在機(jī)測量系統(tǒng)在數(shù)控車削自動化生產(chǎn)線上的應(yīng)用

羅一桓，曾 剛

(成都四威高科技產(chǎn)業(yè)園有限公司，四川 成都 611731)

在數(shù)控加工自動化生產(chǎn)線技術(shù)的發(fā)展過程中可以發(fā)現(xiàn)，由數(shù)控銑削機(jī)床組成的自動化生產(chǎn)線相對比較成熟而常見，而由數(shù)控車削機(jī)床組成的自動化生產(chǎn)線卻很少見。這是因?yàn)閿?shù)控銑削機(jī)床的生產(chǎn)過程人工干預(yù)度低，具備一定的自動化基礎(chǔ)；而數(shù)控車削機(jī)床的生產(chǎn)過程人工干預(yù)度高，實(shí)現(xiàn)自動化的難度相對較高[1-3]。

通過研究分析可以發(fā)現(xiàn)，之所以認(rèn)為數(shù)控車削機(jī)床自動化難度更高，是因?yàn)閿?shù)控車削加工在傳統(tǒng)的單人單機(jī)生產(chǎn)模式下，在裝夾找正環(huán)節(jié)中存在大量人工參與的動作，且有些動作通過工業(yè)機(jī)械臂暫時(shí)替代不了。這些動作如下。

1)零件裝夾后用千分表檢查軸類零件的外圓圓跳動，或檢查盤環(huán)類零件端面跳動。

2)加工前要試切工件外圓，千分尺測量后修正每把刀的刀補(bǔ)。

3)加工前要試切工件端面，卡尺測量后修正零件Z軸零點(diǎn)。

上述3個(gè)人工動作，極大地限制了工業(yè)機(jī)械臂與數(shù)控車削機(jī)床的自動化結(jié)合。為此，筆者所負(fù)責(zé)的團(tuán)隊(duì)在數(shù)控車削自動化生產(chǎn)線的建設(shè)實(shí)踐中，創(chuàng)造性地發(fā)揮在機(jī)測量系統(tǒng)的功能，巧妙地解決了上述問題，使得數(shù)控車削自動化生產(chǎn)線建設(shè)取得了成功。本文將其解決方案及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)分享如下。

1 項(xiàng)目背景

筆者負(fù)責(zé)的團(tuán)隊(duì)近期為客戶建設(shè)一條數(shù)控車削自動化生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線主要由10臺斜床身數(shù)控車床(控制系統(tǒng)FANUC 0i-TF)、10套在機(jī)測量系統(tǒng)和1臺六軸機(jī)械臂(含第七軸直線導(dǎo)軌)組成。該生產(chǎn)線負(fù)責(zé)3張圖樣10道車工工序的自動化加工，每臺車床各負(fù)責(zé)一道車工工序，其零件形態(tài)和裝夾狀態(tài)各不相同。整條生產(chǎn)線由一個(gè)操作者在線外負(fù)責(zé)零件上下料，機(jī)械手負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)這10臺車床的裝卸動作，而在機(jī)測量系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)零件及刀具的找正動作。

該生產(chǎn)線的系統(tǒng)組成如圖1所示，數(shù)控車削自動化生產(chǎn)單元3D布局如圖2所示。其中，在機(jī)測量系統(tǒng)選擇的是雷尼紹公司OLP40工件測量系統(tǒng)和HPMA對刀臂[4]。

圖1 數(shù)控車削自動化生產(chǎn)單元系統(tǒng)組成圖

圖2 數(shù)控車削自動化生產(chǎn)單元3D布局圖

2 解決方案

2.1 實(shí)現(xiàn)自動對刀

2.1.1 原有方式分析

單人單機(jī)的人工操作模式下，數(shù)控車削對刀一般采用試切的方式進(jìn)行，每把車刀都要單獨(dú)試切一次，試切后由人工用千分尺測量加工面直徑，以此確定刀具參數(shù)。這種方式效率很低，每次生產(chǎn)前對刀都花費(fèi)5～10 min的時(shí)間。不僅如此，如果更換新產(chǎn)品，或是加工一段時(shí)間出現(xiàn)刀具磨損，都要重新對刀。

2.1.2 現(xiàn)有解決方案

在自動化生產(chǎn)中，不希望每次零件加工前都要進(jìn)行人工重新對刀。因此，筆者使用HPMA對刀臂來解決對刀問題。HPMA對刀臂的對刀工作分為如下3個(gè)步驟。

1)對刀臂標(biāo)定。

對刀臂的標(biāo)定工作只需要每次加工新產(chǎn)品前做1次，其功能是標(biāo)定機(jī)床加工此零件時(shí)的X軸零點(diǎn)和Z軸零點(diǎn)。

首先在刀庫中任意選擇一把刀作為基準(zhǔn)刀，將這把刀進(jìn)行零件試切，測量加工面的直徑和Z軸零點(diǎn)，人工設(shè)定好這把刀的刀具參數(shù)。然后取下零件，打開對刀臂，將基準(zhǔn)刀刀尖移動至對刀臂附近15 mm以內(nèi)的位置，執(zhí)行對刀臂標(biāo)定程序。對刀臂標(biāo)定的程序語句是：“G65P9011H3K2B15”，其中Hi參數(shù)表示被測刀具的類型，如H3就是測量外圓刀。

2)刀具半自動測量。

刀具半自動測量僅需要每次安裝或更換新刀桿時(shí)做1次，重復(fù)安裝刀桿或更換刀片都無需重新進(jìn)行半自動測量。刀具半自動測量的作用是記錄該刀位下刀具基本參數(shù)，避免刀具自動測量時(shí)因誤差過大而超過檢測范圍。

進(jìn)行刀具半自動測量時(shí)，需要手輪操控，將被測刀具的刀尖點(diǎn)移動到距離對刀臂測頭15 mm以內(nèi)的位置，再執(zhí)行半自動測量程序。這個(gè)距離目測判斷即可，無需精確控制。

半自動測量程序的語句是：“G65P9011H3B15T10”，其中Ti參數(shù)表示被測刀具的刀位號。

3)刀具自動測量。

刀具自動測量需要在已經(jīng)經(jīng)過刀具半自動測量后的刀具上進(jìn)行。刀具自動測量無需人工操作，可以隨時(shí)偵測刀具磨損，并在下次加工過程中將其進(jìn)行補(bǔ)償。

刀具自動測量理論上可以在自動化生產(chǎn)過程中任意時(shí)刻執(zhí)行，但為了避免干涉，多數(shù)情況下需要在不裝夾零件的情況下執(zhí)行。

自動測量的程序語句是：“G65P9012H3B15”。所測值將自動修正當(dāng)前刀號的刀具參數(shù)[5]。

2.1.3 自動化應(yīng)用效果

通過HPMA對刀臂，在數(shù)控車削機(jī)床上實(shí)現(xiàn)了高效率的自動化對刀(見圖3)。每次加工零件前，就可以把刀塔上的所有刀具都重新測1遍，以此消除加工過程中刀尖磨損帶來的誤差。每把刀具的對刀時(shí)間只需約10 s，全部12把刀具的對刀時(shí)間也不會超過2 min。

2.2 實(shí)現(xiàn)圓跳動、端面跳動自動檢查

2.2.1 原有方式分析

數(shù)控車削裝夾后一般都要對零件的圓跳動、端面跳動進(jìn)行檢查。在單人單機(jī)的操作模式下，操作者在磁力表架上安裝百分表，百分表靠近工件，旋轉(zhuǎn)主軸，通過查看百分表數(shù)值的跳動來判斷圓跳動。這種方式效率低，每次找正都需要3～5 min，且測量結(jié)果受操作者主觀因素影響，無法量化。

圖3 刀具自動對刀應(yīng)用示例

2.2.2 現(xiàn)有解決方案

在自動化生產(chǎn)中，雖然采用了高精度液壓卡盤和訂制卡爪增大裝夾面積等方式，最大限度地減小裝夾中的同軸度誤差，使得機(jī)械手自動裝夾準(zhǔn)確率達(dá)到80%以上。但是，機(jī)械臂裝夾過程中，難免會因?yàn)楦鞣N意外導(dǎo)致裝偏裝斜，這種意外不可預(yù)測且無法修正。如果因此要求操作者到每個(gè)機(jī)床前手工檢測零件是否裝正，顯然失去了自動化高效加工的意義。為此，筆者采用OLP40工件測量系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)圓跳動、端面跳動的自動測量。

圓跳動自動測量的工作原理是利用OLP40工件測量系統(tǒng)的測量外圓直徑的功能，讓零件外圓面每旋轉(zhuǎn)45°測量1次直徑，共測量8次(也可減小旋轉(zhuǎn)角度，測量更多次)。然后通過宏變量計(jì)算，自動找到最大直徑和最小直徑，兩者差值的一半就是該零件圓跳動的近似值。零件測頭測外圓跳動應(yīng)用示例如圖4所示[6-7]。

圖4 零件測頭測外圓跳動應(yīng)用示例

圓跳動的自動測量的典型程序示例如下：

%

O7003 (30xu-cetou-waiyuan)

#831=0.05 (設(shè)定圓跳動最大公差值0.05)

#850=134. (設(shè)定測量外圓的安全點(diǎn)直徑134)

#851=129.5 (設(shè)定測量外圓的測量點(diǎn)直徑129.5)

G28U0.W0. (回?fù)Q刀安全點(diǎn))

G98G00

M19 (主軸定位停止)

T1214 (換位于12號刀位的測頭，使用14號刀具參數(shù))

M75(PROBE ON) (測頭測量功能啟動)

M89 (開啟主軸定角度旋轉(zhuǎn))

G4X0.5 (暫停0.5 s)

B0 (C軸旋轉(zhuǎn)到0°)

G98G54G0X140.Z20. (快速移動到安全點(diǎn))

G65P9810Z-8.F1000 (Z方向安全移動)

G65P9810X#850 (X方向安全移動)

G65P9811X#851 (測量理論直徑)

#610=#138 (將0°位置的測量直徑暫存#610參數(shù))

G65P9810X#850 (X方向安全移動)

B45 (C軸旋轉(zhuǎn)到45°，并重復(fù)測量)

…… (共測量8個(gè)角度，此處省略重復(fù)語句)

#810=610 (開始宏參數(shù)計(jì)算)

#811=#[#810]

#812=#[#810]

#821=1

WHILE[#821LT8]DO1

IF[#811LT#[#810+#821]]GOTO2

#811=#[#810+#821]

N2

IF[#812GT#[#810+#821]]GOTO3

#812=#[#810+#821]

N3

#821=#821+1

END1

(上述宏參數(shù)計(jì)算，找到#610～#617的最大值賦給#811，最小值賦給#812)

#830=ABS[#812-#811]/2 (計(jì)算圓跳動為最大直徑減最小直徑的一半)

#832=[#610+#611+#612+#613+#614+#615+#616+#617]/8 (計(jì)算平均直徑)

M74(PROBE OFF) (測頭測量功能關(guān)閉)

IF[ABS[#830]GT#831]GOTO92 (判斷如果圓跳動大于圓跳動公差值則報(bào)警)

G5.1Q1

G28U0.W0.

M99 (如果圓跳動檢測合格則返回主程序)

N92

G4X1.

IF[#1003EQ0]GOTO94 (通過#1003的狀態(tài)來判斷機(jī)床是否處于自動化聯(lián)機(jī)狀態(tài)。如果是，則向控制系統(tǒng)反饋報(bào)警信息；如果不是，則在跳轉(zhuǎn)到N94行，機(jī)床系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生報(bào)警信息)

G28U0.W0. (回?fù)Q刀安全點(diǎn))

M19 (主軸定位停止)

M66 (向控制系統(tǒng)反饋報(bào)警信息)

G4X2.

M61 (機(jī)床門打開)

M30 (程序結(jié)束，等待機(jī)械手二次裝夾)

N94

G28U0.W0.

#3000=81(CIRCULAR JUMP NG) (系統(tǒng)報(bào)警：圓跳動超差)

M30

%

端面跳動、內(nèi)孔圓跳動的自動測量程序與外圓圓跳動的程序非常相似，只需要改動一下測量方向即可。

2.2.3 自動化應(yīng)用效果

通過OLP40工件測量系統(tǒng)，在數(shù)控車削機(jī)床上實(shí)現(xiàn)了圓跳動自動測量，每次圓跳動測量僅需不到20 s的時(shí)間，解決了機(jī)械臂自動化裝夾過程中有時(shí)會裝不正的風(fēng)險(xiǎn)，極大地提高了自動化生產(chǎn)的加工效率和機(jī)床利用率。但是，需要指出的是，通過圓跳動自動測量程序可以發(fā)現(xiàn)裝夾不正的問題，但無法解決該問題。目前，機(jī)械臂的一次裝夾正確率約在80%以上。筆者采取的方案是一次裝夾后圓跳動超差，呼叫機(jī)械手二次裝夾，如果二次裝夾圓跳動還是超差，則在總控臺顯示機(jī)床異常信息，呼叫人工方式解決。因此，需要人工干預(yù)的裝夾問題可能性壓縮到4%以下。

2.3 實(shí)現(xiàn)自動找正Z軸零點(diǎn)

2.3.1 原有方式分析

在一些數(shù)控車削工序中，零件的Z軸零點(diǎn)不是以三爪自定心卡盤裝夾底面為基準(zhǔn)，而是以零件的右端端面為基準(zhǔn)，或是以某個(gè)已加工面的相對距離為基準(zhǔn)。在這種情況下，因?yàn)榱慵L度誤差的關(guān)系，零件Z軸零點(diǎn)可能每件都不一樣，需要件件找正。

在單人單機(jī)的操作模式下，這種Z軸零件的找正需要通過人工每件試切來找正。具體做法是：每件零件先小余量試切一個(gè)見光面，再測量這個(gè)端面到基準(zhǔn)面的距離，然后將這個(gè)距離值輸入到對應(yīng)刀具號的刀具參數(shù)表中。有時(shí)甚至需要多把車刀分別參與試切和刀具參數(shù)調(diào)整。這樣的方式不僅找正效率非常低，而且這個(gè)過程完全依靠操作者手工測量和輸入數(shù)值，還極易量錯(cuò)或改錯(cuò)參數(shù)，造成零件加工不合格。

2.3.2 現(xiàn)有解決方案

在自動化生產(chǎn)中，不可能接受零件每件都靠人工試切找正的方式。為此，筆者采用OLP40工件測量系統(tǒng)來解決自動找正Z軸零點(diǎn)的問題。

自動找正Z軸零點(diǎn)的工作原理是利用OLP40工件測量系統(tǒng)測量Z軸長度的功能，測量零件某個(gè)基準(zhǔn)端面(不一定是理論0平面)，找到實(shí)際測量值與理論值之間的差值，然后將這個(gè)差值補(bǔ)正到坐標(biāo)系中去。每個(gè)零件只需測量1次，刀具參數(shù)無需改變，所有刀具都無需重新對刀[8-9]。

自動找正Z軸零點(diǎn)的典型程序示例如下：

%

O7011(110xu-cetou-1-duanmian)

G28U0.W0.

G98G00

M19 (主軸定位)

T1214 (換位于12號刀位的測頭，使用14號刀具參數(shù))

M75(PROBE ON) (測頭測量功能打開)

M89

G4X0.5

G98G54G0X160.Z20.

G65P9810X135.F1000 (X軸安全移動)

G65P9810Z10. (Z軸安全移動)

G65P9811Z2. (測量有2 mm理論加工余量的端面)

#5242=#5242+#142 (將測量誤差#142值補(bǔ)正到G55坐標(biāo)系Z軸零點(diǎn)參數(shù)中)

G0Z20.

M74(PROBE OFF) (測頭測量功能關(guān)閉)

G28U0.W0.

G99

M99

%

2.3.3 自動化應(yīng)用效果

通過OLP40工件測量系統(tǒng)，在數(shù)控車削機(jī)床上實(shí)現(xiàn)了自動找正零件Z軸零點(diǎn)，每個(gè)零件在長度誤差不超過10 mm的情況下，均可以自動找正。每次測量時(shí)間<10 s，極大地提高了自動化生產(chǎn)的加工效率和機(jī)床利用率。

3 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

因?yàn)閿?shù)控車削機(jī)床操作時(shí)人工干預(yù)的情況更多，因此通過數(shù)控車削機(jī)床組建自動化生產(chǎn)線，其難度要比用數(shù)控銑削機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)線更難。即使采用雷尼紹公司OLP40工件測量系統(tǒng)和HPMA對刀臂，從理論上代替了人工裝夾找正的動作，但在實(shí)際應(yīng)用中，每種零件每個(gè)工序加工的實(shí)際情況都不一樣，都需要進(jìn)行有針對性的工藝調(diào)整。筆者團(tuán)隊(duì)在實(shí)踐過程中，總結(jié)出了一些應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，分享如下。

3.1 HPMA對刀臂的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

1)雷尼紹公司提供的數(shù)控車削對刀臂，常用的有HPMA型和HPPA型2種，區(qū)別在于HPMA型內(nèi)置旋轉(zhuǎn)電動機(jī)，可以通過M代碼控制展開和收攏，而HPPA型只能人工展開和收攏。因此，在實(shí)施自動化生產(chǎn)線中，一定要選擇HPMA型，才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動控制。

2)HPMA對刀臂在展開工作時(shí)，測頭要通過車床旋轉(zhuǎn)軸，因此稍微長一點(diǎn)的零件都要干涉，所以必須在不裝夾零件的狀態(tài)下執(zhí)行刀具自動對刀程序。

3)HPMA對刀臂的展開和收攏的運(yùn)動會掃過卡盤前一段圓弧區(qū)域，應(yīng)注意避免與卡盤及卡爪的干涉，必要時(shí)需要鏜修卡爪外緣(見圖5)。

圖5 因卡爪與對刀臂干涉而鏜修卡爪的示例

4)數(shù)控車削機(jī)床的刀具參數(shù)，有“偏置/形狀”和“偏置/磨損”2個(gè)參數(shù)表。通過測刀臂獲得的刀具參數(shù)需要統(tǒng)一放在一個(gè)參數(shù)表內(nèi)，如果混淆就會出錯(cuò)。以FANUC系統(tǒng)的數(shù)控車削機(jī)床為例，如果宏參數(shù)#509=1時(shí)，測量后的刀具參數(shù)會記錄到“偏置/形狀”參數(shù)表中；如果#509=0時(shí)，測量后的刀具參數(shù)就會記錄到“偏置/磨損”參數(shù)表中。如果參數(shù)不統(tǒng)一，就會發(fā)生半自動對刀程序?qū)⒌毒邊?shù)存放到“偏置/磨損”參數(shù)表中，自動對刀程序運(yùn)行時(shí)又從“偏置/形狀”參數(shù)表中獲得錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，導(dǎo)致撞刀的情況。

3.2 OLP40工件測量系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

1)要合理選擇測針。OLP40工件測量系統(tǒng)標(biāo)配的是一根φ6 mm的單針(見圖6)，而提供的安裝方式是安裝在φ25 mm的內(nèi)孔刀座上。這種情況下，測頭就只能測量零件右端面附近的外圓及端面，功能十分有限。因此，建議更改成φ2 mm十字針形式(見圖7)，測量功能就能大幅加強(qiáng)。

圖6 測頭標(biāo)配φ6 mm單針示例

圖7 測頭選配φ2 mm十字測針示例

2)采用十字測針之后，3個(gè)測頭均可用于測量，但3個(gè)測頭的刀具參數(shù)是不一樣的，需要分別標(biāo)定。一般1個(gè)刀號只能記錄1組刀具參數(shù)，因此十字測針會占用其他空刀刀號的刀具參數(shù)。例如，用“T1212、T1213、T1214”來定義3根測針的刀具參數(shù)。

3)HPMA對刀臂不能用于測量OLP40工件測量系統(tǒng)的刀具參數(shù)，因?yàn)閮烧呤峭ㄟ^檢測觸碰位移來實(shí)現(xiàn)檢測的，相互接觸時(shí)不能肯定哪邊會先發(fā)生位移。這樣測量出來的刀具參數(shù)會有較大誤差，導(dǎo)致后期測頭測不準(zhǔn)。

4)使用OLP40工件測量系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意測頭的干涉。車床內(nèi)空間有限，測頭運(yùn)動比刀具運(yùn)動更復(fù)雜，要注意與車床內(nèi)其他部件之間的干涉(見圖8和圖9)。比如測頭座與尾頂?shù)母缮?、測頭尖端與卡盤的干涉、測針與測座的干涉等。

圖8 測頭拆卸前端測針，避免與卡爪干涉的示例

5)測頭除了使用時(shí)可能發(fā)生干涉外，在換刀時(shí)也有可能與機(jī)床鈑金發(fā)生干涉。上文提到十字測針的橫針如果長度短于測頭座的大小，就會在測量時(shí)發(fā)生干涉。此時(shí)應(yīng)在十字測針的橫針上加裝延長桿，但延長桿又不能太長，太長在換刀時(shí)會和機(jī)床鈑金干涉。例如，在十字測針的橫針上加裝20 mm的延長桿，在刀座干涉與鈑金干涉之間達(dá)到平衡(見圖10)。

圖9 測頭不裝延長桿，避免測頭座與尾頂干涉示例

圖10 刀座干涉與鈑金干涉之間達(dá)到平衡示例

6)在部分機(jī)床上，采用內(nèi)孔刀座橫裝測頭的方式會帶來無法避免的干涉，筆者自制測頭座工裝，將測頭豎過來安裝(見圖11)。在豎裝測頭時(shí)應(yīng)注意測針長度，如果測針過長，極易在換刀時(shí)與機(jī)床內(nèi)側(cè)護(hù)板發(fā)生碰撞。

圖11 通過自制工裝豎裝測頭示例

7)圓跳動自動找正程序的工作原理是在零件周圈多個(gè)角度測量零件半徑，找出最大值與最小值的差。這就要求數(shù)控車削機(jī)床具備分度旋轉(zhuǎn)的功能，在FANUC系統(tǒng)中，該功能受K3.4參數(shù)控制。如果有些數(shù)控車削機(jī)床不具備定角度旋轉(zhuǎn)功能，也可采用任意低速旋轉(zhuǎn)一定時(shí)間后停止再測量直徑的方式。這種方式的測量點(diǎn)分布比較隨機(jī)，不如定角度旋轉(zhuǎn)測量點(diǎn)分布均勻，因此建議多測幾個(gè)點(diǎn)。

8)自動找正Z軸零點(diǎn)程序的工作原理是：每次裝夾后，在前一個(gè)零件定義的坐標(biāo)系下，測出零件基準(zhǔn)面實(shí)測值與理論值的差值，然后以此修正坐標(biāo)系的Z軸參數(shù)，使該零件的基準(zhǔn)面與理論基準(zhǔn)面重合。因?yàn)闇y頭默認(rèn)的測量越程距離是10 mm，也就是說，當(dāng)不同零件間基準(zhǔn)面誤差<10 mm時(shí)，都可以用這個(gè)程序自動修正Z軸零點(diǎn)。如果零件間誤差過大，則需要在測量語句中增加一個(gè)Q參數(shù)值，例“G65 P9811 Z2. Q20”可以將各零件間的允許誤差擴(kuò)大到20 mm。

4 建設(shè)成果

在這條數(shù)控車削自動化生產(chǎn)線建設(shè)中，通過在機(jī)測量系統(tǒng)的大量應(yīng)用，讓數(shù)控車削機(jī)床、在機(jī)測量系統(tǒng)與六軸機(jī)械臂有機(jī)地結(jié)合在一起，成功解決了自動化生產(chǎn)線中數(shù)控車削機(jī)床零件裝夾找正的關(guān)鍵問題，彌補(bǔ)了數(shù)控車削加工從單人單機(jī)操作到自動化操作中的關(guān)鍵一環(huán)，使得該條數(shù)控車削自動化生產(chǎn)線能夠高效而穩(wěn)定地運(yùn)行，在生產(chǎn)效率、人力成本、加工質(zhì)量方面都比單人單機(jī)操作有大幅提高。這套在機(jī)測量系統(tǒng)的應(yīng)用方案在所有數(shù)控車床上都具有普遍的推廣意義[10]。