自動找正和在線測量技術在數控加工中的應用

戰祥鑫， 李 涵， 熊良釗， 趙亞萌， 張賀東， 周仕杰

（首都航天機械有限公司， 北京 100076）

0 引言

在我國，先進的數字化制造技術得到各行業的重視，尤其是以機加為主體的航天企業， 航空企業以及汽車制造企業，慢慢開始引進數字化的生產設備和生產線，成為企業改革，提升制造能力的一個方向。先進智能制造生產線圍繞零部件的加工生產活動，將工藝開發設計、生產制造以及產品質量控制緊密結合起來， 來實現實時產品加工信息的傳遞以及共享。 隨著加工中心等大型數控設備的廣泛使用，使得生產的柔性化得到進一步的提高。隨著大型、復雜、高精度的零件加工需要不斷增多，從而對數控加工提出了更大挑戰。

在傳統生產中， 尤其是小批量零件加工方法是加工完一件產品后， 對于下一件零件的加工時就必須通過專用的定位工裝或是重新找正設置新的加工坐標原點，并且零件在車、銑過程中需要不斷得停機，從而工人檢測加工的零件尺寸，和最終要求的尺寸作比較，計算還需要的刀具補償量，不斷得去手動設置補償值，直到產品尺寸滿足設計公差，大大增加了加工時間，同時在加工過程中由于刀具磨損容易造成關鍵尺寸無法保證， 導致生產效率低、質量可控性差、時間浪費尤為顯著，無法滿足數字化生產模式下的加工要求。

考慮上述加工中存在的問題， 本文將數控加工技術與在線測量技術充分的結合起來， 通過自動化的檢測手段，來實現減少人為操作的目的。 本文結合具體零件，根據設備系統特點，對機床操作系統進行功能開發，利用宏程序、測頭來實現工件的自動找正、在線檢測和自動補償加工，該方法能夠很好的解決工件裝夾精度，提高零件裝夾找正速度，減少測量時間，從而大幅度減少操作者的勞動強度，實現小批量、復雜零件快速自動化加工，提高企業的生產效率，降低生產成本，同時保證加工零件具有較高的質量和尺寸精度， 為批次性零件的加工提供了有效的方法和借鑒。

1 工作原理

1.1 自動找正設置坐標系

原有的找正方法是將工件放在機床工作臺上， 用百分表找正工件的一側面，將工件找正放平。然后通過對刀儀進行坐標原點的設置， 該找正方法時間長、 找正誤差大、生產效率低且工人勞動強度大，如圖1 所示。

自動找正的工作原理是將工件與夾具任意放置在機床工作臺上， 數控測頭對夾具與零件上的加工基準面進行自動測量， 通過測頭測量的A、B 兩點， 自動測量系統可自動計算出工件AB 一側與X 軸的夾角，基于測量數據動態重建加工坐標系，從而實現自動調整坐標系達到“擺正”工件的目得。 如圖2 所示是自動找正的示意圖和數控顯示圖。

圖1 原有找正方式Fig.1 Original alignment

圖2 自動找正方式Fig.2 Automatic alignment

工件擺正后通過測頭自動測量A、C、D 點坐標， 得出X、Y、Z 軸的原點位置，該方法消除了基準傳遞引起的加工誤差，從加工基準和自動找正上提高了產品加工的質量。

1.2 自動對坐標系模塊

自動對坐標系模塊：①兩直邊加一個面對坐標系；②兩孔加一個面對坐標系；③一孔加一面對坐標系；④對稱中心加一個面對坐標系。

零件自動找正后，執行加工坐標系設置程序，機床通過測頭進行零件測量，實現加工坐標系G54 的自動設置。

零件自動找正、 原點設置通過測量程序的調用極大的提升了制造流程的自動化程度，降低了生產準備時間，降低了工人勞動強度，避免了操作者每次找正時的誤差，提高了零件加工的一致性和可靠性。

1.3 在線加工自動測量補償

圖3 測量過程交互示意圖Fig.3 Schematic diagram of measurement process interaction

現階段產品精加工常采用抬刀預留加工余量后，人工測量尺寸，人工調整刀具或坐標系，補償加工尺寸。 這不僅打斷了加工流程，影響工序節拍量化，更易引起操作失誤， 造成質量問題。 鑒于此開發在線測量補償加工技術，通過機內測頭實現原點設置、產品測量，同時將測量數據與要求值進行比較， 通過交互技術將數據讀入機床變量， 利用采集的數據驅動數控程序來實現自動補償加工，避免人工干預導致加工錯誤，有效提升機床自適應補償加工能力。

測頭測量零件特征時測量系統會輸出一個實際的測量值，經采集系統判斷后滿足需求，則將該數據存放在一個臨時的數組變量中， 并返回初始狀態準備定時接收下一個測量數據；在采集過程中，如果測量數據不滿足測量范圍，并且用于臨時記錄數據的數組變量中存有數據，機內測頭實現產品測量，并對數據進行采集及運算，利用運算后的數據驅動機床更新刀具數據， 完成刀具的補償如圖4 所示。

圖4 在線測量及反饋原理圖Fig.4 The schematic of online measurement and feedback

在線測量主要分為工件位置測量、 加工過程中零件尺寸控制及加工完成后零件尺寸檢查。

工件位置測量是工件定位夾緊后， 利用測頭測量工件位置，可以補償夾具在工件定位中的誤差，提高批產零件的定位精度。

在數控加工過程中，使用測頭測量監控關鍵尺寸加工是否滿足尺寸公差要求，實時監控產品質量，實現加工過程質量控制，提高產品加工的加工精度。零件加工完成后對加工部位進行尺寸測量，判斷尺寸是否滿足要求，大大提高加工穩定性。

2 快速找正及在線測量技術應用

2.1 典型零件結構分析

底座如圖5 所示，主要由凸臺、下陷、長圓槽、底面孔、側面孔等典型結構組成，該零件結構相對簡單，但是特征復雜，零件壁厚尺寸為3mm，加工時容易變形，且孔的尺寸精度和相對位置要求高， 為保證零件公差要求和有效的控制變形， 加工時需要在一次裝夾下完成零件的整體加工。

圖5 零件三維結構圖Fig.5 The 3D structure drawing of parts

2.2 加工設備選擇

根據零件結構特點及機床性能， 本研究采用數控五軸加工中心DMU，其控制系統是海德漢530（具備在線測量功能），設備主要參數如表1 所示。

表1 數控加工中心主要參數Tab.1 Main parameters of CNC machining center

2.3 自動測量程序的編制與測量程序和加工程序間的反饋宏程序

在線測量零件加工后的尺寸， 通過比對計算及時修改加工參數，提高加工質量的可靠性，工作流程如圖4 所示。 如圖5 所示的零件，中間孔的尺寸為φ40mm 公差為0.05mm，兩孔的相對位置尺寸60mm 公差為±0.1，具體實施方案和原理如下：

（1）將工件上的孔位置尺寸及公差，孔直徑尺寸及公差輸入到機床程序參數中，并設定好與之有關的參數。

（2）確定無干涉后運行銑孔加工程序，程序執行完后系統自動調用測量程序對被測要素進行測量， 在分別測量并得出結果后自動計算誤差， 并將測量結果放到指定文件中，若測量尺寸超差，系統會自動提示報警，根據測量結果及時對參數進行修改，保證產品加工合格。

（3）數控測量反饋程序如下：

3 試驗結果分析

3.1 加工質量分析

通過對典型零件底座的加工驗證， 從表2 所示數據可以看出該方法具有較高的可靠性和穩定性， 通過加工過程的質量控制，時時檢測重點尺寸變化，通過加工參數的調整，確保加工產品質量的一致性，能夠很好的滿足加工質量要求，產品合格率提升到100%。

表2 加工質量統計Tab.2 Processing quality statistics

3.2 加工效率分析

經過試驗對比分析， 快速找正和在線測量技術能夠大大提高生產效率，縮短零件生產準備時間，實現加工過程的在線質量控制，對比結果如表3 所示。

表3 改善前后對比Tab.3 The contrast of before and after improvement

每批次按100 件計算：

加工節省時間為：（6.8-4.2）×100=260 h

從應用結果中可以看到快速找正和在線測量技術在提高產品加工質量的同時，生產效率提高升33%。

4 結論

試驗證明， 快速找正和在線測量技術的應用能夠降低工人勞動強度、提高加工效率和加工質量，保證了產品的一致性的同時，生產效率得到大幅度提高。該方法對于小批量零件尤其結構復雜、 測量困難的零件加工具有重要意義。