數(shù)控加工中自動(dòng)找正和在線測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

付敏

摘要： 在傳統(tǒng)的生產(chǎn)加工方案中，批量零件的生產(chǎn)過程中存在連續(xù)裝夾、校正和精確定位、CNC刀片損壞、檢查和離線檢查等問題，效率低，矯正偏差大，生產(chǎn)加工一致性差，存在一定的人為因素安全隱患。針對(duì)以上問題，本文結(jié)合實(shí)際零件，根據(jù)機(jī)床設(shè)備系統(tǒng)軟件的特點(diǎn)，開發(fā)設(shè)計(jì)了數(shù)控車床的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，并利用宏程序和測(cè)頭完成產(chǎn)品工件的自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)生產(chǎn)加工，從而降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)加工的高效率，提高零件加工質(zhì)量，為批量零件的生產(chǎn)加工提供了合理的途徑和參考。

Abstract： In the traditional production and processing plan， there are some problems in the production process of batch parts， such as continuous clamping， calibration and precise positioning， CNC blade damage， inspection and

0? 引言

在中國(guó)，優(yōu)秀的智能生產(chǎn)技術(shù)受到各個(gè)領(lǐng)域的高度重視，尤其是航空航天企業(yè)、航空公司及其汽車工業(yè)企業(yè)，以機(jī)械作業(yè)為主，正逐步向智能生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)邁進(jìn)。流水線已成為企業(yè)重組和提高制造能力的一種方式。卓越智能制造系統(tǒng)生產(chǎn)線緊緊圍繞零部件生產(chǎn)加工制造主題活動(dòng)，將加工工藝的設(shè)計(jì)開發(fā)、生產(chǎn)加工、產(chǎn)品質(zhì)量操控等緊密聯(lián)系起來，完成產(chǎn)品質(zhì)量的轉(zhuǎn)移、實(shí)時(shí)產(chǎn)品生產(chǎn)加工信息內(nèi)容和資源共享。隨著數(shù)控加工中心等大中型數(shù)控機(jī)械的廣泛應(yīng)用，制造的柔性生產(chǎn)得到進(jìn)一步提高。隨著大中型、復(fù)雜、高精度零件的加工不斷增加，這顯然對(duì)數(shù)控車床加工提出了更高的挑戰(zhàn)。

1? 制造零件

在傳統(tǒng)制造中，特別是小批量生產(chǎn)的零件，其加工方式是在一個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)加工完成后，下一個(gè)零件的生產(chǎn)加工必須以專門的定位工裝或者重新找正精確定位為基礎(chǔ)。加工坐標(biāo)的起點(diǎn)，在車銑加工的整個(gè)過程中必須不停地停機(jī)，然后員工檢查生產(chǎn)加工的零件的規(guī)格，并與最終規(guī)格進(jìn)行比較，并計(jì)算必要的數(shù)控刀片補(bǔ)償量，并繼續(xù)手動(dòng)設(shè)定補(bǔ)償值，直至產(chǎn)品規(guī)格達(dá)到設(shè)計(jì)方案的尺寸公差，大大增加了生產(chǎn)加工時(shí)間。同時(shí)，由于數(shù)控刀片在生產(chǎn)過程中損壞，很容易造成重要規(guī)格不可用，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，質(zhì)量可預(yù)測(cè)性差，時(shí)間消耗尤為明顯，不能滿足生產(chǎn)和智能生產(chǎn)模式下的加工要求?？紤]到上述生產(chǎn)加工中存在的不足，將數(shù)控車床加工技術(shù)與自動(dòng)測(cè)量技術(shù)充分結(jié)合，按照自動(dòng)化技術(shù)的檢驗(yàn)方法，達(dá)到減少人為因素的實(shí)際操作。結(jié)合實(shí)際零件，根據(jù)機(jī)床和設(shè)備系統(tǒng)軟件的特點(diǎn)，開發(fā)設(shè)計(jì)數(shù)控車床計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，利用宏程序和測(cè)頭完成產(chǎn)品零件的自動(dòng)對(duì)中、在線監(jiān)測(cè)和自動(dòng)補(bǔ)償生產(chǎn)加工。能很好地處理產(chǎn)品工件裝夾精度，提高零件裝夾對(duì)準(zhǔn)速度，減少精確測(cè)量時(shí)間，進(jìn)而大大降低操作人員的操作難度，完成小批量生產(chǎn)，快速自動(dòng)化工藝生產(chǎn)加工復(fù)雜零件，提高公司生產(chǎn)率，降低產(chǎn)品成本，同時(shí)保證生產(chǎn)加工的零件具有較高的質(zhì)量和規(guī)格精度，為批量零件的生產(chǎn)加工提供了合理的途徑和參考。

2? 工作原理

2.1 自動(dòng)找正設(shè)置坐標(biāo)系

原來的對(duì)中方法是將產(chǎn)品工件放在十字滑臺(tái)上，油脂數(shù)據(jù)透析臺(tái)對(duì)中產(chǎn)品工件的一側(cè)，將產(chǎn)品工件對(duì)正整平，然后根據(jù)對(duì)刀儀設(shè)定坐標(biāo)起點(diǎn)。對(duì)中方法耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)中偏差大，生產(chǎn)率低，工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度高。自動(dòng)對(duì)中的原理是將產(chǎn)品工件和夾具隨意放置在十字滑臺(tái)上，數(shù)控測(cè)頭對(duì)夾具和零件上的加工基準(zhǔn)面上進(jìn)行自動(dòng)測(cè)控，根據(jù)測(cè)頭精確測(cè)量的A、B兩點(diǎn)，自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)軟件可自動(dòng)測(cè)量出產(chǎn)品工件AB面與X軸的交角，并根據(jù)精確測(cè)量得到動(dòng)態(tài)信息數(shù)據(jù)?？芍貥?gòu)生產(chǎn)加工平面坐標(biāo)，進(jìn)而自動(dòng)調(diào)整平面坐標(biāo)，達(dá)到“對(duì)位”產(chǎn)品工件的目的。產(chǎn)品工件設(shè)置好后，根據(jù)測(cè)頭自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的A、C、D點(diǎn)坐標(biāo)，得到X、Y、Z軸的起點(diǎn)。這種接入方式消除了標(biāo)準(zhǔn)傳輸造成的生產(chǎn)加工偏差。自動(dòng)對(duì)位提高了產(chǎn)品生產(chǎn)加工的質(zhì)量。

2.2 自動(dòng)對(duì)中坐標(biāo)系模塊

全自動(dòng)平面坐標(biāo)控制模塊：第一，兩條直邊加一條為平面坐標(biāo);第二，平面坐標(biāo)二孔加一;第三，平面坐標(biāo)一孔加一;第四，對(duì)稱中心加一為平面坐標(biāo)平面坐標(biāo)。零件全自動(dòng)對(duì)中后，執(zhí)行生產(chǎn)加工平面坐標(biāo)設(shè)置程序流程。CNC車床根據(jù)測(cè)頭對(duì)零件進(jìn)行精密測(cè)量，完成生產(chǎn)加工平面坐標(biāo)G54的全自動(dòng)設(shè)定。根據(jù)精確的測(cè)量程序啟用零件的自動(dòng)對(duì)中和起點(diǎn)的設(shè)置，大大提高了生產(chǎn)制造步驟的自動(dòng)化技術(shù)水平，減少了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的管理時(shí)間，降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且避免了操作員每次都進(jìn)行搜索的需要找正時(shí)的偏差，提高了零件加工的一致性和穩(wěn)定性。

2.3 在線加工自動(dòng)測(cè)量補(bǔ)償

目前商品的深加工往往選擇提刀預(yù)埋生產(chǎn)加工邊角料，人工準(zhǔn)確測(cè)量規(guī)格，手動(dòng)調(diào)整CNC刀片或平面坐標(biāo)以補(bǔ)償生產(chǎn)加工規(guī)格。這不僅切斷了生產(chǎn)加工步驟，危及工藝流程的定量分析，而且更容易造成誤操作，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量問題。針對(duì)這種開發(fā)設(shè)計(jì)，自動(dòng)測(cè)量補(bǔ)償生產(chǎn)加工技術(shù)，根據(jù)機(jī)器內(nèi)頭完成產(chǎn)品的起點(diǎn)設(shè)置和精確測(cè)量，同時(shí)將精確的測(cè)量數(shù)據(jù)信息與產(chǎn)品進(jìn)行比對(duì)測(cè)量值，并按照交互方式將數(shù)據(jù)信息讀取到數(shù)控車床的自變量中，利用采集到的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床程序流程完成全自動(dòng)補(bǔ)償生產(chǎn)過程，防止人工控制造成誤生產(chǎn)和加工，合理提高數(shù)控車床的響應(yīng)補(bǔ)償生產(chǎn)能力。當(dāng)探頭準(zhǔn)確測(cè)量零件的特性時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)輸出特定的準(zhǔn)確測(cè)量值。采集系統(tǒng)滿足要求后，將數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在一個(gè)臨時(shí)的二維自變量數(shù)組中，并恢復(fù)到原來的狀態(tài)，為準(zhǔn)時(shí)接受下一次準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)信息做好提前準(zhǔn)備;在整個(gè)采集過程中，如果準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)信息不符合檢測(cè)范圍，且用于臨時(shí)記錄數(shù)據(jù)信息的二維數(shù)組自變量中有數(shù)據(jù)信息，則機(jī)器內(nèi)頭完成產(chǎn)品的準(zhǔn)確測(cè)量，收集并計(jì)算數(shù)據(jù)信息，利用計(jì)算出的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)數(shù)控車床升級(jí)數(shù)控刀片數(shù)據(jù)信息，在線測(cè)量關(guān)鍵分為產(chǎn)品零件的精確測(cè)量、生產(chǎn)中的零件規(guī)格操縱、生產(chǎn)后的零件和加工完成后零件尺寸檢查。工件位置的精確測(cè)量是在產(chǎn)品工件準(zhǔn)確定位裝夾后，使用測(cè)頭準(zhǔn)確測(cè)量產(chǎn)品工件位置，可以補(bǔ)償夾具在產(chǎn)品工件精確定位中的偏差，提高精度批量生產(chǎn)部分的水平。在數(shù)控車床加工的全過程中，通過探頭準(zhǔn)確測(cè)量和監(jiān)督重要規(guī)格的生產(chǎn)加工是否符合標(biāo)準(zhǔn)公差要求，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品質(zhì)量，完善生產(chǎn)過程質(zhì)量管理，提高產(chǎn)品質(zhì)量。商品生產(chǎn)加工的加工精度。零件加工完成后，對(duì)生產(chǎn)加工部位進(jìn)行尺寸檢查，區(qū)分規(guī)格是否符合要求，進(jìn)一步提高生產(chǎn)加工的可靠性。

3? 在線測(cè)量的應(yīng)用

3.1 在線測(cè)量

在線測(cè)量，簡(jiǎn)單來說就是在同一臺(tái)機(jī)器和設(shè)備上進(jìn)行生產(chǎn)加工和精確測(cè)量的一種測(cè)量方法。例如，在安裝了測(cè)頭系統(tǒng)的加工中心上，一次裝卡即可生產(chǎn)并精確測(cè)量產(chǎn)品工件，節(jié)約成本，降低精確測(cè)量成本，防止二次裝夾偏差。可降低不合格率，盡早發(fā)現(xiàn)廢品，防止生產(chǎn)加工消耗。尤其是在各種大小不一的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)下，自動(dòng)化測(cè)量的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在生產(chǎn)加工、檢驗(yàn)、偏差補(bǔ)償一體化，完成生產(chǎn)加工前后高精度的自動(dòng)測(cè)量，避免由于多次裝夾造成的跑偏，大大減少輔助時(shí)間，保證數(shù)控車床的運(yùn)行狀態(tài)和加工精度，降低故障率。

3.2 測(cè)量過程

精確測(cè)量的全過程是在數(shù)控車床上選擇探頭進(jìn)行精確測(cè)量時(shí)，先將探頭安裝在數(shù)控車床的主軸軸承上，然后工作人員手動(dòng)操作機(jī)床移動(dòng)，使測(cè)頭測(cè)針的前端接觸到工件表面，數(shù)控車床的數(shù)控機(jī)床實(shí)時(shí)記錄并指示主軸軸承的平面坐標(biāo)。進(jìn)一步地，可以將觸針的斷路器與產(chǎn)品工件的具體地址相關(guān)聯(lián)，利用車床主軸的平面坐標(biāo)可以計(jì)算出產(chǎn)品工件被測(cè)點(diǎn)的相關(guān)平面坐標(biāo)。得到產(chǎn)品工件各測(cè)點(diǎn)的相關(guān)平面坐標(biāo)后，再根據(jù)各坐標(biāo)點(diǎn)的幾何位置關(guān)系進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，即可得到最終的精確測(cè)量結(jié)果。

3.3 測(cè)量結(jié)果誤差

在所有的精密測(cè)量中，由于諸多元素的影響，得到的精密測(cè)量值總會(huì)存在偏差。為了使結(jié)果接近于真實(shí)值，必須對(duì)準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。因此，準(zhǔn)確測(cè)量的整個(gè)過程中準(zhǔn)確度測(cè)量精度的偏差是從具體的分析和考慮中得出的。因此，數(shù)控車床生產(chǎn)過程中的偏差，在整個(gè)精確測(cè)量的過程中也會(huì)損害測(cè)量的準(zhǔn)確性。造成數(shù)控車床自動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)誤差的關(guān)鍵包括測(cè)頭系統(tǒng)的偏差、數(shù)控車床配合運(yùn)動(dòng)部件精確定位的偏差、不科學(xué)的精確測(cè)量方法造成的偏差。測(cè)頭系統(tǒng)的偏差分為測(cè)頭靜態(tài)數(shù)據(jù)的偏差和測(cè)頭動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的偏差以及測(cè)頭在數(shù)控車床上的安裝偏差等。測(cè)頭靜態(tài)數(shù)據(jù)偏差包括過流保護(hù)偏差和測(cè)頭重復(fù)精度定位偏差，隨測(cè)桿長(zhǎng)度的變化而變化，彎曲剛度和接觸應(yīng)力。過流保護(hù)偏差是指探頭接觸產(chǎn)品工件后測(cè)量桿的彎曲變形。探頭的重復(fù)精度定位偏差與過流保護(hù)的偏差相比較小，因此探頭的靜態(tài)數(shù)據(jù)偏差主要由過流保護(hù)的偏差決定。測(cè)頭動(dòng)態(tài)偏差的關(guān)鍵與測(cè)頭檢測(cè)時(shí)的接觸率和數(shù)控機(jī)床的取樣距離有關(guān)。測(cè)頭按數(shù)控車床配套設(shè)施的夾頭安裝在車床主軸上。由于測(cè)頭中心線與主軸軸承中心線不完全對(duì)齊，導(dǎo)致測(cè)頭安裝存在偏差，造成多方位精確測(cè)量中的數(shù)據(jù)誤差。測(cè)頭與主軸軸承的安裝偏差可在精確測(cè)量前根據(jù)測(cè)頭軸力校準(zhǔn)進(jìn)行部分補(bǔ)償。

由于數(shù)控車床零件的制造、安裝偏差，伺服控制系統(tǒng)的跟蹤誤差及其間隙、摩擦等因素，數(shù)控車床各部件在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，會(huì)造成準(zhǔn)確定位偏差。另外，測(cè)頭的半翹曲偏差也是一個(gè)關(guān)鍵的偏差來源，可以根據(jù)數(shù)據(jù)處理方法中測(cè)頭的半翹曲補(bǔ)償來去除。但是在具體的精密測(cè)量中，情況比較復(fù)雜，探頭的半翹曲偏差會(huì)引入精密測(cè)量結(jié)果。這種偏差在隨機(jī)斜面精確測(cè)量的整個(gè)過程中更為明顯。針對(duì)精確測(cè)量全過程中存在的諸多偏差，高效、高精度的偏差補(bǔ)償優(yōu)化算法是有待解決的重要問題。在特定的應(yīng)用中，可以通過多次精確測(cè)量和偏差補(bǔ)償來減少數(shù)據(jù)誤差，提高測(cè)量精度。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用探頭與被測(cè)物體的碰撞來澄清點(diǎn)接觸的位置信息。

4? 結(jié)論

由測(cè)頭系統(tǒng)軟件和數(shù)控車床組成的數(shù)控加工中心自動(dòng)測(cè)量技術(shù)，可減少生產(chǎn)輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)也減少了離線數(shù)據(jù)錯(cuò)誤導(dǎo)致的不合格率，充分利用數(shù)控車床的特點(diǎn)。保證加工精度，提高數(shù)控車床的生產(chǎn)能力，提高數(shù)控加工中心的使用水平，在線測(cè)量技術(shù)將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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