在線測(cè)量和智能修正技術(shù)在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用

北京精雕科技集團(tuán)有限公司 孟少鵬

隨著現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)零件加工要求的不斷提升，越來(lái)越多的制造企業(yè)都在向著智能化高效生產(chǎn)的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)型，而在這種高效穩(wěn)定的智能化生產(chǎn)過(guò)程中，離不開(kāi)機(jī)械加工中在線測(cè)量技術(shù)的強(qiáng)力支撐。目前，這項(xiàng)技術(shù)在機(jī)械行業(yè)內(nèi)已經(jīng)逐漸被應(yīng)用到了實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，確實(shí)幫助制造企業(yè)提升了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，改善了生產(chǎn)品質(zhì)，降低了生產(chǎn)成本。本篇文章主要結(jié)合北京精雕獨(dú)立研發(fā)的在線測(cè)量和智能修正技術(shù)，對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及發(fā)展情況做一闡述。

一、為什么要引入在線測(cè)量和智能修正技術(shù)

智能化是現(xiàn)代信息社會(huì)工業(yè)奮斗的目標(biāo)所在，要實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)，就必須首先讓數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)智能化，要讓切削過(guò)程變得更透明，更易于控制，那么這就必須追溯到產(chǎn)品加工的品質(zhì)問(wèn)題上。在CNC加工過(guò)程中，尺寸精度是評(píng)測(cè)產(chǎn)品品質(zhì)的主要指標(biāo)，造成尺寸精度不合格的因素是由于各類(lèi)誤差復(fù)合作用形成的，包括：機(jī)床精度、材料變形、夾具形變、夾持變形、刀具磨損、切削工藝、人為操作、環(huán)境溫度等等，而這多方面的因素在不同的加工領(lǐng)域、不同的加工環(huán)節(jié)所起的作用是不同的，加工中的這類(lèi)誤差極易形成難以控制的復(fù)合誤差，而形成的這種誤差是客觀存在的，也是難于避免的，這樣就會(huì)導(dǎo)致加工結(jié)果難以判定。

面對(duì)這樣的問(wèn)題，在一般的工藝生產(chǎn)中，就會(huì)在生產(chǎn)加工過(guò)程中間增加一些檢驗(yàn)工序，這樣不僅增加了工序環(huán)節(jié)，增加了輔助成本，而且會(huì)導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)流程不連續(xù)，尤其在3C產(chǎn)品加工中，這種問(wèn)題更加明顯。而產(chǎn)生的這種不連續(xù)和不穩(wěn)定的問(wèn)題的關(guān)鍵原因是：在加工過(guò)程中，技術(shù)人員無(wú)法直接在機(jī)床上監(jiān)控切削過(guò)程的中間結(jié)果和最終結(jié)果，并對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，只能在一個(gè)工序的結(jié)果形成后離機(jī)交給檢驗(yàn)工序去判斷，合格品才能轉(zhuǎn)入下道工序，不合格品要么報(bào)廢，要么返回本工序進(jìn)行返修。如果對(duì)于精密模具行業(yè)，模具成本高昂，技術(shù)員在加工完成后真的心里沒(méi)底，只能憑借所謂的經(jīng)驗(yàn)去判定。

因此，為了解決這類(lèi)問(wèn)題，“在線測(cè)量和智能修正”技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這種技術(shù)把三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上的部分功能集成到機(jī)床上，實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程和機(jī)內(nèi)測(cè)量的一體化。在線測(cè)量和智能修正技術(shù)不僅可以檢測(cè)加工前、加工中、加工后的幾何誤差，實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程的閉環(huán)效果，而且還可以基于這些測(cè)量結(jié)果自動(dòng)修正加工坐標(biāo)系、自動(dòng)修正切削參數(shù)、自動(dòng)修正切削軌跡、自動(dòng)修正切削用量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程的智能修正，使得整個(gè)生產(chǎn)管理過(guò)程更加穩(wěn)定高效。

二、基于“在線測(cè)量和智能修正”技術(shù)的“制檢合一”應(yīng)用

在線測(cè)量和智能修正技術(shù)將加工與檢測(cè)安排在了同一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)了工件的數(shù)字化采集工作，并根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析、幾何評(píng)價(jià)、工藝改進(jìn)，可以說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)是北京精雕集團(tuán)的一項(xiàng)特色的標(biāo)志性技術(shù)、一項(xiàng)標(biāo)桿技術(shù)?；谶@項(xiàng)技術(shù)形成的“制檢合一”生產(chǎn)模式已經(jīng)在多個(gè)產(chǎn)品領(lǐng)域取得了重大突破，解決了多項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)難題，保證了制造企業(yè)的連續(xù)性高效穩(wěn)定生產(chǎn)。

1.在線測(cè)量和智能修正技術(shù)在大批量生產(chǎn)中的應(yīng)用

在產(chǎn)品批量加工中，為了提升產(chǎn)品的品質(zhì)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式就是在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中不斷地增加檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，工序檢驗(yàn)的環(huán)節(jié)基本都是由人工來(lái)完成的，這種方式雖然可以提升本道工序的準(zhǔn)確性，提高整個(gè)生產(chǎn)制程的穩(wěn)定性，但是隨著產(chǎn)品要求的不斷提升，工序段數(shù)的不斷增加，這種方式暴露出來(lái)的問(wèn)題也越來(lái)越突出。首先，人工檢驗(yàn)就引來(lái)了人工檢驗(yàn)誤差，人工檢驗(yàn)誤差就更為隨機(jī)，在生產(chǎn)線上，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化：離線測(cè)量模式自動(dòng)化程度低，很多檢測(cè)數(shù)據(jù)都是依靠質(zhì)檢人員手工錄入，而在線測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)存儲(chǔ)、自動(dòng)計(jì)算，中間不存在人工干預(yù)，自動(dòng)化程度高。

（4）在線測(cè)量和智能修正技術(shù)提升了生產(chǎn)的連續(xù)性：在線測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)加工產(chǎn)品在序前、序中、序后的狀態(tài)檢測(cè)，對(duì)于不合格的產(chǎn)品直接剔除，減少了人工調(diào)機(jī)的輔助時(shí)間，改善了整個(gè)產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍，提升了生產(chǎn)的連續(xù)性。把合格品誤檢、不合格品漏檢的情況屢屢發(fā)生。其次，增加過(guò)程檢驗(yàn)就會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，影響生產(chǎn)的整體連續(xù)性，而且這些增加的檢驗(yàn)工序基本都是由人工完成，這無(wú)疑又增加了人工成本。

為了提升整個(gè)產(chǎn)品批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性，改善生產(chǎn)流程的連續(xù)性，越來(lái)越多的生產(chǎn)企業(yè)選擇了在機(jī)床上增添在線測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行管控，形成了一種全新的“制檢合一”生產(chǎn)理念。在線測(cè)量和智能修正技術(shù)在批量性產(chǎn)品加工過(guò)程中體現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）在線測(cè)量和智能修正技術(shù)可以提升生產(chǎn)效率：傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式工序流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)多，尤其對(duì)于檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，花費(fèi)的時(shí)間就更多，從檢驗(yàn)工序上分，包括首件檢、巡檢、換刀檢等，從檢驗(yàn)流程上分，又包括上下料、工件流轉(zhuǎn)、檢驗(yàn)室排隊(duì)、離線檢驗(yàn)等，從檢驗(yàn)成本上分，包括人工成本、檢具成本、時(shí)間成本、輔料成本等等，可以看出，影響生產(chǎn)效率的因素就是一些輔助工作。增添在線測(cè)量系統(tǒng)后，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量加工一體化，所有測(cè)量工序都可以在機(jī)內(nèi)完成，加工完成后直接測(cè)量，節(jié)省了80%以上的輔助時(shí)間，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。

（2）在線測(cè)量和智能修正技術(shù)可以保證既定工藝準(zhǔn)確執(zhí)行：傳統(tǒng)的檢驗(yàn)?zāi)Ｊ交径际且揽咳斯?lái)完成，只要是有人參與的工作，必然會(huì)存在犯錯(cuò)的機(jī)率，比如巡檢人員不能?chē)?yán)格按照預(yù)設(shè)的巡檢間隔去采集數(shù)據(jù)，存在漏檢現(xiàn)象等等，如果出現(xiàn)漏檢尺寸，流過(guò)好幾道工序才發(fā)現(xiàn)，處理起來(lái)就會(huì)非常麻煩，甚至?xí)斐梢恍┎豢赏旎氐膿p失，這就歸結(jié)為工藝執(zhí)行的嚴(yán)格度和準(zhǔn)確度問(wèn)題，反觀在線測(cè)量技術(shù)，整個(gè)過(guò)程均由程序控制，能夠嚴(yán)格執(zhí)行既定的流程。

（3）在線測(cè)量和智能修正技術(shù)

2.在線測(cè)量和智能修正技術(shù)在精密模具行業(yè)的應(yīng)用

在精密模具加工行業(yè)，為了使得加工出的模具尺寸合格，那么就是要對(duì)每道工序的切削余量進(jìn)行管控，余量穩(wěn)定了，加工出的產(chǎn)品質(zhì)量就穩(wěn)定了。傳統(tǒng)的模具加工方式就是無(wú)法預(yù)知CNC加工后的模具品質(zhì)，只能下機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，若沒(méi)有加工到位，就只能返回CNC進(jìn)行返工。那么，在這種情況下，精雕在線測(cè)量和智能修正技術(shù)的價(jià)值就充分體現(xiàn)出來(lái)了，在加工之前，可以自動(dòng)修正加工坐標(biāo)系，在加工中，可以動(dòng)態(tài)檢測(cè)切削余量的分布，提升工藝改進(jìn)的準(zhǔn)確性，在加工后，可以檢測(cè)零件加工精度，包括尺寸精度和形位誤差，確保放心下料，從而保證加工過(guò)程的連續(xù)性與穩(wěn)定性，減少后端修模的工作量，提升一次合模的成功率。

因此，在精密模具加工方面的應(yīng)用點(diǎn)主要包括：

（1）加工面余量測(cè)量及修正：刀具磨損、讓刀變形、刀具尺寸不標(biāo)準(zhǔn)等都會(huì)造成模具加工面余量不均勻，模具分型面余量不均勻不僅會(huì)造成配模失敗，還會(huì)造成模具在鎖模力的作用下擠壓變形，影響模具使用壽命，傳統(tǒng)只能通過(guò)更換新刀反復(fù)精加工或修模。精雕在線測(cè)量和智能修正技術(shù)可以在線測(cè)量模具加工面余量，真正實(shí)現(xiàn)制檢合一，縮短模具加工周期。

（2）接刀痕測(cè)量及修正：模具型腔內(nèi)的圓角位置多數(shù)是需要加工到位的，需要進(jìn)行清根處理，但是因?yàn)閷?duì)刀具尺寸、工件加工余量、主軸熱伸長(zhǎng)無(wú)有效的管控措施，導(dǎo)致更換刀具后會(huì)出現(xiàn)接刀痕。精雕在線測(cè)量和智能修正技術(shù)可以實(shí)時(shí)測(cè)量刀具加工狀態(tài)下尺寸、刀長(zhǎng)及加工余量，從而避免接刀痕產(chǎn)生。

（3）刀具中心點(diǎn)偏移測(cè)量及管控：一般模具加工周期都比較長(zhǎng)，由于振動(dòng)、溫度等因素影響，會(huì)造成加工原點(diǎn)漂移導(dǎo)致工件加工偏位，最終表現(xiàn)在產(chǎn)品上就是合模線偏位，以前沒(méi)有什么很好的辦法解決。精雕在線測(cè)量和智能修正技術(shù)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)工件加工原點(diǎn)，智能補(bǔ)償加工程序，減少原點(diǎn)漂移影響。

（4）模具表面輪廓度和關(guān)鍵尺寸的測(cè)量：模具表面輪廓度和一些關(guān)鍵尺寸的管控，直接影響著模具本身的品質(zhì)，以前沒(méi)有量化的管控分析手段，無(wú)法對(duì)這些關(guān)鍵尺寸進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，導(dǎo)致生產(chǎn)工藝落后，模具生產(chǎn)周期長(zhǎng)，不能按時(shí)交貨。精雕在線測(cè)量和智能修正技術(shù)可以在機(jī)檢測(cè)模具的表面輪廓度和關(guān)鍵尺寸，直接對(duì)這些關(guān)鍵尺寸進(jìn)行評(píng)測(cè)分析，進(jìn)而改善工藝，穩(wěn)定生產(chǎn)。

君為臣綱由董仲舒首先明確提出，到宋代始彰顯，如閻若璩所說(shuō)：“‘忠臣不事二君，貞女不更二夫’之言，直至宋代而明，一明于宋太宗責(zé)范質(zhì)以死，一明于程伊川謂‘餓死事小、失節(jié)事大’。而后為人臣、為人婦者之防始嚴(yán)。”〔26〕（卷十四，P1673）理學(xué)的理論建構(gòu)對(duì)君臣綱常的確立功不可沒(méi)。理學(xué)家們認(rèn)為臣對(duì)君應(yīng)該像婦從夫一樣，要從一而忠，所謂“忠臣不事二君，烈女不更二夫”〔27〕（卷四，P42）。

（5）基于表面余量測(cè)量方法的刀具磨損管控：有些模具加工區(qū)域非常大（一模多穴），小刀具使用多，加工時(shí)間往往也比較長(zhǎng)，需要多把刀具分別進(jìn)行加工，而且不同路徑軌跡的刀具壽命也是不一樣的，傳統(tǒng)做法是定時(shí)觀察加工效果并決定是否換刀，缺少定量管控刀具壽命的依據(jù)。精雕在線測(cè)量和智能修正技術(shù)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)刀具磨損情況，定量管控刀具使用壽命。

3.在線測(cè)量和智能修正技術(shù)在五軸精密零件行業(yè)的應(yīng)用

目前，在線測(cè)量和智能修正技術(shù)已經(jīng)成為了五軸機(jī)床的標(biāo)配，通過(guò)在線測(cè)量和智能修正技術(shù)，不僅可以提升五軸精密零件的加工精度，而且還可以管控五軸加工流程，讓五軸加工更加穩(wěn)定，過(guò)程更可控，該項(xiàng)技術(shù)在五軸加工方面主要的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在三個(gè)方面：

（1）在線測(cè)量和智能修正技術(shù)弱化了夾具的作用：夾具的作用主要包括固定和定位的作用，其實(shí)數(shù)控加工對(duì)夾具的要求，難點(diǎn)是在定位，尤其是為了保證批量生產(chǎn)，工件必須要通過(guò)夾具定位面來(lái)保證裝夾精度，一些復(fù)雜零件的夾具定位部分設(shè)計(jì)都比較講究，要求比較高，制造周期長(zhǎng)，那么，費(fèi)用高就是必然結(jié)果。而且?jiàn)A具裝夾到機(jī)床后，還必須通過(guò)人工進(jìn)行打平、找正，這個(gè)過(guò)程也是比較費(fèi)時(shí)間的。

那么使用在線測(cè)量和智能修正技術(shù)后，夾具只需要把工件固定到機(jī)床上，測(cè)頭可以在工件上自動(dòng)探測(cè)加工基準(zhǔn)面的位置，計(jì)算出偏差數(shù)據(jù)，提供給機(jī)床，機(jī)床再根據(jù)偏差值進(jìn)行自動(dòng)擺正，而且也不需要人工干預(yù)。該項(xiàng)技術(shù)基本弱化了夾具的定位作用，僅需要對(duì)其進(jìn)行粗定位即可。

（2）在線測(cè)量和智能修正技術(shù)實(shí)現(xiàn)了模糊基準(zhǔn)零件的精確加工：壓鑄后的鑄件，或者經(jīng)熱處理后的零件，經(jīng)過(guò)多道工序到精雕五軸設(shè)備上做精細(xì)加工的零件，往往會(huì)出現(xiàn)基準(zhǔn)模糊、基準(zhǔn)精度傳遞損失的情況，這就需要加工時(shí)多次反復(fù)調(diào)整才能確認(rèn)基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，這個(gè)過(guò)程以前全是通過(guò)人工來(lái)完成的，不僅工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程很不順暢。

采用在線測(cè)量和智能修正技術(shù)，可以很方便地識(shí)別工件的基準(zhǔn)表面，模擬出虛擬的基準(zhǔn)位置，再根據(jù)這個(gè)位置精銑加工出準(zhǔn)確的基準(zhǔn)位置，并以此為基準(zhǔn)，完成后續(xù)的加工，整個(gè)過(guò)程完全自動(dòng)化。

三、在線測(cè)量和智能修正技術(shù)的應(yīng)用前景

通過(guò)以上幾個(gè)方面的應(yīng)用點(diǎn)來(lái)看，在線測(cè)量和智能修正技術(shù)已經(jīng)成為智能化加工必不可少的一項(xiàng)支撐技術(shù)，那么，這項(xiàng)技術(shù)后期的應(yīng)用前景主要包括以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）通用化：即對(duì)于任意復(fù)雜曲面、復(fù)雜模型，在線測(cè)量和智能修正技術(shù)都能給出合理的工藝規(guī)劃，并按照一定的策略完成高速測(cè)量及補(bǔ)加工，確保不留死角。

（2）集成化：精雕在線測(cè)量和智能修正技術(shù)將持續(xù)完善集成化工作，將CAM軟件、數(shù)控系統(tǒng)、測(cè)量技術(shù)、精密加工等體系以一定規(guī)范、采用特定接口高度集成在一起，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享。

（3）智能化：即在線測(cè)量和智能修正技術(shù)將集成各類(lèi)傳感器，根據(jù)各類(lèi)型的數(shù)據(jù)反饋?zhàn)龀雠袛?，并調(diào)節(jié)工藝策略，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的智能加工。

（4）高速化：高速不僅體現(xiàn)在加工效率上，更要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集及計(jì)算的效率上，要以更高的效率采集數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)測(cè)。 □