常柴三坐标测量机改造项目

mejxw · 发表于 2016-11-13 22:34:35

常柴三坐标数控测量机改造方案

我国一些机械制造企业七、八十年代从国外进口了大量机械设备。目前，这些设备的机械部分基本完好，但由于其控制部分技术资料不全、内部电器老化、以及国外供货商的售后服务跟不上，售后服务和设备维修的费用昂贵，导致相当一部分设备不能正常使用，成为企业沉重的包袱。

武汉华中数控系统有限公司已成功地为东方电机厂、南昌飞机制造公司、常柴股份有限公司改造了多台东德、俄罗斯、美国等国的二手设备，积累了较丰富的经验。已为常柴、北京第一机床厂等单位提高了多台经济、实用的三维数字化仿形控制系统，已开发激光数字化三维复杂曲面测量/造型/加工一体化集成系统，已开发了在普通数控机床上，配置三坐标测头，对零件的几何形状精度和自由曲面零件自动测量的数控测量软件包。通过对常柴的三坐标数控测量机的现状进行了解和分析之后，提出以下改造技术方案。以下方案供企业领导决策时参考。

一、技术方案

由于该测量机是德国二手设备，所配控制系统为286微机，其控制系统的配件很难购到，已无法对其系统进行维修。其软件不具备对复杂曲面三维数字化扫描测量功能，不具备与CAD/CAM接口、不具备与数控机床通讯的功能，限制了该设备在常柴北厂模具车间的使用范围，其软件有待于升级。本方案提出更换原设备的控制系统，用在华中I型数控系统的基础上派生的华中三坐标测量机数控系统（含数控单元、PLC、强电柜等）对该设备进行彻底改造，达到其原有的零件几何形状精度测量功能，并增加对复杂曲面三维数字化扫描测量功能、与CAD/CAM接口、与数控机床通讯和网络等功能。

1、 三坐标数控系统结构详析

采用品牌奔腾计算机(配置15’彩色显示器、1.44’软驱、8GB硬盘、64MB内存、激光打印机等)替代原控制系统。在计算机总线上，插入模拟式伺服控制模块、触发式测头接口模块、仿形测头控制模块、光隔离输入模块、光隔离输出模块、网络控制模块等，作为与三坐标测量机的控制接口。更换系统操纵盒、控制电柜。保留三坐标测量机上原有的直流伺服驱动和电机、Heidenhain光栅尺及光栅信号处理系统、Renishaw触发式测头和信号预处理系统、操纵杆、行程开关等部件。若用户需要，可购置国产、或进口模拟式仿形测头(如Renishaw SP600M)，或非接触激光数字化侧头，使系统具备曲面三维数字化扫描测量的功能。

模拟式伺服控制模块有三个位置检测接口，采集光栅尺系统的脉冲信号，作为三个坐标的位置反馈，并有三路D/A输出信号控制伺服放大器，构成全闭环控制系统。输入模块是CNC系统内装PLC的硬件输入接口，输入电压为0--24V，最大电流为100毫安，用于操作面板的按钮信号输入、开关检测输入、气压的检测输入等，这个模块的输入点数为48点，系统可扩展的输入数点为4*64=256点。输出模块是CNC系统内装PLC的硬件输出接口，输出电压为2 4V，用于测量机的继电器控制系统，如测头方向的控制。该模块的输出点数为48点，系统可扩展输出点数为4*48=196点。多功能模块主要完成操纵杆位置信号的输入等。触发式测头接口模块、仿形测头控制模块采用硬件电路，实时采集测头的位置信号和测量机的坐标状态，经数据处理后，获得被测点的坐标数据。

数控单元的计算机采用交互式人机中文汉字界面和图形显示。数控单元内运行华中I型数控测量机软件，通过其内置的位置控制模块和PLC输入/输出模块控制伺服驱动单元，进而控制安装在测量机上的X、Y、Z轴伺服电机和测头按指定的程序运动和测量。


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华中I型数控系统的硬件结构图

2．数控与数据处理软件功能

2．1 基本软件

l 基本几何元素测量程序

l 扩展几何元素测量程序

l 形位公差测量程序

l 脱机零件编程程序

l 自学习零件编程程序

2．2 曲面点---点位置测量程序(选件)

l 曲面测量边界设置程序

l 曲面测量的自动布点程序

l 基于曲面测量数据的CAM系统

2．3 复杂曲面三维数字化扫描测量(仿形测量)系统(选件，需配置仿形测头控制模块和仿形测头)

HNC-1P数字化仿形数控系统是将数控系统与仿形系统集成化、一体化的控制系统，可与各种加工中心、数控铣床、仿形铣床、三维数字化扫描测量装置等配套使用。采用华中I型数控系统作为各种底层驱动和接口，与通用数控系统完全兼容，具有行进给方式的一维仿形、XY平面整圆周二维仿形、以及XY平面与Z轴联动的三维仿形等功能。该系统既可使用用户提供的仿形测头，也可根据用户需求，配套提供我公司的HNC-C3D型模拟式三维接触测头和HNC-L3D型三维激光非接触测头。系统可作为数字化测量装置对实物模型进行数控测量，并且可根据测量数据，生成曲面的几何模型，也可自动生成凹模、凸模、比例变换后的标准加工G代码。系统具有仿形速度快、加工精度高、集成度高和功能强的特点，是适用于模具制造的扫描系统。

主要性能指标：

★ 具备通用数控加工功能，与HNC-2000M加工中心完全兼容

★ 最高仿形速度：500mm/min

★ 仿形测量采样频率：300点/秒

★ 仿形测量精度：0.01mm

★ 最大移动速度:16m/min

★ 一维ZX ZY平面+行进给仿形

★ 二维XY平面内任意曲线仿形

★ 三维XY平面内任意曲线+Z轴层进给仿形

★ 三维空间清根仿形加工(三轴联动)

★ 仿形测量坐标系设定

★ 快速建立仿形工作初始状态

★ 无须人工干预，自动仿形测量或加工

★ 仿形过程速度自适应控制

★ 比例缩放与凸、凹模转换 (选件)

★ 测量数据与通用CAD/CAM系统接口 (选件)

★ 测量数据生成数控加工G代码 (选件)

★ 仿形轨迹三维彩色图形动态跟踪显示

★ 友好的用户界面，简单的操作控制

★ 适用于多种测头，可配测头如下：

ü Renishaw的SP600M型模拟式三维接触测头

ü 华中HNC-C3D型模拟三维接触测头

ü 华中HNC-L3D型三维激光非接触测头

ü 3DSCANNER型激光非接触测头

ü ANR1282型激光非接触测头

二、可行性分析与华中I型数控系统的技术特点

武汉华中数控系统有限公司是华中理工大学、香港华润机械有限公司、北京科希盟科技集团公司(国家科委)与武汉中南科技实业公司(武汉市科委)联合组成股份制企业。公司现有教授、高工等员工188人。

公司在技术上以华中理工大学数控研究所为依托，近年来受到863高科技计划项目、国家与地方的七五、八五攻关项目、国家自然科学基金项目的多项资助，取得了多项重大科研成果。所研制的华中I型数控系统于1994年通过了由国家教委主持的技术鉴定，鉴定会认为:“华中I型是我国独创的数控系统，是一项重大科研成果，系统达到国际先进水平，在复杂型面加工和轨迹控制技术方面达到当前国际水平。并在产品化方面取得了重要进展”。由于华中I型数控系统采用以通用工控机为基础的开放式体系结构，具有独特的技术优势，已逐步被我国工业界认可并受到用户欢迎。目前，公司生产的华中I型系列数控系统已成为中国四个主要数控系统之一。

在本技术路线中其硬件是我公司的成熟产品，不需重新开发，技术上有保障。已为常柴、北京第一机床厂等单位提高了多台经济、实用的三维数字化仿形控制系统；已开发激光数字化三维复杂曲面测量/造型/加工一体化集成系统；已开发了在普通数控机床上，配置三坐标测头，对零件的几何形状精度和自由曲面零件自动测量的数控测量软件包。本项目中，还需按用户的要求重新设计控制电柜中的强电电路和控制电柜的机械结构，不存在重大技术障碍。

三：系统配置与价格清单

产品序号	名称	数量	价格 (人民币)
1	华中I型测量机数控单元，包括： 1. 控制计算机 2. 华中I型三坐标测量机数控系统软件(三轴联动控制)	1
2	伺服控制模块(3轴全闭环)	3
3	光隔离输入模块 (48通道)	1
4	光隔离输出模块 (48通道)	1
5	多功能控制模块	1
6	触发式测头控制模块	1
7	网络通讯模块及通讯软件	1
8	三坐标测量机数据处理基本模块	1
9	曲面点---点扫描测量程序	1
10	电器控制柜： l 工程面板: 控制按扭、急停按扭、进给修调波段开关、等(工程面板按用户的要求设计) l 操纵台； l 电源变压器； l 伺服变压器； l 直流电源； l 继电器、接触器、电源保护电路等； l 强电柜； l 电柜组装等。	1
11	工程实施费用(设计、调试、培训、不可预见费用等)	1
12	管理费、税费和利润
13	技术文档：编程手册、使用手册、操作手册、电气控制柜原理图	1
		合计

注：1．交货期：4个月；工程实施验收：5个月；

2. 运输方式：自提，代办托运。

选件：仿形数控系统

1	三坐标数控仿形软件	1
2	英国Renishaw高精度三维仿形测头SP-600M、球头测指(2支)	1
3	仿形头接口电路	1

注：1.若采用华中三维仿形测头，则在以上价格的基础上下浮40000万元。

武汉华中数控系统有限公司

2000年1月15日

附录一：复杂曲面三维数字化扫描测量方式：

l 一维ZX、ZY平面+行进给仿型

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这种仿型方式又称为沿z轴的一维仿型，即仿型测量过程中测头只在z轴做一维仿型退让动作，其它轴做仿型进给运动。一般具有x向和y向两种行切方式，称为zox或zoy平面仿型。测头的运动规律类似于曲面数控加工的坐标平面行切法。

以x向行切方式为例说明一维仿型的过程。如图1(a)所示，设每次测得测头坐标值为(xi， yi， zi)，加工区域为xmax <xi < xmin，ymin <yi < ymax，则控制算法如下：若xmax <xi < xmin满足，测头沿z向进行退让动作，沿x向作进给运动，y轴的进给速度为零；当xi < xmin或xi > xmax，且ymin <yi < ymax时（即到达仿型区域左边或右边换行边界），暂停zox平面仿型，启动zoy平面仿型；当测头沿y轴运动到行进给间距D，则暂停zoy平面仿型，启动zox平面仿型；如此循环往复，直到当yi > ymax或yi < ymin时，仿型测量过程完成。这种zox或zoy平面的行切仿型方式在仿型加工中具有较普遍的适用性，几乎可完成所有型面的仿型加工。

zox与zoy平面仿型方式在仿型过程中可由操作者在任意地点、任意时刻随时切换，仿型加工区域也可随时改变，即在操作过程中有高度的自由度，以增加对复杂曲面仿型加工的能力。

l 二维XY平面内任意曲线仿型

l 二维XY平面内任意曲线+Z轴层进给仿型

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二维仿型分为两种情形：其一是纯XOY平面二维曲线的仿型，其二是XOY平面二维曲线仿型一周后，进入一维层进给，然后再进入XOY平面二维曲线仿型，如此循环往复直到给定仿型区域仿型完毕。如图2所示为两种纯XOY平面二维曲线的仿型方式，其一为任意非自交、封闭二维曲线，其二为任意非自交、开曲线。如图3所示为带层进给的二维仿型。带层进给的二维仿型层进给方向可以是沿Z轴由下向上（见图3(a)），也可以是由上向下（见图3(b)）。如图3(c)所示，带层进给的二维仿型可以进行部分柱面区域的仿型加工。二维仿型方向、层进给方向等控制参数可以在仿型过程中随时切换，具有较强的仿型适宜性。

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l 三维空间清根仿形加工(三轴联动)

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三维清根仿型的特点是：在仿型过程中测头与型面始终保持两点接触，一为测头的底点，一为测头的侧点。三维清根仿型的目的是清除柱面与底面之间的切屑余量。一般柱面的母线不一定是直线，底面也不一定是水平平面，测头轨迹是一条空间曲线，因此三维清根仿型时三轴必须联动。实现三维清根仿型的基本思想是：用测头与柱面侧点接触得到的信息（测头X、Y两个方向的变形量）控制测头绕柱面二维仿型；测头与底面接触的信息控制测头沿Z轴的一维仿型。二维仿型与Z轴的一维仿型是相互独立的，它们的运动综合起来共同实现三维清根仿型。如图4所示，三维清根仿型方式适合于凸台与底曲面相交部位的清根切削。