基于華中數控系統的在機自動測量補償技術

賀瀟強，陳掣，邢鵬

北京星航機電裝備有限公司 北京 100074

1 序言

在航空航天制造業快速發展的今天，復雜異型航空航天大型核心構件呈現出結構特征復雜、異型變截面、難加工、尺寸大、品種多及批量小等特點。針對日益復雜的各種結構件，常用的檢測方法包括離線檢測（手工檢測、三坐標測量和激光掃描等）和在機檢測兩種。目前離線檢測不能及時發現零件的加工問題，易導致后續返工返修。在機檢測以手工檢測為主，需要在加工過程中進行人工停機調整干預，工作量大且重復性高，隨著產品種類和批量的增長，人工干預的出錯率會越來越高，并且會降低設備利用率，因此該方法受限于人為因素的影響，不論從檢測效率、檢測精度，還是從檢測自動化水平方面均不能滿足后續高效智能生產的需求。因此本文研究了一種基于華中數控系統的自動檢測、自動計算和自動補償的方法，該方法檢測結果準確，檢測效率高，避免了人工干預，提升了數控加工過程的自動化程度。

2 背景、目的及意義

2.1 研究背景

隨著科學技術的發展，航空航天、汽車、造船及模具等工業領域的生產模式從大批量和單一品種漸漸演變成中小批量和多品種，零部件形狀愈加復雜，對工藝技術要求越來越高，一旦出現廢品，損失難以估計，因此如何提升加工質量顯得尤為重要[1]。

在機測量（On Machine Measurement，OMM）技術最早應用于大型齒輪的加工誤差補償[2]，隨后國內外學者針對不同的數控系統和加工中心進行了大量技術研究：楊光等[3]以FANUC數控系統為基礎建立了EP6BL測頭用在機測量系統，該系統實現了曲面加工代碼的自動生成，奠定了CAD/CAM的集成基礎；高峰等[4]研究了數控成形砂輪磨齒機的在機測量技術，采用多體系統理論及齊次坐標變換方法，對被測對象的幾何特征及數控機床的運動形式進行數學解析，求解該方程獲得所有可能的測量運動方案；馬艷玲等[5]對比分析了數控在線測量系統和三坐標測量之間的誤差分析。

2.2 研究目的與意義

在航空航天產品的制造過程中，傳統的離線檢測方法雖然可以判定零件的加工結果，但是不能夠及時發現零件尺寸超差等問題，這將直接影響產品制造周期與質量。而在機測量技術的應用能夠在不停機的狀態下實現零件補償，保證加工效率，減少人為干預。針對大尺寸、大質量的零件，在機測量技術可以減少零件的轉運流程，降低零件出現磕碰劃傷的概率，進而提升質量；針對不適合使用常規的卡尺等量具進行檢測的零件，在機測量技術通過測頭接觸和掃描等方式，可以實現難測量尺寸的精確檢測，如今在機測量已經成為智能制造柔性生產線的一個重點發展領域。因此，在機測量技術的研究對保證產品型面、高精度裝配尺寸有效檢測，以及為提高生產效率、提高產品質量具有重要意義。

3 在機測量系統組成及其工作原理

完整的在機測量系統由硬件系統和軟件系統兩部分組成，硬件系統負責數據采集、信號接收，軟件系統負責控制、計算和補償。

3.1 硬件組成

（1）測頭主體 測頭主體是測量過程中的執行元件，主要包括基礎刀柄、感應部分、探針、測量球、電池和LED狀態顯示幾個部分（見圖1）。基礎刀柄根據機床主軸型號來選配，常用型號有BT50、BT40、JT50、JT40、HSK100A及HSK63等；測頭感應部分（見圖2）涵蓋傳感器、信號傳輸等；探針材料一般為陶瓷、碳化鎢和不銹鋼三類，陶瓷探針硬度高，易折斷，碳化鎢探針具有一定彈性，不銹鋼探針強度較高，常用探針長度為50mm、100mm；測量球一般為紅寶石球，常用球徑包括6mm、4mm、2mm（本文以50mm長、球頭6mm球徑的M4陶瓷探針為例）。

圖1 測頭構造示意

圖2 測頭感應部分示意

測頭移動過程中，當測量球碰到被測表面后，探針與主軸呈一定角度，感應片得到信號，反饋到數控系統，數控系統記錄當前數值，測頭向反方向后退，進行下一個動作。

（2）信號接收器 信號接收器是測頭測量信息反饋到數控系統的中間介質，測頭接觸到被測表面時，接收器接收關于測頭的各類信息，將以電信號的方式傳遞到數控系統。接收器安裝于機床內，共有3～8根信號線與機床I/O連接，分別用于接收器供電、觸發信號、開啟信號和電池報警等，可根據需求選裝，但必須涵蓋供電、觸發信號線纜。

3.2 軟件組成

軟件組成包括數控系統軟件、測量程序及計算補償程序。數控系統軟件用作數據運算、處理和判斷。測量程序用于指定測頭各個動作，包括測量位置、測量速度、測量方式等，以及對測量結果進行特定記錄、賦值。計算補償程序用于對測量結果數據進行處理，得出補償程序所需數值，并對加工程序、刀具信息進行修正，而后進行精加工。

其中華中HNC848D型數控系統，除具備一般數控系統功能外，還具備復雜輪廓計算、大型運算處理功能，可對大量數據進行宏運算，具備加減乘除三角函數混合運算邏輯功能，可快速處理各種數據，并實時反饋到執行部件，進行相應動作。

3.3 工作原理

在機測量工作流程如圖3所示。測頭接觸到被測表面后，接收器接收到相關信號，接收器以電信號的方式傳輸到系統I/O，然后通過總線到達數控系統，數控系統執行在機測量程序，通過復雜運算，判斷出機床下一步動作，將信號傳遞到伺服驅動機構，控制機床主軸與工作臺進行相應動作。

圖3 在機測量工作流程

4 在機測量試驗驗證及其應用

4.1 環境及設備

在機測量實施環境的溫度無具體要求，但溫差會影響設備本身精度，而設備本身精度是決定在機測量精度的主要因素之一，因此環境溫差盡可能小一些，一般應控制在15～26℃。環境空氣中的雜質附著在測量球表面會影響測量精度，盡管在機測量系統帶有高壓空氣清潔功能，但測頭長時間不用后，空氣中的雜質會粘附在測量球表面，高壓空氣無法清潔干凈，因此測量環境也應盡量保證干凈。

在機測量系統一般為具有成熟數控系統的機床，設備本身的定位精度、重復定位精度與測量結果密不可分，因此在測量前應校正設備本身誤差。

4.2 在機測量試驗準備

（1）模型創建 為了保證測量結果的準確性，首先在UG中構建RMP60紅寶石測頭模型，如圖4所示，測頭探針選用50mm長、M4陶瓷探針，紅寶石探頭選用6mm球徑。

圖4 模型創建示意

加工特征簡化如圖5所示，該零件臺階孔直徑為2處24mm與4處29mm，孔距500±0.012mm。由于焊接變形，6處臺階孔的位置與理論存在一定偏差，臺階孔深度與直徑大小無法一次加工滿足要求，加工前需對臺階孔位置進行檢測，計算出實際位置與理論位置的差值，提前對臺階孔程序進行補償，一次性加工到位。

圖5 加工特征簡化

（2）在機測量程序編制 在機測量程序編制重要三步，分別是測量、運算、補償程序（見圖6）。測量是得出零件實際情況的主要手段，運算是將測量數據轉化為補償量的重要一步，補償是將補償量自動輸入到加工程序中，使得數控機床按照補償后的狀態進行加工。其中測量程序將深度方向每次的測量結果都自動輸入到#632中，#632可在系統宏變量中的用戶宏列表中看到，每測量一處，通過賦值方式將測量結果賦值于可用戶自定義的變量，此處指#50000～#50100。測量結束后，將每個孔位兩個測量點結果取算術平均值，再減去理論高度，即可得出補償量，操作者可根據運算結果，提前判斷零件變形情況，更好地控制加工程序，避免出現進刀過多等情況。不同數控系統自動補償指令有所區別，華中HNC848D數控系統平移指令為G52 X/Y/Z，X/Y/Z后面的值為對應坐標軸偏移值，此處6處臺階孔偏移值為#1～#6。

圖6 測量程序、運算程序與補償程序

4.3 補償效果

為了保證零件加工質量，測量補償過程按如下順序進行。

（1）測頭精度校準 調取刀庫中的測頭，采用百分表和標準試塊對測頭進行調試，確保測量精度，如圖7所示。

圖7 測頭精度校準過程示意

（2）測量零點數據 選定基準點作為測量標定，記錄基準數值和每個實測點差值，針對一種零件的一類特征，僅需建立一次基準數據。

（3）在機測量并建立補償數據庫 測量不同點位外形的變形程度，與基準數據進行對比，得到在機測量實測數據，并賦值在宏變量中，實現零件在機測量數據的留存。

零件臺階孔實測數據見表1，其中實測誤差值計算方法為|（az0－az0'）－（ax－ax'）|，其中az0表示該組數據零件手動零點測量實測值，az0'表示該組數據零件零點自動測量實測值，ax為不同測量點對應手動測量實測值，ax'為不同測量點對應自動測量實測值。

從表1中可以看出3次測量的最大誤差為2號臺階孔中的點3，誤差值0.170mm，最小誤差為3號臺階孔中第一個點，誤差至0.011mm。75%的測試點誤差＜0.100mm，91.67%的測量點誤差＜0.150mm。根據以上結果對零件進行補償，臺階孔加工一次性滿足深度要求，檢驗指標為沉頭孔安裝螺釘后釘頭低于零件表面0～0.1mm，檢驗結果為產品合格率100%，臺階孔工步效率提升一倍，降低了人為操作風險。

表1 零件臺階孔實測數據 （單位：mm）

5 結束語

通過在國產數控系統環境下在機測量的實施與應用，包括測量程序、運算程序和補償程序，驗證了國產華中HNC848D數控系統的穩定性和在機測量技術在復雜零件加工中的重要作用。此項技術可以解決大型焊接零件變形后加工基準難以選取的問題；在機測量技術能夠大幅提升產品質量和生產效率，有效降低制造成本，實現加工、測量及補償的自動化。

在工業發達的國家，機床測頭基本上和刀具一樣成為數控機床不可缺少的基本備件，在數控加工領域中得到越來越廣泛的應用。在機測量技術成熟度越來越高，普及程度也越來越廣，將成為智能制造中必不可少的一個板塊。

20221110