RMP60測(cè)頭在高速動(dòng)車組側(cè)墻加工中的應(yīng)用

肖沖，趙登登，高禾林

中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東青島 266109

1 序言

高速動(dòng)車組側(cè)墻是車體關(guān)鍵大部件之一，為鋁合金結(jié)構(gòu)，采用整體加工方式，加工精度要求高。受焊接變形及側(cè)墻自身預(yù)制撓度影響，側(cè)墻整體輪廓會(huì)產(chǎn)生變形，導(dǎo)致側(cè)墻車窗、車燈口和外輪廓加工出現(xiàn)尺寸偏差，需對(duì)變形量進(jìn)行補(bǔ)償加工[1]。通過(guò)RMP60測(cè)頭定義相應(yīng)測(cè)量程序，對(duì)側(cè)墻變形特征進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，獲取測(cè)量值，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行R參數(shù)編程，構(gòu)建三角函數(shù)運(yùn)算關(guān)系并進(jìn)行函數(shù)運(yùn)算，獲取變形量，同時(shí)引入Cip圓弧加工，可對(duì)側(cè)墻進(jìn)行適應(yīng)性加工。

2 動(dòng)車組側(cè)墻變形因素

2.1 側(cè)墻基本結(jié)構(gòu)

動(dòng)車組側(cè)墻由長(zhǎng)、大且中空的鋁合金型材通過(guò)IGM焊接機(jī)器人拼組焊接而成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要加工內(nèi)容有窗口加工、車燈口加工和側(cè)墻輪廓加工。按照側(cè)墻圖樣加工要求，窗口橫軸線應(yīng)與窗下滑槽平行，縱軸線與窗下滑槽垂直，且窗口整體呈長(zhǎng)方形。車燈口橫軸線與燈下滑槽平行，縱向軸線與燈下滑槽垂直，且車燈口成形面與側(cè)墻表面平行。由于側(cè)墻整體結(jié)構(gòu)為中空鋁合金結(jié)構(gòu)，受焊接變形影響較大[2]，因此側(cè)墻加工前需考慮側(cè)墻焊接變形對(duì)窗口、車燈口及側(cè)墻外輪廓加工尺寸的影響。

圖1 側(cè)墻結(jié)構(gòu)

2.2 側(cè)墻直線度變化

側(cè)墻窗口加工時(shí)，理想狀態(tài)下窗口應(yīng)水平分布于側(cè)墻上，窗口橫向軸線與側(cè)墻橫向軸線平行，即窗橫軸線與窗下滑槽平行。實(shí)際加工中，受預(yù)制撓度影響，側(cè)墻拼組焊接后，整個(gè)側(cè)墻軸線為一條弧線，如圖2所示。撓度會(huì)造成各窗口橫向軸線形成高度差，即窗口加工坐標(biāo)系Y向零點(diǎn)偏移，同時(shí)窗口橫向軸線與機(jī)床X軸存在一個(gè)夾角θ，該夾角大小會(huì)隨窗口位置不同而不斷變化，因此操作人員在對(duì)側(cè)墻窗口加工時(shí)需同時(shí)考慮零點(diǎn)變化和夾角變化。

圖2 撓度影響下的側(cè)墻示意

2.3 側(cè)墻外輪廓傾斜角度變化

受側(cè)墻焊接變形影響，側(cè)墻拼組焊接后其外輪廓的實(shí)際傾斜角度與原角度存在一個(gè)偏差角度α（見圖3），在側(cè)墻傾斜面上進(jìn)行車燈口加工時(shí)，要求車燈口縱向軸線與側(cè)墻上表面垂直。受偏差角度α影響，車燈口的實(shí)際加工輪廓與圖樣要求輪廓會(huì)出現(xiàn)偏差，車燈口實(shí)際加工縱軸線與理論加工縱軸線存在夾角α。因此操作人員在對(duì)車燈口進(jìn)行加工時(shí)，若不考慮偏差角度α的影響，加工過(guò)程中會(huì)造成車燈口加工位置偏離（見圖4），且實(shí)際加工成形面與側(cè)墻上表面存在夾角α，導(dǎo)致后工序車燈口安裝件與安裝口角度不匹配。

圖3 側(cè)墻傾斜角度變形示意

圖4 車燈口加工位置偏離

2.4 側(cè)墻外輪廓圓弧半徑R變化

受側(cè)墻焊接變形及裝夾定位誤差影響，側(cè)墻外輪廓圓弧半徑R實(shí)際值與圖樣理論值存在差值（見圖5），主要表現(xiàn)為圓弧輪廓R值大小變化造成的圓弧位置高度改變。編制側(cè)墻圓弧輪廓加工程序時(shí)編程者往往只能按照?qǐng)D樣設(shè)計(jì)要求給出標(biāo)注理論值，當(dāng)側(cè)墻實(shí)際圓弧輪廓R小于圖樣設(shè)計(jì)要求時(shí)，即程序給定R值過(guò)大，會(huì)造成加工輪廓部位型材欠切，需二次加工才能滿足圖樣要求；當(dāng)側(cè)墻實(shí)際圓弧輪廓R大于圖樣設(shè)計(jì)要求時(shí)，即程序給定R值過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致加工輪廓部位型材過(guò)切，造成質(zhì)量問(wèn)題。需注意的是，側(cè)墻圓弧輪廓加工出現(xiàn)欠切時(shí)，由于每個(gè)側(cè)墻部件的R值均不一樣，從程序穩(wěn)定性考慮，操作者不會(huì)直接去修改加工程序中的R值，且R值修改后無(wú)法準(zhǔn)確判定其走刀軌跡，所以一般采取修改加工坐標(biāo)系Z值或調(diào)整刀補(bǔ)的方式來(lái)控制加工余量。因此刀具加工行走軌跡輪廓與側(cè)墻實(shí)際輪廓總會(huì)存在一個(gè)偏差值，造成加工余量偏高（見圖6），導(dǎo)致后續(xù)工序打磨量增加，時(shí)間和工具成本會(huì)因此上升。

圖5 側(cè)墻外輪廓變形示意

圖6 變形導(dǎo)致加工余量偏高

3 RMP60測(cè)頭

3.1 RMP60測(cè)頭簡(jiǎn)介

RMP60測(cè)頭是RENISHAW新一代無(wú)線電工件測(cè)量系統(tǒng)，采用無(wú)線電信號(hào)傳輸方式，可在加工中心上對(duì)工件進(jìn)行自動(dòng)找正和序中測(cè)量。我司承接動(dòng)車組側(cè)墻加工任務(wù)的設(shè)備為FOOKE 60m龍門加工中心，采用SIEMENS 840D系統(tǒng)，機(jī)床配備RENISHAW公司的RMP60測(cè)頭（見圖7）。RMP60是一個(gè)集成的測(cè)頭模塊，主要由測(cè)頭刀柄、測(cè)頭和測(cè)針構(gòu)成。RMP60可根據(jù)需要配備不同型號(hào)的測(cè)針，使用PS3-4C型測(cè)針作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)針，總長(zhǎng)為50mm，球徑為6mm，球頭材料為寶石，測(cè)針桿體材料為瓷。

圖7 RMP60測(cè)頭

3.2 測(cè)量過(guò)程

首先將測(cè)頭定位在實(shí)際平面或工件邊緣前，然后激活測(cè)頭朝工件邊緣靠近，并選擇測(cè)量坐標(biāo)系、測(cè)量坐標(biāo)及測(cè)量方向。在接觸到工件邊緣時(shí)，測(cè)針擺動(dòng)構(gòu)成觸發(fā)動(dòng)作，獲得被測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)[3]，同時(shí)清除觸頭觸發(fā)時(shí)的剩余距離，并且執(zhí)行下一個(gè)NC數(shù)組（通常為回程）。相應(yīng)的軸在信號(hào)時(shí)間點(diǎn)所到達(dá)的實(shí)際位置（機(jī)床坐標(biāo)點(diǎn)）將被存儲(chǔ)在系統(tǒng)變量中，一般以MP值“[,]”存儲(chǔ)，可在進(jìn)行其他加工時(shí)讀取調(diào)用。SIEMENS 840D系統(tǒng)通過(guò)指令M84激活RMP60測(cè)量探測(cè)器，通過(guò)指令M85關(guān)閉測(cè)量探測(cè)器，可使用其控制系統(tǒng)上所安裝的SIEMENS測(cè)量循環(huán)來(lái)執(zhí)行各種測(cè)量任務(wù)。

3.3 測(cè)量循環(huán)Cycle730

FOOKE測(cè)量循環(huán)Cycle730是一種通用測(cè)量循環(huán)，將其與用來(lái)識(shí)別CNC控制的加工中心工件位置的測(cè)頭結(jié)合使用，即可執(zhí)行各種測(cè)量任務(wù)，測(cè)量參數(shù)定義如圖8所示。其可選擇將測(cè)量結(jié)果作為設(shè)定位置偏差或者絕對(duì)尺寸輸出給相應(yīng)設(shè)定變量，并且可以用于繼續(xù)處理下一測(cè)量任務(wù)。

圖8 測(cè)量參數(shù)定義

該循環(huán)適用于主平面中的測(cè)量任務(wù)，也可用于斜面上的測(cè)量。Cycle730探頭測(cè)點(diǎn)循環(huán)格式如下。

Setval[0]=SET(60,0,30)；X、Y、Z軸目標(biāo)坐標(biāo)

TcD[0]=SET(0,1,0)；1表示在對(duì)應(yīng)軸方向上運(yùn)動(dòng)，0則表示不運(yùn)動(dòng)。其正負(fù)表示探測(cè)方向，探測(cè)方向?yàn)榘╔、Y、Z軸分量的單位矢量，該矢量從目標(biāo)點(diǎn)指向測(cè)頭尖。若該矢量指向軸的正方向，即實(shí)際操作中測(cè)量方向從軸的正方向指向負(fù)方向，則值應(yīng)寫為正，否則值寫為負(fù)

DEF Real Setval[3]

DEF Real TcD[3]

DEF Real StO=25；表示目標(biāo)點(diǎn)前的距離，測(cè)量應(yīng)從這里開始

DEF Rea DeO=25；表示越過(guò)目標(biāo)點(diǎn)的超程距離，在該距離內(nèi)等待測(cè)頭偏轉(zhuǎn)

DEF Real Rtp=50；完成測(cè)量之后移動(dòng)至返回平面

CYCLE730(Setval,TcD,StO,DeO,Rtp)；調(diào)用Cycle730

MP[R10,0]=R1 M P[R10,1]=R2 MP[R10,2]=R3；MP[R10,0]為存儲(chǔ)位置，R1～R3為存儲(chǔ)值方式，1、2、3表示測(cè)得結(jié)果為工件坐標(biāo)系絕對(duì)值。在參數(shù)界面中可通過(guò)“用戶數(shù)據(jù)”軟鍵顯示結(jié)果參數(shù)，在MP[Nr,axis]參數(shù)中顯示測(cè)量結(jié)果，0表示X軸，1表示Y軸，2表示Z軸

STOPRE；程序預(yù)讀結(jié)束，單個(gè)循環(huán)執(zhí)行完成

以上就是一個(gè)測(cè)量循環(huán)的整體格式，其中代碼為固定格式，無(wú)需更改，操作者可根據(jù)測(cè)量要求修改其中相應(yīng)數(shù)值進(jìn)行多次調(diào)用，完成測(cè)量任務(wù)。

3.4 Cycle730測(cè)量應(yīng)用

對(duì)側(cè)墻窗口某一目標(biāo)點(diǎn)的Z、Y坐標(biāo)值進(jìn)行測(cè)量探點(diǎn)，其測(cè)量程序如下。

DEF Real Setval[3]；定義循環(huán)參數(shù)

DEF Real TcD[3]

DEF Real StO

DEF Real DeO

DEF Real Rtp

T14；選擇探頭

M6；換刀，將探頭抓取到主軸上

D1；讀取探頭長(zhǎng)度、測(cè)針球體大小

G0G54X0Y30；探頭快速移動(dòng)到設(shè)定位置

A0C0；探針垂直于工作臺(tái)面

M84；激活探頭

R10=50；測(cè)得的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在用戶數(shù)據(jù)界面中的MP[50,2]

X-600 Y30；運(yùn)動(dòng)到指定點(diǎn)

Setval[0]=S E T(-600,30,0)；定義測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)為（－600，30，0）

TcD[0]=SET(0,0,1)；定義測(cè)量方向?yàn)閆負(fù)方向探測(cè)

StO=20；定義從目標(biāo)點(diǎn)上方20mm處開始測(cè)量

DeO=20；定義超程距離為20mm

Rtp=50；定義返回平面高度為Z50mm

CYCLE730(Setval,TcD,StO,DeO,Rtp)；調(diào)用Cycle730

MP[R10,0]=R1 MP[R10,1]=R2 MP[R10,2]=R3；存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為絕對(duì)值

STOPRE；測(cè)量循環(huán)結(jié)束

G54X-600Y30；運(yùn)動(dòng)到指定點(diǎn)

R10=1；重新定義數(shù)據(jù)存儲(chǔ)點(diǎn)為MP[50,1]

R20=50；定義存儲(chǔ)點(diǎn)

Setval[0]=SET(-600,0,MP[R20,2+10])；測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)

TcD[0]=SET(0,1,0)；定義測(cè)量方向?yàn)閅負(fù)方向探測(cè)

StO=15；定義從目標(biāo)點(diǎn)前方15mm處開始測(cè)量

DeO=15；定義超程距離為15mm

Rtp=30；定義返回平面位置為Y50mm

CYCLE730(Setval,TcD,StO,DeO,Rtp)；調(diào)用Cycle730

MP[R10,0]=R1 MP[R10,1]=R2 MP[R10,2]=R3；存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為絕對(duì)值

STOPRE；測(cè)量循環(huán)結(jié)束

上述對(duì)窗口目標(biāo)點(diǎn)測(cè)量的程序中，考慮到側(cè)墻Z向變形影響，采用了先獲取目標(biāo)點(diǎn)Z坐標(biāo)，再根據(jù)Z坐標(biāo)測(cè)得目標(biāo)點(diǎn)Y坐標(biāo)的測(cè)量方式，以補(bǔ)償因側(cè)墻變形引起的測(cè)量高度不同而造成的測(cè)量偏差。

4 RMP60測(cè)頭在側(cè)墻加工中應(yīng)用

4.1 對(duì)側(cè)墻直線度變形的測(cè)量計(jì)算

側(cè)墻窗口加工中，受側(cè)墻撓度影響，窗口橫軸線與機(jī)床X軸會(huì)形成一個(gè)夾角θ（見圖9）。根據(jù)窗口橫軸線與窗下滑槽平行的加工要求，需保證窗高定位尺寸h，同時(shí)保證窗口輪廓為正方形，綜上所述考慮通過(guò)偏移坐標(biāo)零點(diǎn)同時(shí)旋轉(zhuǎn)工件坐標(biāo)系Z軸來(lái)補(bǔ)償撓度變量θ。根據(jù)圖中尺寸關(guān)系，H2－H1、L1和EF三者間可構(gòu)建一個(gè)三角函數(shù)模型，利用三者間函數(shù)關(guān)系可進(jìn)行R參數(shù)編程并對(duì)變量θ進(jìn)行三角函數(shù)運(yùn)算[4]。使用RMP60測(cè)頭探點(diǎn)，測(cè)得E點(diǎn)坐標(biāo)MP[E,1]和F點(diǎn)坐標(biāo)MP[F,1]，定義R50=H2－H1=MP[F,1]－MP[E,1]，R51=L1，則tanθ=R50/R51，θ=arctan（R50/R51)。另外，需考慮到坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)對(duì)窗口尺寸加工的影響，需將工件坐標(biāo)Y向零點(diǎn)補(bǔ)償至（MP[F,1]+MP[E,1]）/2位置處，否則會(huì)導(dǎo)致坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)基點(diǎn)偏移，造成加工尺寸錯(cuò)誤。

圖9 夾角θ幾何關(guān)系

4.2 對(duì)側(cè)墻外輪廓傾斜角度變形量的測(cè)量計(jì)算

在側(cè)墻組焊變形影響及定位裝夾誤差的影響下，位于側(cè)墻傾斜面位置的車燈口成形面與水平面存在夾角α，且隨車燈口成形位置不同而不斷變化，因此找出α的計(jì)算邏輯關(guān)系是關(guān)鍵。夾角α幾何關(guān)系如圖10所示，根據(jù)單位長(zhǎng)度方向上窗口成形面高度變化的差值與單位長(zhǎng)度的比值可求得此處截面夾角α的值，圖中單位長(zhǎng)度設(shè)為L(zhǎng)，高度差設(shè)為H，L、H與AB可構(gòu)成三角函數(shù)模型，因此可對(duì)夾角α進(jìn)行三角函數(shù)運(yùn)算。使用RMP60測(cè)頭探點(diǎn)，分別測(cè)得A點(diǎn)坐標(biāo)MP[A,2]和B點(diǎn)坐標(biāo)MP[B,2]，則H=MP[B,2]－MP[A,2]，α=arctan（H/L）=arctan[（MP[B,2]－MP[A,2]）/L]。

圖10 夾角α幾何關(guān)系

4.3 對(duì)側(cè)墻圓弧輪廓變形的測(cè)量計(jì)算

側(cè)墻圓弧輪廓加工軌跡與側(cè)墻實(shí)際輪廓軌跡不符，除了圓弧R值本身大小變化外，圓弧輪廓因焊接變形而在空間位置中上下移動(dòng)也是重要因素之一，且每個(gè)側(cè)墻部件的R變形量及移動(dòng)量均不同，加工時(shí)需獲得圓弧實(shí)時(shí)輪廓大小，使加工軌跡與側(cè)墻輪廓相貼合。綜上，考慮Cip圓弧加工方式[5]，即通過(guò)RMP60測(cè)頭測(cè)量探點(diǎn)獲取圓弧起點(diǎn)、中間點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)這三點(diǎn)坐標(biāo)形成實(shí)時(shí)圓弧加工軌跡，加工軌跡隨測(cè)量坐標(biāo)數(shù)據(jù)變化而變化，實(shí)現(xiàn)適應(yīng)性加工。以Cip圓弧坐標(biāo)探點(diǎn)A、B、C三點(diǎn)坐標(biāo)為例（見圖11），其Cip軌跡程序如下。

圖11 Cip圓弧坐標(biāo)探點(diǎn)

G01G54 X=R30 Y=MP[A,1] Z=MP[A,2] f2500

Cip X=R32 Y=MP[C,1] Z=MP[C,2] i1=R31 j1=MP[B,1]k1=MP[B,2] f1500

5 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械加工中工件變形一直是制約產(chǎn)品加工精度的主要因素之一，動(dòng)車組側(cè)墻作為鋁合金大部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊接變形量大且變形形式多樣。本文針對(duì)動(dòng)車組側(cè)墻直線度、角度、輪廓度變形引起的加工軌跡偏差問(wèn)題，提出將RMP60測(cè)頭測(cè)量功能與函數(shù)運(yùn)算相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)墻變形量的自動(dòng)測(cè)量計(jì)算并自動(dòng)補(bǔ)償加工。