自動找正和在線測量技術(shù)在數(shù)控加工中的應用

戰(zhàn)祥鑫， 李 涵， 熊良釗， 趙亞萌， 張賀東， 周仕杰

（首都航天機械有限公司， 北京 100076）

0 引言

在我國，先進的數(shù)字化制造技術(shù)得到各行業(yè)的重視，尤其是以機加為主體的航天企業(yè)， 航空企業(yè)以及汽車制造企業(yè)，慢慢開始引進數(shù)字化的生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線，成為企業(yè)改革，提升制造能力的一個方向。先進智能制造生產(chǎn)線圍繞零部件的加工生產(chǎn)活動，將工藝開發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造以及產(chǎn)品質(zhì)量控制緊密結(jié)合起來， 來實現(xiàn)實時產(chǎn)品加工信息的傳遞以及共享。 隨著加工中心等大型數(shù)控設(shè)備的廣泛使用，使得生產(chǎn)的柔性化得到進一步的提高。隨著大型、復雜、高精度的零件加工需要不斷增多，從而對數(shù)控加工提出了更大挑戰(zhàn)。

在傳統(tǒng)生產(chǎn)中， 尤其是小批量零件加工方法是加工完一件產(chǎn)品后， 對于下一件零件的加工時就必須通過專用的定位工裝或是重新找正設(shè)置新的加工坐標原點，并且零件在車、銑過程中需要不斷得停機，從而工人檢測加工的零件尺寸，和最終要求的尺寸作比較，計算還需要的刀具補償量，不斷得去手動設(shè)置補償值，直到產(chǎn)品尺寸滿足設(shè)計公差，大大增加了加工時間，同時在加工過程中由于刀具磨損容易造成關(guān)鍵尺寸無法保證， 導致生產(chǎn)效率低、質(zhì)量可控性差、時間浪費尤為顯著，無法滿足數(shù)字化生產(chǎn)模式下的加工要求。

考慮上述加工中存在的問題， 本文將數(shù)控加工技術(shù)與在線測量技術(shù)充分的結(jié)合起來， 通過自動化的檢測手段，來實現(xiàn)減少人為操作的目的。 本文結(jié)合具體零件，根據(jù)設(shè)備系統(tǒng)特點，對機床操作系統(tǒng)進行功能開發(fā)，利用宏程序、測頭來實現(xiàn)工件的自動找正、在線檢測和自動補償加工，該方法能夠很好的解決工件裝夾精度，提高零件裝夾找正速度，減少測量時間，從而大幅度減少操作者的勞動強度，實現(xiàn)小批量、復雜零件快速自動化加工，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，同時保證加工零件具有較高的質(zhì)量和尺寸精度， 為批次性零件的加工提供了有效的方法和借鑒。

1 工作原理

1.1 自動找正設(shè)置坐標系

原有的找正方法是將工件放在機床工作臺上， 用百分表找正工件的一側(cè)面，將工件找正放平。然后通過對刀儀進行坐標原點的設(shè)置， 該找正方法時間長、 找正誤差大、生產(chǎn)效率低且工人勞動強度大，如圖1 所示。

自動找正的工作原理是將工件與夾具任意放置在機床工作臺上， 數(shù)控測頭對夾具與零件上的加工基準面進行自動測量， 通過測頭測量的A、B 兩點， 自動測量系統(tǒng)可自動計算出工件AB 一側(cè)與X 軸的夾角，基于測量數(shù)據(jù)動態(tài)重建加工坐標系，從而實現(xiàn)自動調(diào)整坐標系達到“擺正”工件的目得。 如圖2 所示是自動找正的示意圖和數(shù)控顯示圖。

圖1 原有找正方式Fig.1 Original alignment

圖2 自動找正方式Fig.2 Automatic alignment

工件擺正后通過測頭自動測量A、C、D 點坐標， 得出X、Y、Z 軸的原點位置，該方法消除了基準傳遞引起的加工誤差，從加工基準和自動找正上提高了產(chǎn)品加工的質(zhì)量。

1.2 自動對坐標系模塊

自動對坐標系模塊：①兩直邊加一個面對坐標系；②兩孔加一個面對坐標系；③一孔加一面對坐標系；④對稱中心加一個面對坐標系。

零件自動找正后，執(zhí)行加工坐標系設(shè)置程序，機床通過測頭進行零件測量，實現(xiàn)加工坐標系G54 的自動設(shè)置。

零件自動找正、 原點設(shè)置通過測量程序的調(diào)用極大的提升了制造流程的自動化程度，降低了生產(chǎn)準備時間，降低了工人勞動強度，避免了操作者每次找正時的誤差，提高了零件加工的一致性和可靠性。

1.3 在線加工自動測量補償

圖3 測量過程交互示意圖Fig.3 Schematic diagram of measurement process interaction

現(xiàn)階段產(chǎn)品精加工常采用抬刀預留加工余量后，人工測量尺寸，人工調(diào)整刀具或坐標系，補償加工尺寸。 這不僅打斷了加工流程，影響工序節(jié)拍量化，更易引起操作失誤， 造成質(zhì)量問題。 鑒于此開發(fā)在線測量補償加工技術(shù)，通過機內(nèi)測頭實現(xiàn)原點設(shè)置、產(chǎn)品測量，同時將測量數(shù)據(jù)與要求值進行比較， 通過交互技術(shù)將數(shù)據(jù)讀入機床變量， 利用采集的數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)控程序來實現(xiàn)自動補償加工，避免人工干預導致加工錯誤，有效提升機床自適應補償加工能力。

測頭測量零件特征時測量系統(tǒng)會輸出一個實際的測量值，經(jīng)采集系統(tǒng)判斷后滿足需求，則將該數(shù)據(jù)存放在一個臨時的數(shù)組變量中， 并返回初始狀態(tài)準備定時接收下一個測量數(shù)據(jù)；在采集過程中，如果測量數(shù)據(jù)不滿足測量范圍，并且用于臨時記錄數(shù)據(jù)的數(shù)組變量中存有數(shù)據(jù)，機內(nèi)測頭實現(xiàn)產(chǎn)品測量，并對數(shù)據(jù)進行采集及運算，利用運算后的數(shù)據(jù)驅(qū)動機床更新刀具數(shù)據(jù)， 完成刀具的補償如圖4 所示。

圖4 在線測量及反饋原理圖Fig.4 The schematic of online measurement and feedback

在線測量主要分為工件位置測量、 加工過程中零件尺寸控制及加工完成后零件尺寸檢查。

工件位置測量是工件定位夾緊后， 利用測頭測量工件位置，可以補償夾具在工件定位中的誤差，提高批產(chǎn)零件的定位精度。

在數(shù)控加工過程中，使用測頭測量監(jiān)控關(guān)鍵尺寸加工是否滿足尺寸公差要求，實時監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)加工過程質(zhì)量控制，提高產(chǎn)品加工的加工精度。零件加工完成后對加工部位進行尺寸測量，判斷尺寸是否滿足要求，大大提高加工穩(wěn)定性。

2 快速找正及在線測量技術(shù)應用

2.1 典型零件結(jié)構(gòu)分析

底座如圖5 所示，主要由凸臺、下陷、長圓槽、底面孔、側(cè)面孔等典型結(jié)構(gòu)組成，該零件結(jié)構(gòu)相對簡單，但是特征復雜，零件壁厚尺寸為3mm，加工時容易變形，且孔的尺寸精度和相對位置要求高， 為保證零件公差要求和有效的控制變形， 加工時需要在一次裝夾下完成零件的整體加工。

圖5 零件三維結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The 3D structure drawing of parts

2.2 加工設(shè)備選擇

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點及機床性能， 本研究采用數(shù)控五軸加工中心DMU，其控制系統(tǒng)是海德漢530（具備在線測量功能），設(shè)備主要參數(shù)如表1 所示。

表1 數(shù)控加工中心主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of CNC machining center

2.3 自動測量程序的編制與測量程序和加工程序間的反饋宏程序

在線測量零件加工后的尺寸， 通過比對計算及時修改加工參數(shù)，提高加工質(zhì)量的可靠性，工作流程如圖4 所示。 如圖5 所示的零件，中間孔的尺寸為φ40mm 公差為0.05mm，兩孔的相對位置尺寸60mm 公差為±0.1，具體實施方案和原理如下：

（1）將工件上的孔位置尺寸及公差，孔直徑尺寸及公差輸入到機床程序參數(shù)中，并設(shè)定好與之有關(guān)的參數(shù)。

（2）確定無干涉后運行銑孔加工程序，程序執(zhí)行完后系統(tǒng)自動調(diào)用測量程序?qū)Ρ粶y要素進行測量， 在分別測量并得出結(jié)果后自動計算誤差， 并將測量結(jié)果放到指定文件中，若測量尺寸超差，系統(tǒng)會自動提示報警，根據(jù)測量結(jié)果及時對參數(shù)進行修改，保證產(chǎn)品加工合格。

（3）數(shù)控測量反饋程序如下：

3 試驗結(jié)果分析

3.1 加工質(zhì)量分析

通過對典型零件底座的加工驗證， 從表2 所示數(shù)據(jù)可以看出該方法具有較高的可靠性和穩(wěn)定性， 通過加工過程的質(zhì)量控制，時時檢測重點尺寸變化，通過加工參數(shù)的調(diào)整，確保加工產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，能夠很好的滿足加工質(zhì)量要求，產(chǎn)品合格率提升到100%。

表2 加工質(zhì)量統(tǒng)計Tab.2 Processing quality statistics

3.2 加工效率分析

經(jīng)過試驗對比分析， 快速找正和在線測量技術(shù)能夠大大提高生產(chǎn)效率，縮短零件生產(chǎn)準備時間，實現(xiàn)加工過程的在線質(zhì)量控制，對比結(jié)果如表3 所示。

表3 改善前后對比Tab.3 The contrast of before and after improvement

每批次按100 件計算：

加工節(jié)省時間為：（6.8-4.2）×100=260 h

從應用結(jié)果中可以看到快速找正和在線測量技術(shù)在提高產(chǎn)品加工質(zhì)量的同時，生產(chǎn)效率提高升33%。

4 結(jié)論

試驗證明， 快速找正和在線測量技術(shù)的應用能夠降低工人勞動強度、提高加工效率和加工質(zhì)量，保證了產(chǎn)品的一致性的同時，生產(chǎn)效率得到大幅度提高。該方法對于小批量零件尤其結(jié)構(gòu)復雜、 測量困難的零件加工具有重要意義。