數控加工中心附件精度檢測與驗證方法的研究

陳懷山 金亮培 李立華

摘要：數控加工中心附件銑頭用于擴展機床的加工范圍，可實現五面體加工，由機床滑枕自動抓取。在實際生產過程中，機床附件由于長期使用自損或人為操作等因素，導致附件精度與主軸基準產生偏差，常規的附件精度檢測及誤差值修復方法，其效率及精準度受制于人工采點與計算。本文以加工中心附件精度誤差自動檢測與驗證作為研究方向，在實際操作中結合加工中心系統功能與編程的特點，達到提高原有附件誤差補償精度，解決人工采點周期長、計算繁瑣、驗證風險大的問題。

關鍵詞：加工中心附件;精度;誤差;效率

在生產過程中，數控加工中心附件精度存在誤差，直接影響產品加工部位尺寸、形狀精度、位置精度，而定期的附件精度檢測及誤差值測定及修復就顯得尤為重要。制定一套完善的精度誤差檢測和驗證方案，實現操作系統和程序進行自動檢測與驗證，是加工中心維修與維護的必然趨勢。本文以三菱加工中心歷年來的附件精度誤差補償方式為切入點，通過人工操作與自動檢測兩種方法對比，驗證了操作系統和程序自動檢測進行誤差補償的可靠性與準確性，并在實際運用中取得良好的效果。

1、加工中心附件種類

三菱加工中心設備安裝的各種附屬裝置，目前附件種類有5種，其代碼分別為：主軸隔板T1000、加長銑頭T1200、小型直角銑頭T1300、直角銑頭T1100、萬向銑頭T1500。其中除主軸隔板外，其余四種附件角度轉位可實現360度旋轉，并與主軸的X、Y、Z有對應的補償值，以確保加工五面體的各個位置與尺寸的正確性 。

2、加工中心附件精度檢測與驗證方案

在附件精度誤差補償的操作中，以往操作者采用的是利用工裝加工五面采點的方式（圖一a、b），由于附件本身尺寸的原因，受制于工作臺上的工裝。其次人為誤操作導致設備碰撞后，所有附件需重新校正，采用人工打點核算周期長，數據偏差量不可控，校正后數據產品驗證等待時間長，結合此特點，采用千分表（百分表）為主要工具取代工裝五面加工的方式，通過操作方法與程序編制相結合的方式，達到采點靈活性強，測量精準性高，是完成精度自動檢測與驗證的關鍵。

（1）附件精度自動檢測的操作方法

現場實際生產受制于工裝的位置，對于千分表的擺放要求就必須具有靈活性，通常采用兩種擺放方式，本文以常規操作的其中一種進行實際分析舉例，如圖二所示。

量具：千分表或百分表 5個，鋼尺或卷尺 1個

表座擺放要求：以中心為原點，分別等距離擺放，表頭指尖近似水平且垂直。采用鋼尺或卷尺尺寸進行初步尺寸確認。

表座擺放尺寸調整：主軸安裝標準芯棒，打點Z向以及X、Y四個方向實際距離，以壓表零位以及相對坐標測量的設定方式，統一四個方向表最大點的0位數值。并記錄相關數值如圖四。

相關計算：Z向坐標系計算將表壓在零位的機械坐標值進行記錄后計算坐標系，如：-（750.+250.）=-1000.其中750MM為機床機械坐標，250MM為芯棒長度。

（2）附件精度自動檢測的編程方法

結合上述步驟1，總結程序編制前的兩個要素，第一：間距尺寸與壓表0位的實際關系一致性和準確性。第二：四個表座Z向高度誤差距離決定加長頭、直角銑頭、小型窄銑頭、萬能頭的打點過程中最大點的有效范圍。在兩個要素滿足的條件下，程序的編制與自動運行方顯檢測精度的可靠性。以主軸基準與加長頭和直角銑頭檢測為例，進行編程思路的分析如下：

編程方式：主程序與子程序結合。

主程序編制如下：

M95T1000（ 主軸百分表零位確認 ）

M0

（T185 XIN? BANG ）（刀具Φ50的芯棒 刀號185）

M01

N100（T1000? 主軸）

G90G0G56X0Y0

G90G0G56G43Z50. H185

刀具長度補償號

M01

G65? P0001? ? M100? ? ? ?X500.? ?Y500.? ? ? Z0.? ? ? ?D185.? ? ?F30

子程序號 子程序段號? X向間距? Y向間距? Z向基準? 刀具補償號

M01

M0（主軸五塊百分表零位基準確認結束）

*直角銑頭T1100舉例B0角度編程? 其余B90、B180 、 B270程序驗證與補償相同。

M95T1100（更換直角銑頭，其余附件銑頭程序編制相同）

M01

N200（T1100? B0 ）

M55B0（直角銑頭角度0度分度）

M01

G65P9710C56.

G65P9711B0（B90/B180/B270）X0Y0Z0 （直角銑頭附件參數B0/B90/B180/B270位置補償代入）

G90G0G56X0Y0

G90G0G56G43Z50.H185

M01

G65P0002M200X500.Y500.Z0.D185.F300

M01

M98P8100

M0 （直角銑頭B0參數驗證與補償確認結束）

結合上述直角銑頭T1100的程序編制方法，采用宏程序模塊化的編制簡單易懂，利于操作和修改，對于小型窄銑頭、萬能銑頭的在主程序編制中道理相同。

子程序編制如下：

N100（ 主軸各方向校對表零位子程序? ）

IF[#7EQ#0]GOTO9000 （刀補報警設定）

#33=#[13000+#7]+#[12000+#7]（芯棒半徑補償與磨損補償計算）

G90G0G56X10.Y[0+#33-5.]（芯棒中心量偏移利于采點）

G90G0Z20.

G01Z0.F#9（Z向百分表零位確認）

G04X5.（時間暫停5秒確認表針0位）

M0

G90G0Z90.

M01

G90G0X[#24+#33]（X向距離與芯棒半徑補償）

G90G0Z-50.

G01Y10.F#9（芯棒X向最大點的數值采樣變動距離）

G01Y-10.F#9

M0

G90G0Z100.

M0

G90G0X[-#24-#33]（X向距離與芯棒半徑補償）

G90G0Z-50.

G01Y10.F#9（芯棒-X向最大點的數值采樣變動距離）

G01Y-10.F#9

M0

G90G0Z100.

M0

G90G0X0Y[#25+#33]（Y向距離與芯棒半徑補償）

G90G0Z-50.

G01X10.F#9（芯棒Y向最大點的數值采樣變動距離）

G01X-10.F#9

M0

G90G0Z100.

M0

G90G0X0Y[-#25-#33] （Y向距離與芯棒半徑補償）

G90G0Z-50.

G01X10.F#9（芯棒-Y向最大點的數值采樣變動距離）

G01X-10.F#9

M0

G90G0Z100.

M0

N200（T1100 T1300 T1500? X Y Z ）（直角銑頭 、小型直角銑頭、萬能銑頭X Y Z精度檢測子程序，坐標系轉換后編程）

IF[#7EQ#0]GOTO9000

#33=#[13000+#7]+#[12000+#7]

（銑頭高度Z方向精度檢測子程序）

G90G0G56X0

G90G0Z20.

G0Z-150.（芯棒定位在安全位置點）

G01Y[0+#33]F#9（芯棒半徑在高度方向偏移編程）

G04X5.（時間暫停后確認零位基準）

M0

G90G01Y100.F1600 （安全退出距離）

M01

（銑頭長度X方向精度檢測子程序）

G0Z0.（長度方向零位程序確認）

G90G0X[#24-#33+5.]（芯棒端頭有效采點區域）

G90G0Y10.

G01Y0.F#9

G04X5.

M0

G90G01Y100.F1600

（銑頭中心在右側Y方向精度檢測子程序）

G0Z-50.（芯棒外徑有效采點區域任一點）

G90G0X[#24+#33]（芯棒半徑在右側方向編程）

G90G0Y10.

G01Y-10.F#9

M0

G90G01Y100.F1600

M0

（銑頭中心在左側Y方向精度檢測子程序）

G0Z-50.

G90G0X[#24-#33]（芯棒半徑在左側方向編程）

G90G0Y10.

G01Y-10.F#9

M0

G90G01Y100.F1600

M0

G90G0Y100.

M99

在子程序的編制中，綜合考慮機床各個附件對于精度檢測的一致性與特殊性的特點，簡化主程序與子程序的關系，充分考慮子程序在編制過程中利于檢測的操作與調整的要求。

（3）附件精度自動檢測補償與驗證方法

完成上述二個步驟后，對操作方法與程序編制進行實際的補償與驗證，在補償與驗證的過程中，需滿足兩方面：（1）程序自動運行，安全穩定可靠，除自動程序運行外考慮細節處可人工操作，自動與人工操作可互相切換。（2）機床設備各項附件精度驗證的準確性，達到與主軸基準相關尺寸的最小誤差，以獲得加工過程最高精度要求。結合兩方面的要求，驗證方法如下：

1.直角銑頭的檢測，在直角銑頭檢測環節，分為4個位置，每個位置4個檢測點，補償量進行系統修改之后，同時進行驗證，已確保補償的正確性如圖四。其余附件檢測與驗證操作同上。

2.系統附件補償前拍照留存之前參數值，在修改過程中，注意銑頭的三個尺寸與四個方向的數值位置，避免出錯。在數值出現偏差較多時，需要多次驗證。

3.以動力集中轉向架為例，在三菱二號加工中心出現碰撞修復主軸與小型直角銑頭后，各附件進行此檢測程序與操作方法的驗證，構架加工后經3D檢測相關位置度以及各個附件相關的加工尺寸精度滿足工藝要求。由此為依據，避免因補償量的偏差導致的構架加工質量問題，以及過度依賴3D檢測等待周期長等不利因素。

3、附件精度自動檢測與驗證取得效益

多方面綜合對比，附件誤差人工檢測及補償（輔助3D檢測）與程序自動檢測與驗證得出以下結論，見表1：

通過上述數據對比，設備附件誤差的補償采用自動程序編制與驗證的方法，經現場實際運用從各方面取得了可觀的效益，體現了操作方式從人工向自動化運行的趨勢，更為后續設備日常維修與維護的驗證提供了有力保障。

4、附件精度自動檢測與驗證的結論

（1）減少操作者人工操作的勞動強度，體現精益生產理念。

（2）避免人工操作與計算誤差，提升附件補償精度。

（3）縮短整體附件維護與維修精度檢測與驗證時間，提升總體生產效率。

（4）提高設備維護與維修后的首件產品質量。

（5）程序化的自動檢測與驗證有效降低人工誤操作概率。

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[4]朱仕學.數控機床故障診斷與維修[M].北京：清華大學出版社，2007.

作者簡介：陳懷山，男，高級技師，中車南京浦鎮車輛有限公司轉向架車間，從事轉向架程序編制與加工;

李立華，女，高級工程師，中車南京浦鎮車輛有限公司轉向架車間，從事轉向架加工工藝;

金亮培，男，技師，中車南京浦鎮車輛有限公司轉向架車間，從事轉向架程序編制與加工。