自動檢測技術應用于車輪數(shù)控加工

都江煒，矯尊田，管益輝，劉永杰，邱浩洋

中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東青島 266000

1 序言

車輪數(shù)控加工中的工件裝夾定位精度、尺寸測量精度和切削加工精度是保證產品質量的關鍵，在加工過程中如何保證這些重要精度，檢測技術是關鍵。目前，數(shù)控加工正朝著無人化、自動化方向發(fā)展，這就要求數(shù)控設備具有較高的加工精度。常用的車輪檢測技術是將加工完成的車輪在三坐標測量機上進行檢測，既耗費時間，又增加了生產成本。而采用自動檢測技術，不僅能夠節(jié)約成本，還能有效地提高生產效率。在我國高速動車組和城市軌道交通車輛車輪數(shù)控加工正在向自動化邁進中，自動檢測技術的應用起到了關鍵促進作用。

2 自動檢測系統(tǒng)的構成及工作原理

自動檢測也稱為在線檢測，是在數(shù)控加工過程中實時對工件進行檢測，并依據(jù)檢測結果做出相對應的處理的一種檢測方式[1]。自動檢測是一種基于數(shù)控系統(tǒng)自動控制的檢測技術，其檢測路徑由數(shù)控程序來控制。自動檢測的主要組成部件是工件測頭，當需要檢測時，數(shù)控系統(tǒng)就會從刀庫里調出測頭裝入主軸按測量循環(huán)路徑進行檢測，根據(jù)檢測結果，進一步完成對工件的切削。數(shù)控加工自動檢測在加工具有復雜空間曲面的產品方面有著明顯優(yōu)勢。數(shù)控機床自動檢測技術，實現(xiàn)了自動檢測和加工兩個過程的緊密結合，是最為理想的檢測技術應用之一；同時，該項檢測技術對零部件進行了高精度、高效率的加工。在對更為復雜的零部件的檢測工作中，自動檢測技術同樣有出色表現(xiàn)，其能夠有效減少零部件的裝夾次數(shù)，減少零部件生產工藝強度，縮短制作周期，使零部件生產制造成本大大降低。

數(shù)控加工自動檢測系統(tǒng)一般由數(shù)控機床、PC機和測頭三大部分組成。數(shù)控機床完成加工和檢測的集成，即把測頭和刀具同時安裝在刀庫中，統(tǒng)一編號，通過程序隨時進行自動測量，使數(shù)控機床既是加工設備，又兼?zhèn)錅y量機的某些功能。實現(xiàn)數(shù)控機床的自動檢測時，利用數(shù)控系統(tǒng)標準的測量循環(huán)指令，編輯測量路徑和標準，使測頭按程序規(guī)定路徑運動，當測球接觸工件時發(fā)出觸發(fā)信號，通過測頭與數(shù)控系統(tǒng)的專用接口將觸發(fā)信號傳到轉換器，并將觸發(fā)信號轉換后傳給機床的控制系統(tǒng)，該點的坐標被記錄下來[2]。信號被接收后，機床停止運動，測量點的坐標通過通信接口傳回計算機，然后進行下一個測量動作，進而實現(xiàn)對加工工件的完整測量。

3 車輪加工裝夾定位精度檢測

裝夾定位精度是保證車輪加工質量的前提。在車輪采用自定心卡盤裝夾后，確定其裝夾定位精度是否合格，通常采用的是磁力百分表檢測。這種檢測方式往往會造成加工中斷，制約加工效率的提升，而在采用自動檢測技術后，裝夾精度檢測如圖1所示。檢測時只需使用圓周檢測工件測頭對車輪外圓每120°取一個點，對圓周方向均勻分布的3個點進行測量，同時對測量數(shù)據(jù)進行偏差對比，如超過設定尺寸，測量程序會自動補償偏差到設備工作臺數(shù)據(jù)補償中，對工作臺偏差進行補償，從而實現(xiàn)車輪定位裝夾的自動檢測及補償。同時，車輪高度方向的定位精度可采用高度測頭對其進行檢測，檢測方式和外圓檢測方式一致，只是采用了不同的測量循環(huán)程序。此測量過程還可實現(xiàn)對車輪加工后踏面尺寸的測量，測量結果都會在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)列表中體現(xiàn)。

圖1 裝夾精度檢測

4 刀具尺寸的自動檢測

刀具尺寸的自動檢測其實就是對刀。數(shù)控加工采用的對刀方式一般為3種：試切對刀法、光學檢測對刀儀對刀法和機械檢測對刀儀對刀法。這3種對刀方法的對刀效率相對比較低，都需要人工操作來完成對刀。而自動對刀法則是為車輪加工設備安裝了對刀測頭，編輯對刀程序，對刀前只需一把基準刀來校準對刀測頭，其他刀具觸碰校準好的測頭來完成對刀。自動對刀法的優(yōu)點是準確度高，每把刀的基準相同，誤差低，甚至可以實現(xiàn)零誤差。在車輪加工過程中，如需兩把或兩把以上刀具接刀完成的工序，可有效避免接刀痕的產生。對刀效率高，每把刀具的對刀時間可縮短80%左右，實現(xiàn)了車輪加工整體效率的提升。

5 車輪加工工件坐標系的自動建立

建立工件坐標系的過程其實也是確定工件加工零點的過程，利用自動測量系統(tǒng)也可以建立車輪加工的工件坐標系。在車輪加工中，通常會把車輪的輪輞面確定為工件Z方向的零點，而車輪X方向的零點已經在檢測外圓時確定，即車輪外圓的圓心。在采用自動測量系統(tǒng)之前，需要每把刀具對輪輞進行試切才能確定工件零點，由于車輪加工刀具眾多，使得建立坐標系成了一個漫長的過程。采用自動測量系統(tǒng)很好地解決了這個問題，建立工件坐標系（見圖2），只需用工件測頭測出輪輞高度尺寸，再利用加工程序調用測頭所測得的尺寸賦值的參數(shù)，補償?shù)紾54坐標系中，就可以快速自動建立車輪加工的工件坐標系。

6 車輪加工過程中關鍵尺寸的測量補償

利用自動測量系統(tǒng)還可以實現(xiàn)車輪關鍵尺寸的測量和補償。自動測量循環(huán)自帶編程理論數(shù)值和測頭實測數(shù)值偏差比較及補償功能，如加工輪轂孔時，在采用自動檢測方案之前，通常采用試切法人工測量，最后把測得的偏差人工輸入補償?shù)降堆a中。因內徑千分尺自定心較差以及不能保持恒定的測量力，所以往往會造成測量尺寸與實際尺寸有較大的偏差，而且人工輸入刀補有輸錯的風險，容易出現(xiàn)質量問題。自動測量系統(tǒng)可以很好地解決上述問題。車輪內孔檢測如圖3所示，采用試切法測頭測量，保證測量精度在0.002mm之內，偏差會自動輸入刀補，完全杜絕了人工輸入輸錯數(shù)值的風險；同時，采用自動測量可以有效提高測量效率，進而提高整體加工效率，保證加工過程的連貫性，實現(xiàn)真正意義上的車輪自動化加工。

圖2 建立工件坐標系

圖3 車輪內孔檢測

7 人工難以測量和定位的工序加工

車輪輻板孔、輪轂孔都有反向倒角，其加工位置位于裝夾面和車輪加工面的下方，操作人員正常是看不到的，同時也難以測量。因為每個車輪在加工過程中尺寸都是有差異的，反向倒角加工位置不是一個基準位置，所以加工有難度，即使加工完成也無法觀察到倒角的加工情況，只能在整體加工完成后拆卸觀察。如果倒角加工出現(xiàn)質量問題，需二次加工，二次裝夾很難找正輻板孔的位置，該問題一直是車輪加工的一個難點。如果對每個車輪的反向倒角位置尺寸進行人工測量，加工效率會很低，加工質量也得不到保障。而采用自動檢測技術，車輪底部尺寸檢測如圖4所示，利用十字測頭進入孔內，深入輻板孔或輪轂孔的底部進行自動測量，可以精準地測得反向倒角加工位置起始尺寸，利用加工程序，加工時調用變量賦值的尺寸參數(shù)，即可精確地對反向倒角進行切削。

圖4 車輪底部尺寸檢測

8 二次裝夾輻板孔角度及位置正確定位

車輪在加工完成后可能存在缺陷，這時需要把車輪重新裝夾到機床上進行二次加工。如果車輪輻板孔存在缺陷，需二次加工，進行二次裝夾時，人工操作是無法在機床上找到輻板孔初始加工位置的。因車輪拆卸后，輻板孔在機床上不僅相對位置發(fā)生了變化，而且不在機床的旋轉中心上，無法打表找正，所以無法對輻板孔進行二次加工。針對這一問題，自動檢測技術可提供很好的解決方案。定位銷孔位置找正如圖5所示，將探頭深入輻板孔中心，正方向移動機床C軸，使測頭觸碰到輻板孔壁觸發(fā)信號，然后反方向做同樣的動作，測得兩個角度尺寸，加工程序計算出兩個點的中心，即為此輻板孔的圓心。把該點設為輻板孔加工的起始點，即為C軸加工輻板孔時的零度位置，以此解決了車輪加工時輻板孔二次裝夾定位找正的問題。

圖5 定位銷孔位置找正

9 結束語

自動檢測技術的應用，拓展了車輪加工的工藝范圍，自動檢測技術可以高效地完成人工不能檢測的幾何數(shù)據(jù)的檢測，提高了車輪加工精度、加工的連續(xù)性及精確性。自動檢測技術應用于車輪加工，是車輪加工實現(xiàn)自動化和無人化的重要組成部分，具有很高的可推廣性。現(xiàn)階段，大部分數(shù)控機床沒有開發(fā)出自動檢測的全部功能，只是用于簡單的尺寸檢測。后續(xù)自動檢測技術應廣泛應用于工件的定位裝夾、刀具的自動測量及難以測量和定位工序的加工，朝著提高生產效率和加工質量的方向發(fā)展。