數控加工中自動找正和在線測量技術的應用

襲 迪

（衢州第二中等專業學校，浙江 衢州 324100）

近年來，現代化的數字智能生產技術在各個行業當中得到了較為廣泛的應用，特別是在航天航空企業、汽車制造企業等以機械加工為主的領域中，智能化的生產設備逐漸走進大眾視野，不斷推動著企業改革以及生產水平的提升。現代化的生產技術以零件加工為根本，將工藝設計、生產制造和產品質量的提升進行結合，從而完成產品加工信息的傳遞和共享。大型數控機械設備的廣泛使用，使得加工生產過程更加柔性化，零件加工復雜度和精度的提升也對數控加工技術提出了更多的要求。實踐證明，將數控加工技術與自動找正和在線測量技術相結合，可以有效減少人為操作產生的誤差，提高加工質量[1-2]。

1 制造零件

在傳統的零件生產過程中，尤其是小批量生產的工件，主要是在完成一件零件生產加工后，通過專業的定位工裝及重新找正定位等方式再進行下一個零件的生產。因此，對于加工坐標的起點而言，需要不斷地進行調整，工作人員對加工工件的尺寸規格等進行檢查和最后的規格對比，通過計算得出數控刀片的補償量，然后人為設置補償值，最終使得工件規格滿足設計方案的實際要求，從而延長了加工的時間。此外，在加工過程中，數控刀具容易發生損壞，使得其規格不能滿足正常使用，影響到了生產加工的正常進行，且質量的預測性較差。因此，針對這一現狀問題，可以把數控加工技術與自動找正和在線測量技術相結合，通過自動化生產技術，減少人為操作的誤差。

另外，根據加工工件的特點以及機床設備和系統軟件的特點，設計數控機床計算機操作系統，通過測頭和宏程序實現工件的自動測量、在線監測以及自動補償等生產操作，可以較好地完成加工工件裝夾精度的處理，加快裝夾對準的速度，縮短在線測量的時間，不僅降低了工作人員的勞動強度，實現了零件的批量生產，而且極大地提升了生產工件的質量以及規格精度，為零件的批量生產提供了有效的依據[3]。

2 工作原理

2.1 自動找正中坐標系的設置

在傳統的找正工序中，一般是把工件放在機床工作臺上面，通過百分表確定零件的一側，然后把工件放平，利用測刀儀完成坐標原點的設置，該方法如圖1 所示。此方法不僅耗費時間，且誤差大，極大地增大了工作人員的勞動強度，不利于生產效率的提升。

圖1 傳統的找正方法示意圖

自動找正方法是把工件和夾具放在機床工作臺的任意位置，利用數控測頭完成夾具和工件加工基準面的自動測量工作，通過測頭確定出A和B兩點，自動找正方法如圖2 所示。此外，通過自動測量系統能夠自動測出工件的兩面和X軸之間的夾角，然后根據動態信息數據建立新的加工坐標，自動調整平面坐標以實現擺正工件的目的。當工件擺正之后，利用測頭測量A、C、D的坐標，得到X、Y、Z軸的原點坐標，從而減小加工誤差，極大地提升工件加工質量[4]。

圖2 自動找正方法示意圖

2.2 自動坐標系控制模塊

自動坐標系控制模塊的原理如下：首先，兩條直邊加一條邊構成平面坐標；其次，平面坐標系加兩個孔；再次，平面坐標一邊加一個孔；最后，對稱中心加坐標軸是平面坐標系。

當工件自動找正之后，開始運行加工平面坐標系程序，機床設備利用測頭完成工件的測量，實現平面坐標系G54 的自動設置。通過調用測量程序，實現零件的自動找正以及原點設置，能夠提高生產加工過程的自動化水平，減少生產加工的時間，減輕工作人員的壓力，同時降低找正工序中的誤差，顯著提高工件加工的可靠性。

2.3 在線加工自動測量的補償

目前，在工件產品精加工過程中，一般使用抬刀預留生產加工邊角料，通過人工測量零件的尺寸，并且人為地調整刀具以及坐標系，實現生產加工規格的補償。這一過程不但影響加工流程，不利于加工工藝過程的定量分析，而且容易出現操作失誤的情況，最終影響到工件的質量。因此，基于這一在線測量補償加工方法，利用機內測頭完成原點的設置、零件的測量，并且將測量的結果和工件的尺寸信息進行對比，利用交互技術把數據信息導入數控機床設備的自變量當中，運行編寫好的數據驅動數控程序，完成自動補償加工工作，避免由于人工操作導致生產的誤差，進一步提高數控機床的補償生產性能[5]。測量過程交互示意圖如圖3所示。

圖3 測量過程交互示意圖

在利用測頭測量工件的過程中，檢測系統會產生一個實際的測量值，經過驗證后滿足系統的使用要求，此時可以把數據存放到一個數據變量組當中，同時恢復初始的狀態，以便為接收后續的測量數據做好準備工作。此外，在信息采集過程中，當測量數據不滿足系統的使用要求時，可以同時記錄臨時數據的變量當中存在冗余的數據，利用機器內部的測頭完成工件的測量，實現數據信息的收集和運算處理，然后結合運算后的數據信息驅動數控機床更新刀片的數據，實現刀具的補償[6]。

在線測量技術主要包括工件的尺寸測量及控制、零件的位置測量、加工后工件尺寸的檢查等內容。其中，工件位置的測量是在其定位裝夾之后，通過測頭完成工件位置的測量；同時，可以補償夾具在產品測量定位時出現的偏差，進一步提升工件生產的精度。

另外，在數控車床加工過程中，利用探頭能夠精確地測量和檢驗出工件尺寸的加工是否符合實際生產的要求，及時地監控產品的生產質量，加強質量管理工作。當工件加工后，需要對各個位置的尺寸進行檢查，判斷工件的尺寸是否滿足標準規范，從而極大地提升數控加工的可靠性。

3 數控加工中自動找正和在線測量技術的應用

3.1 加工設備的選擇

按照工件結構的性能以及數控機床的操作特點，本文使用數控五軸加工中心DMU，該機床的控制系統為海德漢，具有在線測量的功能，機床設備的參數如表1所示。

表1 數控加工機床設備的參數

3.2 在線測量

在線測量就是利用一臺機器或者設備完成產品的生產加工以及準確測量的一種方式。比如，對于測頭系統的加工中心而言，通過一次裝卡能夠完成生產，同時準確地測量出零件尺寸，極大地降低了加工成本，避免二次裝夾產生的偏差[7-8]。此外，通過在線測量技術，還可以提高產品的合格率，及時發現廢品，降低產品的加工消耗。特別是在不同的零件生產標準規范下，自動化測量技術的重要性主要表現在生產加工、工件檢驗、偏差補償等方面，在生產加工的前后實現準確的在線測量，可以極大地節約生產時間，保障數控機床的正常運行，提高零件加工的可靠性。

3.3 具體測量過程及測量程序的編制

在線測量的主要過程為：利用數控機床的探頭完成精確測量，首先，把探頭安裝到數控機床的主軸軸承中，工作人員再通過手動操作完成機床的移動，保證測頭測針的前一部分與工件表面相觸碰，通過數控機床實現對主軸軸承平面坐標的記錄和監控；其次，把觸針的斷路器和零件的實際地址進行關聯，通過數控車床主軸的坐標能夠得出零件被測點的平面坐標系；最后，當獲得加工零件各個測點的平面坐標之后，利用坐標點的幾何位置關系完成相關的計算，可以得出準確的測量結果。

當對產品加工后的尺寸完成在線測量后，進行對比計算后調整相應的加工參數，從而提高產品的質量和可靠性，在線測量過程如圖4所示。

圖4 在線測量過程

零件的尺寸為：中間孔為40 mm，公差是0.05 mm，壁厚尺寸是3 mm，兩個孔之間的位置尺寸是60 mm，公差大約為0.1 mm。該零件加工過程中容易發生變形，并且對孔的尺寸精度以及位置要求較高。因此，為了控制工件的加工誤差以及變形量，必須在一次裝夾條件下實現整體加工[9-10]。自動測量程序的編制過程如下：

首先，把加工零件的孔位置尺寸、孔直徑尺寸及對應的公差輸入到數控機床程序里，同時設置好相關的參數；其次，全部設置好后運行銑孔加工程序，程序運行之后，系統可以調整測量程序，實現相關參數的測量，得到測量結果后自動進行誤差的計算，然后把測量結果存放到文件中，當檢測到測量尺寸偏差較大時，系統會自動警示；最后，對測量參數進行調整，提高產品的合格率。

3.4 測量結果誤差分析

在精密測量過程中，由于多種因素的影響，其測量結果會存在一定的誤差。因此，為了進一步提高結果的準確性，需要對測量結果進行補償，整個測量過程中的測量精度偏差是通過分析與運算得到的。所以，數控機床工作過程中的誤差也會影響到測量結果的準確性。

自動測量結果誤差產生的原因主要有測頭系統的誤差、數控機床運行過程中的定位偏差、測量方法不當產生的誤差等。其中，測頭系統的誤差包括測頭靜態數據和動態數據的偏差、測頭在機床中的安裝偏差等。測頭靜態數據誤差主要有過流保護誤差、測頭重復測量的誤差等。過流保護誤差主要指測頭接觸零件之后測量桿會出現彎曲和變形；測頭的重復測量定位誤差比較小，在某種條件下可以忽略，所以靜態數據偏差的主要影響因素是過流保護誤差。測頭動態數據的偏差主要與測量過程中的接觸率以及機床的取樣距離相關，當測頭的中心線和主軸軸承的中心線不在同一個水平面時，測頭的安裝會存在誤差，從而產生不同的測量數據誤差。

數控車床工件的加工、安裝偏差以及控制系統的誤差、摩擦等原因，使得數控車床在測量過程中會產生定位偏差。此外，測頭的半翹曲偏差也是重要的誤差來源。針對這一問題，可以通過數據處理方法的測頭半翹曲補償解決。但是在實際測量時，由于情況的復雜性，測頭的半翹曲偏差會影響到精密測量，并且在斜面精密測量中存在更為明顯的偏差。針對這一問題，可以進行多次測量或者利用偏差補償的方法減小數據的誤差，進一步提升測量結果的準確程度。

3.5 測量結果分析

3.5.1 加工質量的分析

對零件的底座加工進行質量驗證與分析，加工質量數據如表2 所示。從表2 可以看出，在線測量技術具有較高的可靠性及合格率，對加工過程完成質量控制，能夠及時檢測出一些產品尺寸的變化，以便及時調整加工參數，提高零件加工質量的一致性，從而更好地滿足加工質量的規范要求，產品的合格率可以達到100%。

表2 加工質量數據統計

3.5.2 加工效率的分析

通過對比分析可知，利用自動找正和在線測量技術可以極大地提升生產效率，減少工件生產的時間，滿足加工過程中對質量控制的要求。改善前后的數據對比結果如表3 所示。

表3 改善前后的對比結果

其中，一個生產批次為100 件產品，則加工時間可以節約：(6.8-4.2)×100=260 h。由此可以得出，通過應用自動找正和在線測量技術，不僅可以提高零件的生產質量，而且生產效率也得到了極大的提升。

4 總結

傳統的零件加工方式不僅影響加工質量和效率，而且增加了加工誤差和人為隱患。通過將數控加工技術與自動找正和在線測量技術相結合，一方面，極大地降低了工人的勞動強度以及生產成本，縮短了生產輔助的時間；另一方面，顯著地降低了產品的不合格率，在保證加工質量的同時，提升了數控機床的生產效率。自動找正和在線測量技術對復雜零件的規?；a加工及測量起到了重要的作用，隨著數字智能生產技術的發展與進步，該技術將會得到廣泛的應用。