一種接觸式數(shù)控防差錯(cuò)技術(shù)

郭 輝，何多政，沈 勇，許鋒國

(中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，陜西 漢中 723200)

隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)理念的轉(zhuǎn)變提升，飛機(jī)起落架零件結(jié)構(gòu)向整體化、復(fù)雜化方向發(fā)展，給起落架制造關(guān)鍵技術(shù)之一——數(shù)控加工技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)：原材料毛坯成本高、工序流程復(fù)雜、加工周期長、報(bào)廢損失大等，如起落架外筒、支柱毛坯成本100余萬，近年已發(fā)生多起報(bào)廢事故[1-2]。同時(shí)，航空產(chǎn)品的特點(diǎn)決定了公司屬于典型的離散性制造企業(yè)，產(chǎn)品呈現(xiàn)種類多、小批量混線加工特點(diǎn)，加工過程隱藏著潛在質(zhì)量隱患。對各類質(zhì)量事故原因進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)可知，“程序調(diào)用錯(cuò)誤”“刀具補(bǔ)償錯(cuò)誤”和“使用刀具錯(cuò)誤”等是造成80%零件報(bào)廢的主要原因[3]。消除錯(cuò)誤的最好辦法是采用防差錯(cuò)手段，從工藝設(shè)計(jì)階段就考慮到可能出現(xiàn)的操作錯(cuò)誤，并采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行預(yù)防，從源頭防止錯(cuò)誤和缺陷的發(fā)生，符合質(zhì)量經(jīng)濟(jì)性原則。防錯(cuò)技術(shù)的理想狀態(tài)是不制造缺陷，也是最主動(dòng)、最經(jīng)濟(jì)、可預(yù)見并防止錯(cuò)誤的有效控制措施。在加工前通過檢測裝置，如探頭探測、傳感器感應(yīng)等消除缺陷的防錯(cuò)措施，一直是機(jī)械加工探究的一項(xiàng)課題。

1 接觸式數(shù)控防差錯(cuò)

接觸式數(shù)控防差錯(cuò)就是在零件加工前，借助防錯(cuò)裝置，通過NC防錯(cuò)程序語句中的條件判斷和機(jī)床報(bào)警，判斷當(dāng)前輸入值、加工程序、刀具參數(shù)、工位狀態(tài)等是否正確。其中NC防錯(cuò)程序語句是在防錯(cuò)NC程序中加入邏輯運(yùn)算語句，實(shí)現(xiàn)圖號判斷、補(bǔ)償值超差判斷、工位狀態(tài)判斷等，并驅(qū)動(dòng)刀具在防錯(cuò)裝置周邊運(yùn)行設(shè)定的檢測軌跡，依據(jù)軌跡中的切削狀況(過切或偏離)和機(jī)床報(bào)警情況，判斷加工前調(diào)用的切削刀具、坐標(biāo)原點(diǎn)、坐標(biāo)系的偏移補(bǔ)償值、加工工位等是否正確。

1.1 防錯(cuò)裝置

防錯(cuò)裝置根據(jù)安裝位置的不同，可分為夾具防錯(cuò)裝置、工藝夾頭防錯(cuò)裝置和機(jī)床防錯(cuò)裝置?？紤]到刀具運(yùn)行防錯(cuò)程序段過程中可能與防錯(cuò)裝置發(fā)生碰撞，特將刀具與防錯(cuò)裝置接觸部位材質(zhì)選為尼龍，進(jìn)一步降低刀具沖擊對機(jī)床精度的影響及其他潛在風(fēng)險(xiǎn)。

1.1.1 夾具防錯(cuò)裝置

夾具防錯(cuò)裝置設(shè)置在夾具底板開闊的位置上，由防錯(cuò)棒、防錯(cuò)棒座構(gòu)成，為避免干涉，防錯(cuò)棒座一端通過螺紋與底板聯(lián)接(見圖1)，另一端用于安裝防錯(cuò)棒。防錯(cuò)裝置與夾具采用螺紋聯(lián)接方式，保證了各個(gè)部件良好的互換性。數(shù)控程序運(yùn)行時(shí)，通過設(shè)置好的防錯(cuò)棒對刀具直徑、刀具圓角、刀具Z值、程序原點(diǎn)進(jìn)行再次效驗(yàn)。為保證防錯(cuò)棒座具有足夠的強(qiáng)度，材料選用45鋼，熱處理至35～40 HRC，表面進(jìn)行發(fā)藍(lán)防護(hù)。

a)夾具防錯(cuò)棒座

b)防錯(cuò)裝置圖1 夾具防錯(cuò)棒座及防錯(cuò)裝置示意圖

1.1.2 工藝夾頭防錯(cuò)裝置

當(dāng)數(shù)控加工零件無專用工裝時(shí)，可在零件工藝夾頭上設(shè)置防錯(cuò)裝置，聯(lián)接方式和夾具防錯(cuò)棒相同，用螺紋直接與零件工藝夾頭聯(lián)接。

1.1.3 機(jī)床防錯(cuò)裝置

零件在加工時(shí)既沒有專用工裝又沒有工藝夾頭可用時(shí)，可在機(jī)床工作臺(tái)上設(shè)置防錯(cuò)棒座。通過T型螺母壓緊在機(jī)床工作臺(tái)上即可，結(jié)構(gòu)如圖2所示，其高度根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。機(jī)床防錯(cuò)裝置由尼龍防錯(cuò)棒和棒座兩部分組成，尼龍防錯(cuò)棒與棒座通過螺紋聯(lián)接(見圖2b)。其中，機(jī)床防錯(cuò)棒座同樣選用45鋼，熱處理至35～40 HRC，表面進(jìn)行發(fā)藍(lán)防護(hù)。

a)機(jī)床防錯(cuò)棒座

b)機(jī)床防錯(cuò)裝置圖2 機(jī)床防錯(cuò)棒座

在機(jī)床工作臺(tái)上聯(lián)接的防錯(cuò)裝置與前2種不同，前2種防錯(cuò)裝置的位置是固定的，防錯(cuò)棒位置相對于零件原點(diǎn)是固定的。由于安裝在機(jī)床上的防錯(cuò)裝置每次加工零件的安裝位置不固定，造成該類防錯(cuò)棒相對于零件原點(diǎn)位置不固定，因此在程序的編制上需引入變量，將防錯(cuò)棒位置坐標(biāo)參數(shù)化，通過宏運(yùn)算實(shí)現(xiàn)防錯(cuò)功能。3種防錯(cuò)裝置均采用同一種尼龍防錯(cuò)棒(見圖3)。

圖3 尼龍防錯(cuò)棒

1.2 防錯(cuò)裝置實(shí)現(xiàn)防差錯(cuò)的機(jī)理

在零件加工前，預(yù)先運(yùn)行一段防錯(cuò)檢測程序，主要是對當(dāng)前刀具Z值、刀具直徑、刀尖R是否正確進(jìn)行檢測。圖4所示為產(chǎn)品加工前，加工刀具在防錯(cuò)裝置上的檢測過程及軌跡，檢測運(yùn)動(dòng)對應(yīng)的效果見表1。數(shù)控防錯(cuò)程序一般由標(biāo)準(zhǔn)程序頭、主程序、防錯(cuò)子程序組成(標(biāo)準(zhǔn)化后的防錯(cuò)程序以子程序的形式存入機(jī)床用戶程序文件中，等待宏指令調(diào)用)。

圖4 防錯(cuò)檢測程序檢測軌跡

表1 檢測運(yùn)動(dòng)對應(yīng)的效果

2 程序防差錯(cuò)

防錯(cuò)程序模塊語句一般放在主程序中第一次Z軸定位(如：G90 G0 G54 Z300.)程序段之后，平移、旋轉(zhuǎn)、鏡像、比列、極坐標(biāo)和快速定位X、Y軸之前，配合防錯(cuò)裝置防差錯(cuò)可進(jìn)一步避免人為因素造成的質(zhì)量隱患。程序防差錯(cuò)可實(shí)現(xiàn)對稱件的程序防錯(cuò)、多工位的程序防錯(cuò)、公用坐標(biāo)值輸入的程序防錯(cuò)、宏程序報(bào)警防錯(cuò)等。

數(shù)控防錯(cuò)應(yīng)注意如下兩點(diǎn)。

1)加工前確定正確的零件圖號和加工工位，安裝防錯(cuò)裝置。

2)找正零件和防錯(cuò)棒中心的機(jī)械坐標(biāo)值并將其輸入坐標(biāo)系中。其中防錯(cuò)棒Z軸坐標(biāo)值為防錯(cuò)棒頂面相對于工件原點(diǎn)Z向的高差值(相對值)。當(dāng)防錯(cuò)棒的頂面高于工件原點(diǎn)時(shí)，則Z值輸入正值，反之為負(fù)。零件的程序原點(diǎn)輸入到當(dāng)前零件加工坐標(biāo)系中，防錯(cuò)棒中心原點(diǎn)機(jī)械坐標(biāo)值輸入到G59坐標(biāo)系中。

3 接觸式數(shù)控防差錯(cuò)的應(yīng)用案例

根據(jù)產(chǎn)品加工的需要，以及數(shù)控系統(tǒng)輸入輸出接口特點(diǎn)，在數(shù)控加工程序中不能直接體現(xiàn)的包括刀具和檢測棒的參數(shù)、檢測棒的位置信息、數(shù)控程序的工位特征信息。刀具參數(shù)(直徑和刀尖)、檢測棒參數(shù)和工位信息應(yīng)由外部輸入，并通過完善后置處理文件實(shí)現(xiàn)。

刀具參數(shù)包括刃口最大直徑和刀尖參數(shù)。鑒于鉆頭、鉸刀和鏜刀的對刀方式，鉆頭刀尖參數(shù)按120°，鉸刀和鏜刀按90°賦值；檢測棒的位置信息(X和Y原點(diǎn))可選擇某一固定坐標(biāo)系去設(shè)定；程序組合按工位管理。同工位的程序指定相同的數(shù)值代碼，并按增量從1、2、3…組合排列，對于使用夾具加工的，按加工順序歸類到工位。圖5所示為某一工位狀態(tài)下的刀軌仿真和真實(shí)加工情景。

a)帶防錯(cuò)裝置的刀軌仿真

b)采用機(jī)床防錯(cuò)裝置的真實(shí)加工圖5 防錯(cuò)刀軌

3.1 防錯(cuò)裝置基于固定位置的防錯(cuò)程序

主要防錯(cuò)程序段：

S1500 M03

G00 Z998.

G01 X260. F1500

Y-172.

Z90. //刀具Z值檢測

X220.

G03 X220. Y-172. I0. J-28. //X、Y軸檢測

G01 X180.

Z150.

G00 X80. Y44.075

當(dāng)數(shù)控程序運(yùn)行完防錯(cuò)程序段時(shí)，若防錯(cuò)裝置無過切、碰撞等現(xiàn)象(見圖5b)，可說明加工前程序原點(diǎn)、刀具直徑、根部R、Z值輸入信息的正確性。

3.2 防錯(cuò)裝置基于任意位置的防錯(cuò)程序

由于沒有專用夾具，零件在機(jī)床上安裝的位置狀態(tài)可能每次不同，防錯(cuò)裝置相對于零件加工坐標(biāo)原點(diǎn)的數(shù)據(jù)也略有差異，導(dǎo)致防錯(cuò)數(shù)控程序不能統(tǒng)一，為此可對程序進(jìn)行如下設(shè)置。

1)在程序中合理設(shè)定局部變量或公共變量以及系統(tǒng)變量，通過賦值、算數(shù)或邏輯運(yùn)算與條件語句來判斷當(dāng)前調(diào)用的程序、原點(diǎn)坐標(biāo)值等是否正確。

2)通過使用宏程序中子程序調(diào)用功能，根據(jù)不同條件做出相應(yīng)判斷。當(dāng)G65被指定時(shí)，地址P所指定的用戶宏(P指定的程序名)被調(diào)用，數(shù)據(jù)(自變量)能傳遞到用戶宏程序中。定義子程序?yàn)镺7999，通過子程序來完成刀具Z向、X、Y向以及刀具圓角R檢測。案例程序如下[4-6]。

主程序段：

%

(X00027A.TXT D:12,R:6)

N1G40 G69 G80

N3G00 G91 G28 Z0.

N5G90 G54

G65 P7999 D12 R6 Q50 N7G00 G90 X188.484Y-41.519

Z200.0

S600M03

N9G00G40X188.484Y-41.519

Z100.0

G01Z0.0F300

N11X190.817Y-37.097

...

N29M05

N31G00 G91 G28 Z0.

N33G90

N35M02

%

.

.

.

G00Z200.

G52 X0. Y0. Z0.

G91G00G28Z0.

G90

M99

%

注：加工前需在G54中輸入加工零件的機(jī)床原點(diǎn)值X、Y、Z，并在G59里輸入防錯(cuò)裝置的機(jī)床原點(diǎn)值X、Y，Z值為防錯(cuò)裝置相對于零件原點(diǎn)的差值。

4 結(jié)語

本文提出了一種用于數(shù)控加工前，通過檢測運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)準(zhǔn)確判定的方法，可識(shí)別程序原點(diǎn)，刀具直徑、根部R、Z值輸入等信息的正確性。介紹了接觸式防錯(cuò)的3種防錯(cuò)裝置，防錯(cuò)裝置實(shí)現(xiàn)防差錯(cuò)的機(jī)理[7-10]。并對基于固定位置(零件夾頭、工裝)、基于任意位置的防錯(cuò)程序進(jìn)行了案例講解。該項(xiàng)技術(shù)可消除數(shù)控加工前人為、管理失誤，能顯著降低中小機(jī)加企業(yè)數(shù)控加工過程中的質(zhì)量隱患，達(dá)到降本增效的目的。