一種接觸式數控防差錯技術

郭 輝，何多政，沈 勇，許鋒國

(中航飛機起落架有限責任公司，陜西 漢中 723200)

隨著飛機設計理念的轉變提升，飛機起落架零件結構向整體化、復雜化方向發展，給起落架制造關鍵技術之一——數控加工技術提出了新的挑戰：原材料毛坯成本高、工序流程復雜、加工周期長、報廢損失大等，如起落架外筒、支柱毛坯成本100余萬，近年已發生多起報廢事故[1-2]。同時，航空產品的特點決定了公司屬于典型的離散性制造企業，產品呈現種類多、小批量混線加工特點，加工過程隱藏著潛在質量隱患。對各類質量事故原因進行分析和統計可知，“程序調用錯誤”“刀具補償錯誤”和“使用刀具錯誤”等是造成80%零件報廢的主要原因[3]。消除錯誤的最好辦法是采用防差錯手段，從工藝設計階段就考慮到可能出現的操作錯誤，并采用適當的方法進行預防，從源頭防止錯誤和缺陷的發生，符合質量經濟性原則。防錯技術的理想狀態是不制造缺陷，也是最主動、最經濟、可預見并防止錯誤的有效控制措施。在加工前通過檢測裝置，如探頭探測、傳感器感應等消除缺陷的防錯措施，一直是機械加工探究的一項課題。

1 接觸式數控防差錯

接觸式數控防差錯就是在零件加工前，借助防錯裝置，通過NC防錯程序語句中的條件判斷和機床報警，判斷當前輸入值、加工程序、刀具參數、工位狀態等是否正確。其中NC防錯程序語句是在防錯NC程序中加入邏輯運算語句，實現圖號判斷、補償值超差判斷、工位狀態判斷等，并驅動刀具在防錯裝置周邊運行設定的檢測軌跡，依據軌跡中的切削狀況(過切或偏離)和機床報警情況，判斷加工前調用的切削刀具、坐標原點、坐標系的偏移補償值、加工工位等是否正確。

1.1 防錯裝置

防錯裝置根據安裝位置的不同，可分為夾具防錯裝置、工藝夾頭防錯裝置和機床防錯裝置。考慮到刀具運行防錯程序段過程中可能與防錯裝置發生碰撞，特將刀具與防錯裝置接觸部位材質選為尼龍，進一步降低刀具沖擊對機床精度的影響及其他潛在風險。

1.1.1 夾具防錯裝置

夾具防錯裝置設置在夾具底板開闊的位置上，由防錯棒、防錯棒座構成，為避免干涉，防錯棒座一端通過螺紋與底板聯接(見圖1)，另一端用于安裝防錯棒。防錯裝置與夾具采用螺紋聯接方式，保證了各個部件良好的互換性。數控程序運行時，通過設置好的防錯棒對刀具直徑、刀具圓角、刀具Z值、程序原點進行再次效驗。為保證防錯棒座具有足夠的強度，材料選用45鋼，熱處理至35～40 HRC，表面進行發藍防護。

a)夾具防錯棒座

b)防錯裝置圖1 夾具防錯棒座及防錯裝置示意圖

1.1.2 工藝夾頭防錯裝置

當數控加工零件無專用工裝時，可在零件工藝夾頭上設置防錯裝置，聯接方式和夾具防錯棒相同，用螺紋直接與零件工藝夾頭聯接。

1.1.3 機床防錯裝置

零件在加工時既沒有專用工裝又沒有工藝夾頭可用時，可在機床工作臺上設置防錯棒座。通過T型螺母壓緊在機床工作臺上即可，結構如圖2所示，其高度根據需要進行設計制造。機床防錯裝置由尼龍防錯棒和棒座兩部分組成，尼龍防錯棒與棒座通過螺紋聯接(見圖2b)。其中，機床防錯棒座同樣選用45鋼，熱處理至35～40 HRC，表面進行發藍防護。

a)機床防錯棒座

b)機床防錯裝置圖2 機床防錯棒座

在機床工作臺上聯接的防錯裝置與前2種不同，前2種防錯裝置的位置是固定的，防錯棒位置相對于零件原點是固定的。由于安裝在機床上的防錯裝置每次加工零件的安裝位置不固定，造成該類防錯棒相對于零件原點位置不固定，因此在程序的編制上需引入變量，將防錯棒位置坐標參數化，通過宏運算實現防錯功能。3種防錯裝置均采用同一種尼龍防錯棒(見圖3)。

圖3 尼龍防錯棒

1.2 防錯裝置實現防差錯的機理

在零件加工前，預先運行一段防錯檢測程序，主要是對當前刀具Z值、刀具直徑、刀尖R是否正確進行檢測。圖4所示為產品加工前，加工刀具在防錯裝置上的檢測過程及軌跡，檢測運動對應的效果見表1。數控防錯程序一般由標準程序頭、主程序、防錯子程序組成(標準化后的防錯程序以子程序的形式存入機床用戶程序文件中，等待宏指令調用)。

圖4 防錯檢測程序檢測軌跡

表1 檢測運動對應的效果

2 程序防差錯

防錯程序模塊語句一般放在主程序中第一次Z軸定位(如：G90 G0 G54 Z300.)程序段之后，平移、旋轉、鏡像、比列、極坐標和快速定位X、Y軸之前，配合防錯裝置防差錯可進一步避免人為因素造成的質量隱患。程序防差錯可實現對稱件的程序防錯、多工位的程序防錯、公用坐標值輸入的程序防錯、宏程序報警防錯等。

數控防錯應注意如下兩點。

1)加工前確定正確的零件圖號和加工工位，安裝防錯裝置。

2)找正零件和防錯棒中心的機械坐標值并將其輸入坐標系中。其中防錯棒Z軸坐標值為防錯棒頂面相對于工件原點Z向的高差值(相對值)。當防錯棒的頂面高于工件原點時，則Z值輸入正值，反之為負。零件的程序原點輸入到當前零件加工坐標系中，防錯棒中心原點機械坐標值輸入到G59坐標系中。

3 接觸式數控防差錯的應用案例

根據產品加工的需要，以及數控系統輸入輸出接口特點，在數控加工程序中不能直接體現的包括刀具和檢測棒的參數、檢測棒的位置信息、數控程序的工位特征信息。刀具參數(直徑和刀尖)、檢測棒參數和工位信息應由外部輸入，并通過完善后置處理文件實現。

刀具參數包括刃口最大直徑和刀尖參數。鑒于鉆頭、鉸刀和鏜刀的對刀方式，鉆頭刀尖參數按120°，鉸刀和鏜刀按90°賦值；檢測棒的位置信息(X和Y原點)可選擇某一固定坐標系去設定；程序組合按工位管理。同工位的程序指定相同的數值代碼，并按增量從1、2、3…組合排列，對于使用夾具加工的，按加工順序歸類到工位。圖5所示為某一工位狀態下的刀軌仿真和真實加工情景。

a)帶防錯裝置的刀軌仿真

b)采用機床防錯裝置的真實加工圖5 防錯刀軌

3.1 防錯裝置基于固定位置的防錯程序

主要防錯程序段：

S1500 M03

G00 Z998.

G01 X260. F1500

Y-172.

Z90. //刀具Z值檢測

X220.

G03 X220. Y-172. I0. J-28. //X、Y軸檢測

G01 X180.

Z150.

G00 X80. Y44.075

當數控程序運行完防錯程序段時，若防錯裝置無過切、碰撞等現象(見圖5b)，可說明加工前程序原點、刀具直徑、根部R、Z值輸入信息的正確性。

3.2 防錯裝置基于任意位置的防錯程序

由于沒有專用夾具，零件在機床上安裝的位置狀態可能每次不同，防錯裝置相對于零件加工坐標原點的數據也略有差異，導致防錯數控程序不能統一，為此可對程序進行如下設置。

1)在程序中合理設定局部變量或公共變量以及系統變量，通過賦值、算數或邏輯運算與條件語句來判斷當前調用的程序、原點坐標值等是否正確。

2)通過使用宏程序中子程序調用功能，根據不同條件做出相應判斷。當G65被指定時，地址P所指定的用戶宏(P指定的程序名)被調用，數據(自變量)能傳遞到用戶宏程序中。定義子程序為O7999，通過子程序來完成刀具Z向、X、Y向以及刀具圓角R檢測。案例程序如下[4-6]。

主程序段：

%

(X00027A.TXT D:12,R:6)

N1G40 G69 G80

N3G00 G91 G28 Z0.

N5G90 G54

G65 P7999 D12 R6 Q50 N7G00 G90 X188.484Y-41.519

Z200.0

S600M03

N9G00G40X188.484Y-41.519

Z100.0

G01Z0.0F300

N11X190.817Y-37.097

...

N29M05

N31G00 G91 G28 Z0.

N33G90

N35M02

%

.

.

.

G00Z200.

G52 X0. Y0. Z0.

G91G00G28Z0.

G90

M99

%

注：加工前需在G54中輸入加工零件的機床原點值X、Y、Z，并在G59里輸入防錯裝置的機床原點值X、Y，Z值為防錯裝置相對于零件原點的差值。

4 結語

本文提出了一種用于數控加工前，通過檢測運動實現差錯準確判定的方法，可識別程序原點，刀具直徑、根部R、Z值輸入等信息的正確性。介紹了接觸式防錯的3種防錯裝置，防錯裝置實現防差錯的機理[7-10]。并對基于固定位置(零件夾頭、工裝)、基于任意位置的防錯程序進行了案例講解。該項技術可消除數控加工前人為、管理失誤，能顯著降低中小機加企業數控加工過程中的質量隱患，達到降本增效的目的。