2024年3月29日发(作者：)
DMG车铣加工中心测头标定及3D标定
发布时间：2022-10-11T06:10:57.100Z 来源：《科学与技术》2022年第11期 作者： 郭克波 刘永杰 徐彦斌 都江炜
[导读] DMG车铣加工中心可以对复杂零件进行加工，将数控技术与测量技术相结合，实现数控加工过程的在线测量，有利于提高加工过程
的连续性。
郭克波 刘永杰 徐彦斌 都江炜
中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东省青岛市266000
摘要：DMG车铣加工中心可以对复杂零件进行加工，将数控技术与测量技术相结合，实现数控加工过程的在线测量，有利于提高加工
过程的连续性。为保证机床的测量精度，有必要在首次及以后的应用中对定期测头进行标定。本文对雷尼绍测头的存在的预行程误差、偏
心误差和测头半径误差进行分析，在DMG机床上对测头的探头小球偏心、探头小球半径和测头长度进行标定，并基于标定的测头完成机床
B轴、C轴和Z轴的标定。
关键词：DMG车铣加工中心；测头标定
0前言
DMG车铣加工中心能够实现五轴联动，可以对复杂零件进行加工。在机床上配置雷尼绍测头，将测头系统装夹在主轴上，使数控机床
和测量技术有机结合，能对工件的加工过程进行实时在线测量，可以多次测量加工零件，优化加工工艺，能够改善测量精度，提高生产效
率。
为保证测量精度，需对测头进行标定。2013年张白等[1]设计了一种基于最小二程迭代算法及迭代数据筛选算法的三维扫描测头标定方
法，实现三维扫描测头的高精度高效率标定。2014年胡辉[2]以西门子840D系统和海德汉ITNC530系统为例，介绍了雷尼绍测头的标定方
法。2016年范洋[3]对三维测头的标定进行研究，分析了测头的线性度、探测误差和扫描探测误差，并开发了三维扫描测头的标定软件。
2018年鞠萍华等[4]对测头误差补偿进行研究，分析了触发式测头测量误差组成元素和产生的原因，并建立了测头标定的数学模型来对测头
矢量半径补偿进行研究。本文根据实际生产需求，对DMG数控机床的测头进行误差分析和标定，并使用标定的测头对DMG机床3D进行标
定。
1 测头标定原理
在数控机床上测量零件时，测量传感器连接的测针末端安装的是宝石球，测量时测头以一定进给速度靠近被测目标，当宝石球与零件
接触后，触发测量信号，此信号被光栅计数系统采集后会传递给计算机测量系统，系统会测算得到一个几何坐标（x，y，z）。此坐标为宝
石球的球心坐标，与实际测量点的坐标相差一个宝石球的半径值，只要测得宝石球的半径值，将其补偿到测量结果中，即可得到测量点的
实际坐标。
2 测头误差分析
对于触发式测头，其误差主要包括测头的行程误差、由于安装导致的偏心误差和由于宝石球结构不均引起的半径误差。
2.1 测头预行程误差
测头在测量过程中，以一定的触测速度靠近工件，在时接触测量目标，测头继续进给，触测力逐渐增大，在时测头触发，随后将信号
传递到数控机床，机床接收到信号后在时锁存当前测量值，记录当前坐标值，随后发出机床停止驱动信号，在时机床停止驱动。
在此过程中，从测头接触测量目标到机床记录测量坐标值的过程中测头移动的距离即为测头的预行程误差，设测头测触速度为，则该
行程误差为，测量结果与实际结果偏差距离。预行程误差会在后续的标定中得到补偿。
2.2 测头偏心误差
在测量中当测头中心线与主轴中心线不重合时，会导致测头的偏心误差，造成实际测量结果与理论测量结果的偏差。如图所示，此时
宝石球实际接触点与理论接触点偏差，造成测量结果偏大（或偏小），当主轴转过180°时，宝石球实际接触点与理论接触点偏差，造成测
量结果偏小（或偏大）。
2.3 测头半径误差
在测量中测量坐标与测量点坐标相差半径r，由于测头存在着各向异性误差等误差，对于不同测量方向其补偿的半径值不同，即所谓的
半径误差，因此需要对不同的法矢方向的半径进行标定，以确保半径补偿的准确性。
3. 测头标定
测头标定是矫正测头球相对主轴中心线的偏差和测头的长度误差以及探针球的半径误差。由于预行程误差等的影响，标定得到了测头
长度和宝石球半径都是等效结果，与实际结果并不一致，也称其为电子长度和电子半径。
DMG机床使用西门子840D数控系统，配有触发式雷尼绍测头。雷尼绍测头提供相应的循环程序，可以对测头进行标定。
3.1 探头小球偏心标定
（1）粗调整：调整刀柄上面2内六角螺栓，进行探头小球粗调矫正，使探头小球位于刀柄圆周中心；
（2）细调整：调整测头上面4个螺栓，将千分表表头用磁性表座固定在工作台上，找到测头圆球最高点，用手转动主轴看表头指示，
将表头找正到0.003mm以内。
一般在使用千分表对测头进行校正后还会使用测头标定程序对测头偏心进行矫正，但在本文中使用千分表对测头校正后满足使用要
求，将不再对测头偏心进行程序校正。
3.2 测头小球半径标定
在手动模式下测量测头小球半径。将标准环放到工作台上面，标准环半径为50.005mm，用手动方式将测头调整到标准环内圈，不关门
进行标定。启动循环，测头会按照所示顺序对标准环进行测量，测量后对结果进行计算以得到测头小球的半径。
标定操作流程流程为：
加工模式MACHIWE—测量工件—校正探头—半径（输入标准环半径）—按住手轮底部开关打开进给倍率100%—按循环启动—测头半
径自动补到T80刀具内。
3.3 测头长度标定
在进行长度标定前，需要先确定长度标定的Z轴参考面平面，使用标准块和标准刀对参考平面进行标定，调出T82标准刀，用手动方式
将标准刀调整使其靠近工作台，将高度50mm的标准块放到工作台上面，用手动方式调整标准刀与标准块50mm的高度相等。通过标准刀的
已知长度和标准块高度，可以准确建立Z轴参考平面。建立Z轴参考平面后，调用标定循环程序对测头长度进行标定。
建立Z轴参考平面后，调用标定循环程序对测头长度进行标定。如图7是测头长度标定过程和示意图。
标定操作流程为：
加工模式M—设定实际值—输入X、Y、Z坐标—确认—换刀调出T80刀——用手轮调整到离工作台表面10-20mm—加工模式M—测量工
件—校正探头—不输入数据—按住手轮底部开关进给率调整到100%—按循环启动，长度值自动测量出来。
4 DMG机床3D标定
使用标定后的测头对DMG机床的B轴、C轴和Z轴进行标定，将25的标准球放到Y轴平行方向，测头小球位于25小球上方。启动标定循
环程序，对DMG机床3D进行自动标定。
（1）B轴标定操作流程为：
PROGRAM MANAGER程序管理—选择3D QUICK SET B-AXIS—选择—程序管理—程序段—设置倍率为100%—循环启动测出结果—
OFFSET—用户数据—MGUD—修改数据—DMCYCLE—DMQSET—修正程序—重编译—好—关闭编辑器—程序段—循环启动。
（2）C轴标定操作流程为：
PROGRAM MANAGER程序管理—选择3D QUICK SET C-AXIS—选择—程序管理—程序段—设置倍率为100%—循环启动测出结果。
（3）Z轴标定操作流程为：
PROGRAM MANAGER程序管理—选择3D QUICK SET Z-AXIS—选择—程序管理—程序段—设置倍率为100%—循环启动测出结果。
5 结论
本文对DMG数控机床的雷尼绍测头进行误差分析，并对测头进行标定，使用标定的测头对DMG机床3D进行标定。
（1）对测头的误差进行分析，影响在线测量精度的误差主要有预行程误差、偏心误差和测头半径误差；
（2）对测头进行标定，包括探头小球偏心标定、小球半径标定和测头长度标定，以保证其测量精度；
（3）对DMG机床3D进行标定，使用标定的测头对B轴、C轴和Z轴进行标定。
参考文献
[1]张白,石照耀.三维扫描测头的标定方法[J].北京工业大学学报,2013,39(04):481-486.
[2]胡辉.雷尼绍测头的标定方法[J].设备管理与维修,2014(10):28-29.
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