基于在線檢測(cè)技術(shù)的批量裝夾加工精度控制*

顏 建 童 洲 梁秋華 張建強(qiáng)

(華南理工大學(xué)廣州學(xué)院工程訓(xùn)練中心，廣東 廣州 510800)

隨著現(xiàn)代制造企業(yè)日益嚴(yán)格的質(zhì)量需求和精益生產(chǎn)發(fā)展，許多企業(yè)為了追求更高的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行多個(gè)相同零件的批量零件組合裝夾加工。如圖1所示，本文研究的加工零件為一油泵零件軸承套，該零件需具備耐磨和耐腐蝕性能，其材料為3CR13，并經(jīng)過(guò)熱處理達(dá)到了50～52 HRC的較高硬度，因此加工刀具采用CBN 立方氮化硼硬質(zhì)合金刀具。零件的重要裝配配合面為φ33 mm軸承安裝孔位，該配合面需進(jìn)行精加工以滿足配合公差精度尺寸要求，可采用批量零件組合夾具加工方式，減少換刀次數(shù),減少空行程時(shí)間。

該油泵軸承套零件加工可利用數(shù)控機(jī)床G54～G59多個(gè)工件坐標(biāo)系設(shè)定功能，在數(shù)控機(jī)床的組合夾具上，同時(shí)裝夾6個(gè)相同零件進(jìn)行批量加工。如圖2所示，在組合裝夾加工常利用數(shù)控機(jī)床G54～G59多個(gè)工件坐標(biāo)系設(shè)定功能，一次性在機(jī)床上裝夾6個(gè)工件，運(yùn)用同樣的加工工藝、程序和刀具進(jìn)行加工，這樣的優(yōu)點(diǎn)是減少后續(xù)拆下批量零件后需要先分別標(biāo)注工位號(hào)，再裝上三維掃描儀等設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)的繁復(fù)過(guò)程及時(shí)間，降低以上重復(fù)裝夾產(chǎn)生的定位誤差等，從而提高批量數(shù)控加工制造的精度和生產(chǎn)效率[1]。但同時(shí)，由于同一刀具需要運(yùn)行6次同樣的程序，加工6個(gè)工件，容易造成刀具磨損，從而影響后置零件的加工精度。而使用在線檢測(cè)方法則能快速?gòu)臋z測(cè)零件的結(jié)果反向推算出刀具磨損的具體變化值，然后根據(jù)刀具磨損值直接在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中修改刀具半徑補(bǔ)償值，進(jìn)行補(bǔ)正加工，修正誤差[2]。本文主要針對(duì)圖1油泵零件上部分軸承套φ33 mm裝配孔配合特征，以在線檢測(cè)為嘗試，運(yùn)用在線檢測(cè)宏程序，進(jìn)行了如下實(shí)踐探索和研究。

1 批量零件加工在線檢測(cè)工作流程

傳統(tǒng)的批量加工制造過(guò)程中檢測(cè)一般與加工過(guò)程分工進(jìn)行，零件加工精度檢測(cè)都是在零件從機(jī)床上完成加工后，再將模具搬運(yùn)裝夾到專(zhuān)業(yè)檢測(cè)設(shè)備如三維掃描儀上進(jìn)行檢測(cè)[3]。但隨著市場(chǎng)快速變化，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)的制造能力和公差精度水平的要求日益遞增,現(xiàn)行的制造-搬運(yùn)-檢測(cè)流程由于在檢測(cè)過(guò)程中需要進(jìn)行二次裝夾，裝夾過(guò)程中的重復(fù)定位精度對(duì)公差檢測(cè)精度及生產(chǎn)響應(yīng)速度會(huì)產(chǎn)生一定的影響，無(wú)法滿足市場(chǎng)需求。而數(shù)控加工在線檢測(cè)則可以在零件完成加工程序還沒(méi)有拆下機(jī)床時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)尺寸測(cè)量與驗(yàn)證，隨時(shí)生成檢測(cè)程序，然后傳輸?shù)綌?shù)控系統(tǒng)中。具體的工作流程如圖3所示[4]。

在線檢測(cè)方式可避免在分工檢測(cè)方式中由于搬運(yùn)、多次裝夾和重復(fù)檢測(cè)等因素造成的檢測(cè)誤差問(wèn)題，為加工精度參數(shù)設(shè)置、刀具運(yùn)用和機(jī)床精度水平提供實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)，為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控編程人員提供加工工藝參數(shù)調(diào)整依據(jù)，減少零件拆下機(jī)床后才發(fā)現(xiàn)是廢品的情況，提高產(chǎn)品合格率。

2 在線檢測(cè)宏程序運(yùn)用及刀具磨損情況分析

2.1 測(cè)頭的選擇及應(yīng)用

如圖4所示，接觸觸發(fā)式測(cè)頭移動(dòng)至需要測(cè)量的目標(biāo)零件指定特征處，油泵軸承套零件主要測(cè)量特征為配合孔特征，測(cè)頭定位至相應(yīng)工件坐標(biāo)系(G54～G59)，執(zhí)行測(cè)頭內(nèi)嵌P9814指令段，對(duì)圓孔內(nèi)部的4個(gè)弧邊點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)操作，當(dāng)測(cè)頭與圓孔內(nèi)部弧邊點(diǎn)接觸，測(cè)頭程序存儲(chǔ)當(dāng)前測(cè)頭所在的位置坐標(biāo)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)反饋給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)計(jì)算，最終測(cè)得圓孔直徑，產(chǎn)生該點(diǎn)的加工誤差值數(shù)據(jù)[5]。

如圖5所示，使用測(cè)頭前必須先對(duì)測(cè)頭的偏移值和安全高度進(jìn)行校正，在機(jī)床上精確找到環(huán)規(guī)的圓心位置，在UG軟件CMM模塊中對(duì)測(cè)頭測(cè)針的偏移量和測(cè)球進(jìn)行標(biāo)定,對(duì)測(cè)針長(zhǎng)度進(jìn)行標(biāo)定，將偏移值存儲(chǔ)數(shù)控系統(tǒng)中，然后根據(jù)檢測(cè)模具零件形狀設(shè)定垂直抬刀至安全位置的Z軸準(zhǔn)備高度數(shù)值[6]。

根據(jù)在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中數(shù)控加工使用的球形銑刀與測(cè)頭的相似性,將測(cè)頭作為球形銑刀的其中一把刀具進(jìn)行設(shè)置，測(cè)頭作為數(shù)控加工中心的其中刀具之一在編程時(shí)進(jìn)行調(diào)換，需對(duì)應(yīng)設(shè)定好刀具號(hào)如2號(hào)刀，同樣使用2號(hào)刀具的長(zhǎng)度補(bǔ)償指令進(jìn)行測(cè)頭探針長(zhǎng)度補(bǔ)償值設(shè)定[7]。

2.2 批量加工在線檢測(cè)的宏程序編制

針對(duì)組合零件加工過(guò)程中精度要求較高的加工部位和幾何特征，通過(guò)UG軟件編制測(cè)頭的檢測(cè)宏程序，生成測(cè)頭動(dòng)作指令，使測(cè)頭僅通過(guò)對(duì)6個(gè)零件特定的一個(gè)幾何特征進(jìn)行檢測(cè)，再經(jīng)過(guò)6個(gè)零件的檢測(cè)誤差比較，即可快速測(cè)算出刀具半徑的磨損情況。如圖6所示，零件頂部為裝配精度較高的φ33 mm軸承套配合孔特征，通過(guò)UG軟件編制在線檢測(cè)宏程序，對(duì)φ33 mm配合孔特征進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)測(cè)頭專(zhuān)用數(shù)據(jù)傳輸接口將觸發(fā)的檢測(cè)信號(hào)傳輸至測(cè)頭內(nèi)部轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器內(nèi)，對(duì)該觸發(fā)點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行存儲(chǔ)，并與標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)值比對(duì)生成6個(gè)零件圓孔的加工誤差值。

針對(duì)不同的測(cè)量對(duì)象如直角坐標(biāo)、角度和圓孔直徑等，UG軟件的測(cè)量宏程序包開(kāi)發(fā)了不同的宏程序，其中P9810和P9811則用于工件的三維坐標(biāo)值測(cè)量。應(yīng)用不同的數(shù)控機(jī)床以及相應(yīng)的數(shù)控系統(tǒng)，需調(diào)用對(duì)應(yīng)的宏程序包及后處理文件，生成相應(yīng)格式的程序[8]。實(shí)踐中在FANUC數(shù)控機(jī)床上，將測(cè)頭裝夾在刀庫(kù)中的2號(hào)刀座中，針對(duì)圖5中6個(gè)零件的圓柱孔幾何特征進(jìn)行在線檢測(cè)，其主要程序及宏程序調(diào)用如下：

O222；

G91G28Z0；

G90G0G17G40G49G69G80//以上為FANUC機(jī)床的通用開(kāi)頭程序；

MO6T2//測(cè)頭裝在T2刀座，檢測(cè)時(shí)換T2號(hào)測(cè)頭到主軸；

G90G00G54X0.Y0.Z50.//快速定位組合裝夾零件上方；

M19 //主軸定位；

M05 //限定主軸不得轉(zhuǎn)動(dòng)；

M17 //打開(kāi)測(cè)頭連線，準(zhǔn)備進(jìn)行測(cè)量通信；

G43H2Z50 //建立測(cè)頭探針(刀具)長(zhǎng)度補(bǔ)償；

G65P9810X0.Y0.Z30.F200.//安全運(yùn)動(dòng)到零件圓柱孔中心上方；

G65P9814D33.Z-5.0F100.//對(duì)第一個(gè)零件圓柱孔進(jìn)行檢測(cè)(一個(gè)指令中包括了4個(gè)檢測(cè)動(dòng)作)；

#601=#142//標(biāo)定當(dāng)前X、Y坐標(biāo)值，記錄為第一弧邊點(diǎn)的測(cè)量值；

#602=#142//標(biāo)定當(dāng)前X、Y坐標(biāo)值，記錄第二弧邊點(diǎn)的測(cè)量值；

#603=#143//標(biāo)定當(dāng)前X、Y坐標(biāo)值，記錄第三弧邊點(diǎn)的測(cè)量值；

#604=#144//標(biāo)定當(dāng)前X、Y坐標(biāo)值，記錄第四弧邊點(diǎn)的測(cè)量值；

#138=D33//賦值給#138，標(biāo)準(zhǔn)為φ33，反饋顯示當(dāng)前測(cè)算結(jié)果與φ33的差異值；

G65P9811Z30.F3000.//結(jié)束檢測(cè)快速回到準(zhǔn)備高度；

M99//結(jié)束G65檢測(cè)宏程序調(diào)用；

M18G40//取消主軸定位，取消測(cè)頭長(zhǎng)度補(bǔ)償；

G91G28ZO//；

M30//程序結(jié)束；

程序運(yùn)行時(shí)，Z30為測(cè)量準(zhǔn)備高度，Z-5.0則為測(cè)量時(shí)的工作高度。通過(guò)依次將程序中的坐標(biāo)系定位指令G54改為G55、G56、G57、G58和G59。并將程序運(yùn)行6次，即可完成對(duì)6個(gè)裝夾零件的圓柱孔檢測(cè)。

3 組合裝夾零件精度的調(diào)整及控制

3.1 在線檢測(cè)誤差數(shù)據(jù)分析運(yùn)用

尺寸偏差超出公差范圍的，在宏程序中通過(guò)條件轉(zhuǎn)移指令進(jìn)行報(bào)警。如圖7所示，綠色檢測(cè)結(jié)果為公差范圍內(nèi)，紅色檢測(cè)結(jié)果為超出公差范圍，對(duì)超出公差范圍的尺寸偏差將進(jìn)行報(bào)警提示[9]。

表1 坐標(biāo)變量數(shù)據(jù)

3.2 刀具半徑磨損值調(diào)整

組合裝夾零件多個(gè)零件重復(fù)切削，使得刀具磨損的幾率增加，通過(guò)同一幾何特征的在線檢測(cè)，比較每個(gè)零件中相同部位的同一幾何尺寸，可以快速偵測(cè)判斷到刀具的磨損量，并運(yùn)用刀具補(bǔ)償宏指令迅速予以修正加工。如圖8所示，在油泵批量零件加工結(jié)束后，通過(guò)在線檢測(cè)系統(tǒng)得到的表1尺寸偏差數(shù)據(jù)，分析得到刀具半徑磨損情況，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的刀具磨損補(bǔ)償值，然后將補(bǔ)償值輸入至FANUC系統(tǒng)“刀偏”頁(yè)面的“磨損(D)”項(xiàng)中[10]。

如圖9所示，在二次加工G57工位零件時(shí)，刀庫(kù)1號(hào)刀，取補(bǔ)償值0.01的刀具磨損(D)重新執(zhí)行G57工位零件加工程序，二次加工G58～G59工位零件時(shí)，刀庫(kù)1號(hào)刀，取補(bǔ)償值0.015的刀具磨損(D)重新執(zhí)行G58～G59工位零件加工程序，即可達(dá)到批量零件所需加工尺寸精度誤差要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在線檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于批量零件組合裝夾加工，可實(shí)現(xiàn)加工與檢測(cè)工序的快速最佳擬合。針對(duì)零件尺寸精度要求較高的特征進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控特征尺寸質(zhì)量和刀具磨損情況，及時(shí)調(diào)整刀具半徑補(bǔ)償值，提高制造過(guò)程質(zhì)量控制能力。但其檢測(cè)精度受限于數(shù)控機(jī)床的精度，實(shí)際使用時(shí)需經(jīng)常性檢驗(yàn)機(jī)床導(dǎo)軌等部件的精度，減少檢測(cè)誤差。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及加工效率的要求也愈來(lái)愈高，在批量零件加工中應(yīng)用在線檢測(cè)技術(shù)將產(chǎn)生更廣闊的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。