开动机床，先让机床远离标准球到达安全位置，再让A 轴摆动一个角度α，开动机床，让测头探针再次靠近标准球表面，直到探针接触到目标B 点，测头同样发出警报，机床停止进给，记录下此时机床的坐标B（x2，y2，z2）。通过A、B 两点的坐标值，及它们之间的特殊三角函数关系，我们能够计算出A 轴实际的摆动角度α′，所以摆动误差Δα＝α′－α。

如图 2所示，由于摆动角度的不同，会产生两种不同的计算方法，其计算方法如下所述：

（1）当摆动主轴摆动小角度时，其效果示意图如图2 中左图所示。

在直角ΔABC 中，

图1 测头安装示意图

图2 计算原理图

同样由余弦定理可得：

把式（1）、（2）、（3）三式联立，得

故可求解摆动误差Δα＝α′－α。

（2）当摆动主轴摆动大角度时，其效果示意图如图2 中右图所示。其求解方法与上述方法类似，在此不再赘述。

2）由于摆动主轴摆动不同的角度进行取点检测，会对摆动误差产生不同程度的影响，因此研究摆动误差与摆动角度之间的函数关系，具有一定的实际意义。尤其是对摆动精度要求较高的螺旋锥齿轮加工行业更为重要。就它们之间的关系而言几何误差建模的宗旨，就是要得到摆动误差基于摆动角度的数学误差模型，为此要进行曲线拟合。曲线拟合，是指用连续曲线近似地描述或者刻画平面上离散点组所表示的坐标之间的函数关系，简单来说就是把离散的数据点公式化。即已知样本点（xi，yi）（i=1，2，3，…，n），求得一个解析函数，y≈f（x），使f（x）在原样本点（xi）上尽可能接近yi的值［2］。

4 结语

6 轴5 联动数控加工中心的广泛应用，对摆动主轴及回转工作台的误差精度提出了更高的要求，所以仅从提高零件的加工精度、减少其内部发热量、严格控制加工环境和使用条件来减小误差的措施，变得越来越困难，而误差标定、补偿技术的应用则是摆脱这一困境的根本性措施［4］。本文以HR2500 6 轴5 联动螺旋锥齿轮数控加工中心为研发平台，对其摆动主轴的几何误差进行标定实验。利用基于Matlab 求解多元函数的功能，拟合出误差曲线的数学模型，并对摆动主轴的几何误差进行辨识建模。由于设计算法可以借助于计算机实现，因此在实践中推广非常方便。

［1］苗松.海德汉工件测头TS640 在数控镗铣床上的应用［J］.制造技术与机床，2009（12）：141-142.

［2］Wu S M，Ni J.Precision machining without precise machinery［C］//Proceedings of the CIRP Annals，1989：533-536.

［3］黄长艺，卢文祥，熊诗波.机械工程测量与试验技术［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［4］章青，王国锋，刘又午，等.数控机床误差补偿技术及应用—几何误差补偿技术［J］.制造技术与机床，1999（1）：30-31，34.