固定基準(zhǔn)法快速定位技術(shù)研究

劉明洋，侯慶功，王鵬瑤

（1.江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214153；2.北京精雕集團(tuán)江蘇大區(qū)培訓(xùn)部，江蘇 蘇州 215153）

0 引 言

隨著中國制造2025戰(zhàn)略的推進(jìn)，制造業(yè)提質(zhì)增效成為熱點(diǎn)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(gè)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(yè)中電極毛坯及電極定位的問題，開發(fā)快速定位系統(tǒng)，消除電極毛坯在加工中心上的測量環(huán)節(jié)，并簡化電極在電火花加工機(jī)上的定位流程。

1 快速定位系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，該系統(tǒng)包含3部分：基準(zhǔn)卡盤、測位夾持器和固定基準(zhǔn)組件。其中，基準(zhǔn)卡盤有2個(gè)，分別安裝在加工中心的工件臺(tái)上和電火花加工機(jī)的主軸上；測位夾持器和固定基準(zhǔn)組件可通過標(biāo)準(zhǔn)接口與加工中心或電火花加工機(jī)上的基準(zhǔn)卡盤精確對接。測位夾持器是一個(gè)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(zhǔn)組件由基準(zhǔn)測球安裝在夾持器上制成，用于在電火花加工機(jī)上測量工件。

圖1 快速定位系統(tǒng)組成

1.2 定位系統(tǒng)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(huán)節(jié)。

電極在加工中心上完成加工，也可確定其在定位系統(tǒng)中的位置，因?yàn)楣潭ɑ鶞?zhǔn)組件在定位系統(tǒng)中的位置始終固定，固定基準(zhǔn)組件與電極存在固定的位置關(guān)系。在電火花加工機(jī)上使用電極時(shí)，只要用固定基準(zhǔn)組件測出加工原點(diǎn)（稱為基準(zhǔn)加工原點(diǎn)），便可獲取電極的加工原點(diǎn)，建立放電加工坐標(biāo)系。

2 工具制備與數(shù)字模型建立

以3R-Macro型快換夾具為基礎(chǔ)制備所需的工具，快換夾具的夾持器和卡盤可通過標(biāo)準(zhǔn)接口（卡槽）實(shí)現(xiàn)快速精確定位。3R快換夾具具有定位精度高的特點(diǎn)[3]，其性能指標(biāo)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(zhǔn)對于機(jī)床導(dǎo)軌的平行度。

表1 3R-Macro快換夾具的性能指標(biāo)及安裝精度

2.1 固定基準(zhǔn)組件的制備與位置檢測

首先將基準(zhǔn)測球緊固在夾持器上，得到固定基準(zhǔn)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(zhǔn)測球頂點(diǎn)的機(jī)械坐標(biāo)。該頂點(diǎn)將作為后續(xù)的測量基準(zhǔn)，稱其為“基準(zhǔn)點(diǎn)”。為了保證精度，試驗(yàn)進(jìn)行多次裝夾、重復(fù)測量，取平均值，測量結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)所用的加工中心性能指標(biāo)如表3所示。工作環(huán)境溫度為15～22℃，相對濕度為45%～55%。

表2 基準(zhǔn)點(diǎn)在加工中心上的機(jī)械坐標(biāo)

表3 試驗(yàn)設(shè)備的性能指標(biāo)

圖2 固定基準(zhǔn)組件實(shí)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(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)，結(jié)果如表4所示。以卡盤在X方向的中心為基準(zhǔn)，在夾持器上刻出中心標(biāo)記，然后以標(biāo)記為基準(zhǔn)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(tǒng)數(shù)字模型的建立

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)建立固定基準(zhǔn)組件與測位夾持器的數(shù)字模型，如圖5所示。其中，固定基準(zhǔn)組件被簡化為一個(gè)直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)，這個(gè)原點(diǎn)代表基準(zhǔn)測球的頂點(diǎn)，即上述所定義的“基準(zhǔn)點(diǎn)”。

表4 夾持器組件相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo) mm

圖5 定位系統(tǒng)的數(shù)字模型

3 工藝驗(yàn)證

試驗(yàn)用3個(gè)測位夾持器作夾具，選用3個(gè)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(yàn)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(gè)毛坯位置的一致性。根據(jù)刻度讀取毛坯在X方向的位置和尺寸，利用游標(biāo)卡尺量出毛坯在Y向和Z向的尺寸信息，結(jié)果記入表5。為了簡化問題，根據(jù)3個(gè)毛坯的平均位置和尺寸信息在夾持器的數(shù)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(shù)字模型如圖6所示。最后根據(jù)數(shù)字模型測出電極相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)，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(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo) mm

電極的數(shù)控加工編程利用UG的CAM模塊實(shí)現(xiàn)。將數(shù)字模型的基準(zhǔn)點(diǎn)（見圖6）設(shè)置為編程原點(diǎn)，將電極和毛坯的數(shù)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(jìn)刀距離設(shè)置為刀具直徑的70%。

圖6 電極與毛坯的數(shù)字模型

3.2 毛坯的快速定位

在加工中心上，將基準(zhǔn)點(diǎn)的機(jī)械坐標(biāo)（見表2）設(shè)置為加工原點(diǎn)，建立加工坐標(biāo)系，然后裝上毛坯組件開始加工。根據(jù)觀察，加工過程中刀具始終保持安全的進(jìn)刀距離，未發(fā)生撞刀的現(xiàn)象，完成的3個(gè)電極組件如圖7所示，將其按順序編號(hào)。

圖7 制作完成的電極

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

表7 2種毛坯定位方法用時(shí)比較 s

3.3 電極的快速定位

電極定位在電火花加工機(jī)上進(jìn)行，其性能參數(shù)見表3。為了便于檢驗(yàn)精度，用一個(gè)基準(zhǔn)測球（φ5 mm）作為工件，如圖8所示。首先將固定基準(zhǔn)組件安裝在電火花加工機(jī)的卡盤上，通過固定基準(zhǔn)對工件進(jìn)行測量，找到固定基準(zhǔn)的加工原點(diǎn)。根據(jù)電極與固定基準(zhǔn)的相對位置關(guān)系（見表6）間接獲取電極的加工原點(diǎn)，將這個(gè)原點(diǎn)稱作電極的“間接原點(diǎn)”，記為點(diǎn)P0。

圖8 用固定基準(zhǔn)測量工件

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

表8 2種電極定位方法用時(shí)比較

3.4 定位精度驗(yàn)證

3.4.1 獲取原點(diǎn)的準(zhǔn)確位置

3.4.2 定位偏差計(jì)算

偏差的計(jì)算結(jié)果如表9所示。由于點(diǎn)-P'的位置準(zhǔn)確，可以將?Xi、?Yi、?Zi看作點(diǎn)P0的誤差。

表9 電極的間接原點(diǎn)P0的偏差 μm

比較3個(gè)電極的位置偏差可以看出，前后制作的3個(gè)電極位置具有高度的一致性，前后位置變動(dòng)不超過1 μm。總體上看，通過固定基準(zhǔn)法獲取的電極加工原點(diǎn)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(dá)到5.8 μm和9.1 μm，可能是機(jī)床的定位誤差、導(dǎo)軌的直線度誤差、熱漂移等因素干擾的結(jié)果[4,5]，具體原因需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

4 結(jié)束語

利用固定基準(zhǔn)法，在保證定位精度的同時(shí)，省略了電極毛坯在加工中心上的測量環(huán)節(jié)，簡化了電極在電火花加工機(jī)上的定位流程。對提高機(jī)床的利用率，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義。但在該試驗(yàn)中對毛坯尺寸的機(jī)外檢測還不夠快捷，需要開發(fā)測量效率更高的夾持器。在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)利用固定基準(zhǔn)法所獲取的電極的加工原點(diǎn)在3個(gè)方向上精度并不一致，其干擾因素有待進(jìn)一步研究。