高精高效找正方法開發(fā)與應(yīng)用

鄧集松

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009）

0 引言

機(jī)械加工中“找正”通常是指在零件加工前，操作者利用找正工具測(cè)量、校正夾具或零件上的相關(guān)表面，使其與機(jī)床基準(zhǔn)處于平行、垂直、同軸、對(duì)中等正確位置的操作過(guò)程。為了有效地消除、減小零件的定位誤差，對(duì)于定位精度要求高的零件，需要在加工前對(duì)每件零件進(jìn)行找正，必要時(shí)還需要在加工過(guò)程中如精加工前，對(duì)零件再次找正，修正零點(diǎn)的偏差[1]。在數(shù)控機(jī)床上，常用尋邊器、杠桿表、主軸芯棒等工具進(jìn)行手動(dòng)找正，操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力、容易出錯(cuò)。

自動(dòng)找正工具有紅外型或電磁型的觸發(fā)式測(cè)頭，是一種高效率、高精度、高可靠性的自動(dòng)化在線測(cè)量裝置，通過(guò)執(zhí)行找正程序，自動(dòng)對(duì)零件特定的基本結(jié)構(gòu)要素如單點(diǎn)、孔、矩形腔進(jìn)行測(cè)量，并自動(dòng)設(shè)置工件零點(diǎn)數(shù)值[2]。目前，絕大多數(shù)操作工對(duì)測(cè)頭的使用還處于初級(jí)階段，只能完成手動(dòng)操作和簡(jiǎn)單的找正，不具備編寫程序完成零件找正的能力，限制了自動(dòng)找正的普及應(yīng)用。

1 高精高效找正方法概述

本文是基于加工中心上的觸發(fā)式測(cè)頭，以海德漢iTNC530系統(tǒng)為平臺(tái)，在基本找正功能基礎(chǔ)上，對(duì)測(cè)頭功能原理、參數(shù)編程及數(shù)據(jù)交互功能加以深入研究，開發(fā)高精度、高效率的數(shù)控機(jī)床在線找正方法。

高精高效找正方法，依托觸發(fā)式測(cè)頭及其基本功能，通過(guò)參數(shù)程序，對(duì)測(cè)頭采集的測(cè)量數(shù)據(jù)或人工輸入的初始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，得出工件零點(diǎn)數(shù)值或坐標(biāo)值，并通過(guò)對(duì)系統(tǒng)變量的讀寫，自動(dòng)設(shè)置或?qū)崟r(shí)修正工件零點(diǎn)或程序坐標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)精確、快捷、自動(dòng)找正過(guò)程，并通過(guò)設(shè)計(jì)防錯(cuò)、報(bào)警、信息顯示實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

海德漢iTNC530系統(tǒng)為用戶提供了測(cè)量循環(huán)與參數(shù)編程功能，包含角向找正循環(huán)、零點(diǎn)找正循環(huán)、參數(shù)的代數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、跳轉(zhuǎn)等指令，用于對(duì)加工數(shù)據(jù)的在線處理，在參考資料《海德漢iTNC 530對(duì)話格式編程手冊(cè)》中有詳細(xì)講解[3]，因功能較多，此處不再贅述。

2 提高測(cè)頭測(cè)量位置精度的方法

在測(cè)頭的使用過(guò)程中，由于頻繁換刀、受力、機(jī)床振動(dòng)等因素的影響，測(cè)頭的球頭中心相對(duì)校準(zhǔn)時(shí)的中心會(huì)發(fā)生偏斜，測(cè)頭表面有時(shí)不清潔（如粘屑），甚至有時(shí)還會(huì)發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)量精度下降，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致尺寸超差。為了提高測(cè)頭測(cè)量的位置精度，開發(fā)應(yīng)用以下測(cè)量程序進(jìn)行測(cè)量，讓操作者及時(shí)發(fā)現(xiàn)測(cè)頭偏斜、松動(dòng)、粘屑等不良狀況，以下具體介紹。

2.1 方法原理

假設(shè)測(cè)頭球頭中心與機(jī)床主軸中心存在偏差，如圖1所示。

圖1 測(cè)頭測(cè)量誤差分析

主軸在圓周角度為0°時(shí)X軸向偏差為ΔX1，如對(duì)固定位置0進(jìn)行測(cè)量時(shí)，造成X軸向測(cè)量誤差為ΔX1，第一次測(cè)量值為X1，真實(shí)值為X0，則：

再將主軸旋轉(zhuǎn)至圓周角度為180°時(shí)，對(duì)固定位置0進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)X軸向測(cè)量誤差為ΔX2，第二次測(cè)量值為X2，真實(shí)值為X0，則：

兩次測(cè)量值的平均值X為

此時(shí)不考慮測(cè)頭系統(tǒng)的固有誤差，從理論上講，兩次測(cè)量誤差值ΔX1與ΔX2應(yīng)該數(shù)值相等，符號(hào)相反，即ΔX1+ΔX2=0，那么兩次測(cè)量值的平均值理論上應(yīng)等于真實(shí)值，即

同理，對(duì)于Y軸兩次測(cè)量，則有：

這樣，就相當(dāng)于把由于測(cè)頭球頭中心相對(duì)于機(jī)床主軸中心偏斜造成的測(cè)量誤差抵消了。

此時(shí)，測(cè)頭在X軸和Y軸方向的偏斜值ΔX、ΔY均應(yīng)該不超出額定值δ，否則，通過(guò)輸出報(bào)警信息提示操作者，需要檢查或重新調(diào)整測(cè)頭。δ值一般取0.02～0.04 mm。即：

2.2 程序編制

在測(cè)量精度要求高的場(chǎng)合，對(duì)單點(diǎn)、腔槽、方臺(tái)的對(duì)稱中心、孔軸的圓心、分度圓圓心等位置進(jìn)行找正時(shí)，采用主軸0°、180°分別定向后對(duì)要素測(cè)量，并將兩次測(cè)量結(jié)果取平均值，作為最終測(cè)量結(jié)果。

以孔中心立式測(cè)量為例，編程如下[3-4]：

通過(guò)以上程序，可精確測(cè)量出指定孔的中心坐標(biāo)值，并分別保存在參數(shù)Q1和Q2中備用。其它如單點(diǎn)、腔槽、方臺(tái)的對(duì)稱中心等位置進(jìn)行測(cè)量時(shí)，方法與孔相同，不再贅述。

3 夾具快速找正法

夾具安裝在數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)上無(wú)固定位置，夾具體上必須具有供測(cè)量找正的基準(zhǔn)要素，常見的有孔、軸、槽、平面等。這些基準(zhǔn)要素可以是零件的定位基準(zhǔn)要素，也可以不是，但必須是方便測(cè)量找正操作，且一定和工件的加工基準(zhǔn)有固定的位置尺寸關(guān)系，此尺寸在夾具設(shè)計(jì)和加工時(shí)已確定，為已知常數(shù)，供找正設(shè)置零點(diǎn)時(shí)換算使用。

3.1 找正原理

只要夾具在機(jī)床工作臺(tái)上安裝完畢，其基準(zhǔn)位置在機(jī)床坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)值也就固定了，其近似值靠基準(zhǔn)面與測(cè)頭球頭相對(duì)位置的目測(cè)就能自動(dòng)捕捉并設(shè)置到機(jī)床零偏置或零點(diǎn)數(shù)據(jù)表內(nèi)，此目測(cè)精度完全能滿足觸發(fā)式測(cè)頭工作，其精確數(shù)值即可通過(guò)測(cè)頭對(duì)各基準(zhǔn)要素精確測(cè)量找正得到，再作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)直接或經(jīng)計(jì)算后寫入指定零點(diǎn)中。

3.2 程序編制

以某組合件夾具為例，如圖2所示，在立臥轉(zhuǎn)換加工中心DMU 60P機(jī)床上靠目測(cè)將角向基準(zhǔn)邊轉(zhuǎn)平，測(cè)頭近似定位于對(duì)中基準(zhǔn)孔中心，并距基準(zhǔn)面約20 mm。已知轉(zhuǎn)臺(tái)中心機(jī)械坐標(biāo)值為X=300.603，Y =-478.988，Z=-724.029；測(cè)頭有效長(zhǎng)度保存在參數(shù)Q114中，供計(jì)算使用。

圖2 目測(cè)測(cè)頭與基準(zhǔn)位置

零點(diǎn)近似設(shè)置，編程如下[3-4]：

通過(guò)運(yùn)行自動(dòng)找正程序，依靠測(cè)頭測(cè)量并自動(dòng)設(shè)置工件零點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

4 應(yīng)用效果

開發(fā)的找正方法經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，完全滿足了高精度高效率的找正要求。該套方法簡(jiǎn)單易用，由自動(dòng)操作代替人工操作，啟動(dòng)執(zhí)行程序即可，一般找正過(guò)程不超過(guò)1 min，大大提高了找正效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。此找正方法的應(yīng)用，降低了對(duì)工裝夾具的要求，可大量使用通用夾具，大幅度降低了工裝的使用成本。對(duì)輸入和輸出端的數(shù)據(jù)都可實(shí)現(xiàn)防錯(cuò)，不易受人為和外界因素的干擾，可有效保證找正操作的安全和質(zhì)量。

此套方法已應(yīng)用于海德漢系統(tǒng)的加工中心設(shè)備上，使用方便可靠。開發(fā)此方法所用到的技術(shù)工具為操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置，西門子、FANUC等操作系統(tǒng)也均具備相同或相似的功能，可進(jìn)一步推廣應(yīng)用于其它的操作系統(tǒng)上。