一種大型殼體數(shù)控銑削過(guò)程自適應(yīng)刀補(bǔ)調(diào)整方法

張 澤 劉 爭(zhēng) 趙洪杰 何萬(wàn)林 鄧 陽(yáng) 李 璐

(首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076)

大型金屬殼體是航天器的主承力結(jié)構(gòu)和儀器設(shè)備安裝依托。產(chǎn)品為弱剛性薄壁結(jié)構(gòu)，采用上下端框加中間內(nèi)網(wǎng)格柱段結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)外表面加工數(shù)十個(gè)減重槽、窗口下陷和盲孔等特征。由于應(yīng)力釋放導(dǎo)致殼體圓度和母線直線度變差，大型金屬殼體在數(shù)控龍門機(jī)床進(jìn)行內(nèi)外形銑削時(shí)，如果按照理論軌跡加工會(huì)造成加工特征深度尺寸超差[1]。為保證各特征加工深度滿足圖紙要求，需要將加工程序拆碎成多個(gè)小程序或打單段頻繁試切調(diào)整刀長(zhǎng)進(jìn)行加工。加工過(guò)程存在程序數(shù)量多、人工頻繁調(diào)整刀補(bǔ)值、特征加工周期長(zhǎng)的問(wèn)題，生產(chǎn)過(guò)程頻繁出現(xiàn)由于程序調(diào)用錯(cuò)誤和手動(dòng)修改刀補(bǔ)值造成產(chǎn)品特征深度尺寸加工超差。

為解決產(chǎn)品變形后需人工頻繁調(diào)整刀補(bǔ)值的問(wèn)題，本文提出了一種使用千分表測(cè)量各特征變形量并使用數(shù)控系統(tǒng)R變量自動(dòng)調(diào)整各特征加工刀補(bǔ)的方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)床對(duì)變形零件的自適應(yīng)刀補(bǔ)調(diào)整加工。

1 總體方案

數(shù)控龍門銑床自適應(yīng)刀補(bǔ)調(diào)整加工方法包括工藝準(zhǔn)備和現(xiàn)場(chǎng)加工兩個(gè)階段。工藝準(zhǔn)備階段使用NX軟件加工模塊編制待加工特征的加工程序和測(cè)量程序[2]，之后分別使用Vericut軟件進(jìn)行測(cè)量刀軌和加工刀軌仿真[3]?，F(xiàn)場(chǎng)加工階段首先執(zhí)行測(cè)量程序，使用千分表測(cè)量各待加工特征位置的變形量，之后將測(cè)量數(shù)據(jù)寫入機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)R變量中，最后執(zhí)行加工程序并使用數(shù)控系統(tǒng)R變量中存儲(chǔ)的各待加工特征位置變形量數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整刀補(bǔ)值實(shí)現(xiàn)變形產(chǎn)品自適應(yīng)補(bǔ)償加工[4-6]，總方案見(jiàn)圖1。

2 工藝準(zhǔn)備

2.1 編制加工程序

首先確定各工步待加工特征，使用NX軟件CAM模塊編制各待加工特征的加工刀軌，并將同一工步下各加工刀軌放置在同一程序組中，加工程序刀軌見(jiàn)圖2。

其次在該程序組開(kāi)始事件中插入用戶自定義局部變量宏程序。再次確定需要進(jìn)行刀補(bǔ)調(diào)整的加工刀軌(刀補(bǔ)調(diào)整刀軌)，并在刀補(bǔ)調(diào)整刀軌開(kāi)始事件中插入刀補(bǔ)調(diào)整宏程序。接著在程序組末尾刀軌結(jié)束事件中插入重置刀補(bǔ)調(diào)整變量的宏程序。最后通過(guò)西門子數(shù)控系統(tǒng)后處理器生成加工程序。加工刀軌中添加開(kāi)始事件和結(jié)束事件見(jiàn)圖3。

(1)定義用戶局部變量宏程序

DEF INT UDF_J=40 ;定義用戶局部變量并賦值

(2)刀補(bǔ)調(diào)整宏程序

STOPRE ;停止程序預(yù)讀

R40 = $TC_DP21[$P_TOOLNO,1] ;暫存初始刀長(zhǎng)

UDF_J=UDF_J+1 ;補(bǔ)償點(diǎn)編號(hào)

$TC_DP21[$P_TOOLNO,1]=R40+R[UDF_J]

D1; 更新并激活刀長(zhǎng)

STOPRE

$TC_DP21[$P_TOOLNO,1]=R40;刀長(zhǎng)恢復(fù)初始值

R40=0

(3)重置刀補(bǔ)調(diào)整變量宏程序

STOPRE

UDF_J=40

WHILE UDF_J<100

R[UDF_J]=0

UDF_J=UDF_J+1

ENDWHILE

UDF_J=40

2.2 編制測(cè)量程序

首先確定測(cè)量程序中測(cè)點(diǎn)位置和測(cè)點(diǎn)數(shù)量，測(cè)點(diǎn)位置和數(shù)量應(yīng)與加工程序中刀補(bǔ)調(diào)整刀軌位置和數(shù)量保持一致。其次使用NX軟件CAM模塊編制各測(cè)點(diǎn)刀軌，并將各測(cè)點(diǎn)刀軌放置在同一程序組中，測(cè)量程序刀軌見(jiàn)圖4。

再次在程序組開(kāi)始事件中插入用戶自定義局部變量宏程序。接著在測(cè)點(diǎn)刀軌結(jié)束事件中插入待測(cè)特征變形量寫入宏程序。最后通過(guò)西門子數(shù)控系統(tǒng)后處理器生成測(cè)量程序。測(cè)量刀軌中添加開(kāi)始事件和結(jié)束事件見(jiàn)圖5。

(1)定義用戶局部變量宏程序

DEF INT UDF_J=40

(2)待測(cè)特征變形量寫入宏程序

STOPRE

G4 F1; 程序延時(shí)1s

R38=1; 測(cè)點(diǎn)到位狀態(tài)

G4 F1

UDF_J=UDF_J+1; 測(cè)點(diǎn)編號(hào)

R[UDF_J]= R39; 將測(cè)量值賦值給當(dāng)前測(cè)點(diǎn)編號(hào)對(duì)應(yīng)的R寄存器中

R38=0; 測(cè)點(diǎn)到位狀態(tài)置為初始狀態(tài)

R39=0; 測(cè)量值暫存寄存器置為初始狀態(tài)

2.3 程序仿真

使用Vericut軟件對(duì)加工程序和測(cè)量程序進(jìn)行仿真驗(yàn)證如圖6所示，程序驗(yàn)證通過(guò)后下發(fā)到數(shù)控機(jī)床進(jìn)行產(chǎn)品加工。

3 現(xiàn)場(chǎng)加工

3.1 特征變形量檢測(cè)

使用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)檢測(cè)軟件并部署于與數(shù)控系統(tǒng)連接的工控機(jī)中，機(jī)床主軸裝入已知刀長(zhǎng)的數(shù)顯千分表組成特征變形量檢測(cè)裝置如圖7所示。

測(cè)量程序開(kāi)始執(zhí)行后檢測(cè)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)點(diǎn)R38寄存器狀態(tài)(測(cè)點(diǎn)到位狀態(tài))。當(dāng)R38=1(測(cè)點(diǎn)已到位)時(shí)，檢測(cè)軟件采集數(shù)顯千分表當(dāng)前值T測(cè)，并將測(cè)量值T測(cè)賦值給R39寄存器(測(cè)量值暫存寄存器)。之后數(shù)控系統(tǒng)將R39寄存器值賦值給當(dāng)前測(cè)點(diǎn)編號(hào)對(duì)應(yīng)的R寄存器中[7-8]。最后，數(shù)控系統(tǒng)將測(cè)點(diǎn)到位狀態(tài)和測(cè)量值暫存寄存器置為初始狀態(tài)R38=0，R39=0。循環(huán)執(zhí)行以上過(guò)程直到測(cè)量程序執(zhí)行完成。特征變形量檢測(cè)流程和特征變形量寫入機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)分別見(jiàn)圖8和圖9。

3.2 機(jī)床自適應(yīng)刀補(bǔ)調(diào)整

機(jī)床主軸裝刀并對(duì)刀，執(zhí)行加工程序。首先當(dāng)程序執(zhí)行到待加工特征刀補(bǔ)調(diào)整位置時(shí)，調(diào)用當(dāng)前特征對(duì)應(yīng)的R寄存器測(cè)點(diǎn)值進(jìn)行待加工特征刀補(bǔ)值調(diào)整；其次調(diào)整后刀補(bǔ)值生效后，將刀補(bǔ)寄存器和暫存寄存器恢復(fù)為初始值；最后使用調(diào)整后刀補(bǔ)值進(jìn)行待加工特征加工。循環(huán)執(zhí)行以上過(guò)程直到程序中所有待加工特征完成加工，待加工特征全部完成加工后重置測(cè)點(diǎn)寄存器補(bǔ)償量為0。加工過(guò)程刀補(bǔ)自適應(yīng)調(diào)整流程和數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整刀補(bǔ)分別見(jiàn)圖10和圖11。

4 應(yīng)用驗(yàn)證

某型號(hào)大型殼體為攪拌摩擦焊焊接殼體，殼體車加工后由于應(yīng)力釋放沿周向變形較大。使用本文提出的數(shù)控銑削過(guò)程自適應(yīng)刀補(bǔ)調(diào)整方法進(jìn)行殼體端框外形盒形特征和窗口下陷特征加工驗(yàn)證。

4.1 端框外形盒形特征加工

殼體外形上下端框位置有2組盒形特征，每組36個(gè)沿周向均勻分布，盒形特征深度30±0.2 mm。在加工程序每個(gè)特征位置設(shè)置刀補(bǔ)調(diào)整點(diǎn)共36個(gè)，測(cè)量程序在每個(gè)特征位置設(shè)置測(cè)點(diǎn)共36個(gè)，測(cè)量程序測(cè)點(diǎn)與加工程序刀補(bǔ)調(diào)整點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，加工程序刀軌和測(cè)量程序如圖2和圖4所示。執(zhí)行測(cè)量程序?qū)ι隙丝蚝拖露丝蚝行翁卣鬟M(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖12所示。上端框盒形特征測(cè)點(diǎn)值極差1.23 mm，下端框盒形特征測(cè)點(diǎn)值極差0.89 mm。

使用自適應(yīng)刀補(bǔ)調(diào)整方法進(jìn)行上下端框外形盒形特征加工，加工后特征深度如圖13所示。盒形特征深度在30.01～30.05 mm。

4.2 窗口下陷特征加工

殼體外形共用11處窗口下陷特征，窗口特征深度30±0.2 mm。在加工程序每個(gè)窗口特征位置設(shè)置刀補(bǔ)調(diào)整點(diǎn)共11個(gè)，測(cè)量程序在每個(gè)窗口特征附近設(shè)置測(cè)點(diǎn)共11個(gè)，測(cè)量程序測(cè)點(diǎn)與加工程序刀補(bǔ)調(diào)整點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，加工程序刀軌和測(cè)量程序如圖14所示。執(zhí)行測(cè)量程序?qū)Υ翱谙孪萏卣鬟M(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖15所示，窗口下陷特征測(cè)點(diǎn)值極差2.3 mm。

使用自適應(yīng)刀補(bǔ)調(diào)整方法進(jìn)行窗口下陷特征加工，加工后特征深度如圖16所示，窗口下陷特征深度在5.98～6.03 mm。

各類型特征加工前變形量和加工后特征深度尺寸范圍如下表所示：

表1 典型特征自適應(yīng)刀補(bǔ)調(diào)整加工結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種適應(yīng)大型金屬殼體數(shù)控銑削過(guò)程自適應(yīng)刀補(bǔ)調(diào)整加工方法。該方法具有以下特點(diǎn)：

(1)工藝準(zhǔn)備階段，通過(guò)在 NX 軟件加工模塊編制加工刀軌和測(cè)量刀軌，同時(shí)在加工刀軌開(kāi)始事件中添加刀補(bǔ)調(diào)整宏程序和在測(cè)量刀軌結(jié)束事件中添加測(cè)點(diǎn)宏程序，實(shí)現(xiàn)加工程序和測(cè)量程序的快速編制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)加工程序和測(cè)量程序在同一CAM模塊下有效管理。

(2)產(chǎn)品變形量檢測(cè)階段，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)顯千分表的特征變形量檢測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)基于測(cè)量程序的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集并將特征變形量數(shù)據(jù)寫入機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)R寄存器中。

(3)產(chǎn)品加工階段，加工程序自動(dòng)調(diào)用R寄存器測(cè)點(diǎn)值進(jìn)行待加工特征刀補(bǔ)值調(diào)整，實(shí)現(xiàn)變形產(chǎn)品多特征自適應(yīng)補(bǔ)償加工，并有效避免了人工頻繁調(diào)整刀補(bǔ)值造成產(chǎn)品特征深度尺寸加工超差。