固定基準法快速定位技術研究

劉明洋，侯慶功，王鵬瑤

（1.江蘇信息職業技術學院，江蘇 無錫 214153；2.北京精雕集團江蘇大區培訓部，江蘇 蘇州 215153）

0 引 言

隨著中國制造2025戰略的推進，制造業提質增效成為熱點話題。研究電火花加工中的定位問題對于提高工作效率具有重要意義，王懿等研究了保證多個螺紋電極螺線重合的定位問題[1]，李文平等研究了批量定位盤零件在放電加工中的快速定位問題[2]。目前，對于非批量放電加工中的快速定位問題缺少研究。針對精密電加工行業中電極毛坯及電極定位的問題，開發快速定位系統，消除電極毛坯在加工中心上的測量環節，并簡化電極在電火花加工機上的定位流程。

1 快速定位系統介紹

1.1 系統組成

如圖1所示，該系統包含3部分：基準卡盤、測位夾持器和固定基準組件。其中，基準卡盤有2個，分別安裝在加工中心的工件臺上和電火花加工機的主軸上；測位夾持器和固定基準組件可通過標準接口與加工中心或電火花加工機上的基準卡盤精確對接。測位夾持器是一個帶有刻度尺的夾持器，用于安裝電極的毛坯，可以反映毛坯的位置和部分尺寸信息。固定基準組件由基準測球安裝在夾持器上制成，用于在電火花加工機上測量工件。

圖1 快速定位系統組成

1.2 定位系統的工作原理

電極毛坯固定到測位夾持器上即可確定其在加工中心上的位置，只要提前獲取毛坯相對于夾持器的位置和尺寸信息，便可省略毛坯在加工中心上的定位環節。

電極在加工中心上完成加工，也可確定其在定位系統中的位置，因為固定基準組件在定位系統中的位置始終固定，固定基準組件與電極存在固定的位置關系。在電火花加工機上使用電極時，只要用固定基準組件測出加工原點（稱為基準加工原點），便可獲取電極的加工原點，建立放電加工坐標系。

2 工具制備與數字模型建立

以3R-Macro型快換夾具為基礎制備所需的工具，快換夾具的夾持器和卡盤可通過標準接口（卡槽）實現快速精確定位。3R快換夾具具有定位精度高的特點[3]，其性能指標及安裝精度如表1所示，其中卡盤的安裝精度指卡盤的校正基準對于機床導軌的平行度。

表1 3R-Macro快換夾具的性能指標及安裝精度

2.1 固定基準組件的制備與位置檢測

首先將基準測球緊固在夾持器上，得到固定基準組件，如圖2所示。然后將其安裝在加工中心的卡盤上，通過光電測頭（見圖3）檢測基準測球頂點的機械坐標。該頂點將作為后續的測量基準，稱其為“基準點”。為了保證精度，試驗進行多次裝夾、重復測量，取平均值，測量結果如表2所示。試驗所用的加工中心性能指標如表3所示。工作環境溫度為15～22℃，相對濕度為45%～55%。

表2 基準點在加工中心上的機械坐標

表3 試驗設備的性能指標

圖2 固定基準組件實物

圖3 光電測頭

2.2 測位夾持器的制備與位置檢測

將普通夾持器組件安裝在加工中心的卡盤上，用光電測頭檢測其相對于基準點的坐標，結果如表4所示。以卡盤在X方向的中心為基準，在夾持器上刻出中心標記，然后以標記為基準安裝刻度尺（最小刻度為1 mm）制成測位夾持器，如圖4所示。

圖4 測位夾持器

2.3 定位系統數字模型的建立

根據表4中的數據建立固定基準組件與測位夾持器的數字模型，如圖5所示。其中，固定基準組件被簡化為一個直角坐標系的原點，這個原點代表基準測球的頂點，即上述所定義的“基準點”。

表4 夾持器組件相對于基準點的坐標 mm

圖5 定位系統的數字模型

3 工藝驗證

試驗用3個測位夾持器作夾具，選用3個尺寸約15 mm×30 mm的毛坯分別制作截面為7.0 mm×15.0 mm的電極，檢驗毛坯和電極快速定位方案的可行性及定位精度。

3.1 電極組件的建模與制造

將電極的毛坯安裝在夾持器組件上形成毛坯組件，盡量保證3個毛坯位置的一致性。根據刻度讀取毛坯在X方向的位置和尺寸，利用游標卡尺量出毛坯在Y向和Z向的尺寸信息，結果記入表5。為了簡化問題，根據3個毛坯的平均位置和尺寸信息在夾持器的數字模型上建立毛坯和電極。電極模型位于毛坯模型的正中心，頂部比毛坯模型低0.5 mm，完成后的數字模型如圖6所示。最后根據數字模型測出電極相對于基準點的坐標，如表6所示。

表5 電極毛坯在夾持器上的信息 mm

表6 電極相對于基準點的坐標 mm

電極的數控加工編程利用UG的CAM模塊實現。將數字模型的基準點（見圖6）設置為編程原點，將電極和毛坯的數字模型分別指定給編程對話框中的“工件”和“毛坯”，刀具直徑為φ10 mm，進刀距離設置為刀具直徑的70%。

圖6 電極與毛坯的數字模型

3.2 毛坯的快速定位

在加工中心上，將基準點的機械坐標（見表2）設置為加工原點，建立加工坐標系，然后裝上毛坯組件開始加工。根據觀察，加工過程中刀具始終保持安全的進刀距離，未發生撞刀的現象，完成的3個電極組件如圖7所示，將其按順序編號。

圖7 制作完成的電極

表7所示為分別采用固定基準法和在機測量法完成毛坯定位所需要的時間，由表7可知，采用固定基準法免除了毛坯在加工中心上的測量環節，簡化了操作步驟，縮短了操作時間。

表7 2種毛坯定位方法用時比較 s

3.3 電極的快速定位

電極定位在電火花加工機上進行，其性能參數見表3。為了便于檢驗精度，用一個基準測球（φ5 mm）作為工件，如圖8所示。首先將固定基準組件安裝在電火花加工機的卡盤上，通過固定基準對工件進行測量，找到固定基準的加工原點。根據電極與固定基準的相對位置關系（見表6）間接獲取電極的加工原點，將這個原點稱作電極的“間接原點”，記為點P0。

圖8 用固定基準測量工件

表8所示為分別采用固定基準法和基準球測量法完成電極定位所需的時間，由圖8可知，采用固定基準法比普通的基準球測量法[1]少了2個測量步驟，操作時間顯著縮短。

表8 2種電極定位方法用時比較

3.4 定位精度驗證

3.4.1 獲取原點的準確位置

3.4.2 定位偏差計算

偏差的計算結果如表9所示。由于點-P'的位置準確，可以將?Xi、?Yi、?Zi看作點P0的誤差。

表9 電極的間接原點P0的偏差 μm

比較3個電極的位置偏差可以看出，前后制作的3個電極位置具有高度的一致性，前后位置變動不超過1 μm。總體上看，通過固定基準法獲取的電極加工原點P0具有較高的精度。其中，在X方向的精度最高，最大誤差不到1 μm；在Y和Z方向精度略低，最大誤差分別達到5.8 μm和9.1 μm，可能是機床的定位誤差、導軌的直線度誤差、熱漂移等因素干擾的結果[4,5]，具體原因需要進一步試驗研究。

4 結束語

利用固定基準法，在保證定位精度的同時，省略了電極毛坯在加工中心上的測量環節，簡化了電極在電火花加工機上的定位流程。對提高機床的利用率，降低操作人員的勞動強度具有重要意義。但在該試驗中對毛坯尺寸的機外檢測還不夠快捷，需要開發測量效率更高的夾持器。在試驗中還發現利用固定基準法所獲取的電極的加工原點在3個方向上精度并不一致，其干擾因素有待進一步研究。