張曉軍，于 健，趙 燚

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)國(guó)際經(jīng)濟(jì)環(huán)境的不斷變化與發(fā)展，制造業(yè)的高精度、高質(zhì)量、高效率等要求在不斷提升。作為制造業(yè)基礎(chǔ)裝備的數(shù)控機(jī)床精度等綜合能力的提升是提高制造業(yè)整體水平和機(jī)床企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵技術(shù)。提高數(shù)控機(jī)床幾何及定位等精度有兩種途徑：一種是提高機(jī)床的固有機(jī)械性能，以及采取各種措施提高機(jī)床的運(yùn)行穩(wěn)定性來(lái)達(dá)到；另一種是通過(guò)綜合補(bǔ)償技術(shù)，動(dòng)態(tài)抵消各種制造誤差、條件變化誤差[1]。目前大多數(shù)控機(jī)床空間誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ǘ己茈y與系統(tǒng)真正集成，簡(jiǎn)單的將誤差映射給加工過(guò)程，補(bǔ)償?shù)男Ч⒉焕硐搿Ｒ虼?，很有必要將空間的誤差補(bǔ)償功能嵌入到數(shù)控系統(tǒng)中，增加數(shù)控系統(tǒng)坐標(biāo)系補(bǔ)償功能，以便提高其實(shí)用性和可靠性[2]。

本文結(jié)合工廠實(shí)際，闡述通過(guò)CMM報(bào)告調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)中坐標(biāo)系補(bǔ)償，解決數(shù)控機(jī)床加工特征位置尺寸或距離尺寸超差的問(wèn)題。該方法流程如圖1所示：

圖1 基于CMM報(bào)告補(bǔ)償數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系的流程

1 機(jī)床加工坐標(biāo)系的辨識(shí)

1.1 從零件定位夾緊姿態(tài)確認(rèn)加工坐標(biāo)系

現(xiàn)場(chǎng)的CNC加工一般用到4個(gè)坐標(biāo)系：G54/G55/G56/G57；當(dāng)零件夾緊完后，面對(duì)主軸的為G54，左邊為G55，面對(duì)上料門的加工部位為G56，右邊為G57，如圖2所示。

圖2 機(jī)床坐標(biāo)系判定

1.2 從NC程序查看加工坐標(biāo)系

在刀具NC程序的開(kāi)頭都給出了該刀具加工特征的坐標(biāo)系，因此可以查看NC程序識(shí)別坐標(biāo)系。由于部分加工特征有一定傾斜角度，加工時(shí)A軸（詳見(jiàn)下文介紹）需要旋轉(zhuǎn)至某一特定的斜角[3]，這延伸了除以上定義方法之外的坐標(biāo)系，如圖3所示。

圖3 從NC程序看加工特征坐標(biāo)系

從圖3可看出：F2000面特征的加工是在G57加工坐標(biāo)系下；#1211的加工特征是在G54.1P1加工坐標(biāo)系下。

2 機(jī)床主軸、A/B軸和Z軸簡(jiǎn)介

主軸即可在XY方向移動(dòng)的軸，A軸即圍繞X方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的軸，B軸即圍繞Y方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的軸，Z軸即可在Z方向進(jìn)行移動(dòng)的軸。

圖4 機(jī)床各軸正負(fù)方向

如圖4所示，當(dāng)人面向工件時(shí)，X+方向即主軸向右移動(dòng)；Y+方向即主軸向上移動(dòng)，Z+方向即Z軸向背離主軸方向移動(dòng)；A+即A軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；B+即B軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

3 CMM坐標(biāo)系與加工坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

3.1 CMM報(bào)告

目前，大多數(shù)工廠對(duì)于加工零件位置、距離、角度等尺寸測(cè)量均用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，將已加工零件安裝在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行測(cè)量，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以直接測(cè)量輸出加工零件的位置和距離等尺寸，輸出的測(cè)量報(bào)告簡(jiǎn)稱為CMM報(bào)告?？梢哉f(shuō)，CMM測(cè)量報(bào)告上顯示的XYZ方向基本上不能一一對(duì)應(yīng)機(jī)床加工坐標(biāo)系的XYZ方向，因?yàn)榱慵跈C(jī)床上加工和在CMM測(cè)量時(shí)裝夾不一樣，CMM測(cè)量中，由于需要測(cè)量加工基準(zhǔn)，故測(cè)量時(shí)裝夾和加工時(shí)裝夾差異，導(dǎo)致CMM測(cè)量坐標(biāo)系與加工坐標(biāo)系不一致，不同產(chǎn)品和不同機(jī)床工裝CMM測(cè)量坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系各異，但都可依照兩坐標(biāo)系XYZ各個(gè)方向一一對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換。

如圖5為某工件的加工坐標(biāo)系和三坐標(biāo)測(cè)量坐標(biāo)系，該三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)輸出的CMM報(bào)告X/Y/Z方向即一一對(duì)應(yīng)著加工坐標(biāo)系的X/Y/Z方向。

圖5 某零件三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)坐標(biāo)系

表1詳細(xì)給出了CMM報(bào)告測(cè)量特征和對(duì)應(yīng)代碼，可以通過(guò)對(duì)照，看懂CMM測(cè)量?jī)?nèi)容。

表1 CMM測(cè)量尺寸類型和代碼對(duì)照表

3.2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

CMM報(bào)告坐標(biāo)系與加工坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方法有多種，下面給出兩種方法：

（1）按照CMM測(cè)量的報(bào)告，找出超差或偏大需要調(diào)整的方向，對(duì)照CMM坐標(biāo)系，找出零件在CMM夾緊時(shí)實(shí)際偏移的方向；再把零件在相應(yīng)機(jī)床夾緊，看零件實(shí)際偏的方向是對(duì)應(yīng)機(jī)床哪個(gè)軸，是正還是負(fù)，就可以進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整；

（2）直接根據(jù)CMM報(bào)告上的名義值來(lái)對(duì)應(yīng)，這個(gè)方法最直接高效。

4 坐標(biāo)系補(bǔ)償調(diào)整

4.1 主軸X/Y方向補(bǔ)償調(diào)整

X/Y方向尺寸偏離中值表現(xiàn)為測(cè)量實(shí)際值和名義值存在差異，CMM報(bào)告顯示位置度等相關(guān)尺寸差，即CMM報(bào)告測(cè)量同一坐標(biāo)系下加工特征XY方向?qū)崪y(cè)值和名義值偏差，需要通過(guò)調(diào)整主軸在XY方向的移動(dòng)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，調(diào)整方法如下：

（1）根據(jù)上文1.1、1.2方法確認(rèn)該特征所在的坐標(biāo)系；

（2）確認(rèn)需要調(diào)整的量：實(shí)際值-名義值；

（3）確認(rèn)需要調(diào)整的方向：遵循基準(zhǔn)不動(dòng)的原則，然后根據(jù)該特征所在的象限（基準(zhǔn)建立的坐標(biāo)把加工特征劃分成四個(gè)象限）來(lái)確定主軸應(yīng)該往正/負(fù)方向調(diào)整；若當(dāng)該加工特征處于第1象限，實(shí)際測(cè)量尺寸<名義尺寸時(shí)，XY方向都應(yīng)該往正方向調(diào)整；若當(dāng)該加工特征處于第2象限，實(shí)際測(cè)量尺寸<名義尺寸時(shí)，X方向應(yīng)該往負(fù)方向調(diào)整，Y方向應(yīng)該往正方向調(diào)整；若該加工特征處于第3象限，實(shí)際測(cè)量尺寸<名義尺寸時(shí)，XY方向都應(yīng)該往負(fù)方向調(diào)整；若當(dāng)該加工特征處于第4象限，實(shí)際測(cè)量尺寸<名義尺寸時(shí)，X方向應(yīng)該往正方向調(diào)整，Y方向應(yīng)該往負(fù)方向調(diào)整。

4.2 Z方向補(bǔ)償調(diào)整

Z方向尺寸偏離中值，通常表現(xiàn)為加工面多切或者少切，孔的深淺等，即CMM報(bào)告測(cè)量特征到基準(zhǔn)的距離偏離名義值，需要通過(guò)調(diào)整Z軸的進(jìn)退來(lái)補(bǔ)償，調(diào)整方法如下：

（1）根據(jù)上文1.1、1.2方法確認(rèn)該特征所在的坐標(biāo)系；

（2）確認(rèn)需要調(diào)整的量：實(shí)際值-名義值 ；

（3）確認(rèn)需要調(diào)整的方向：當(dāng)出現(xiàn)實(shí)際值偏?。ǘ嗲校?，就往正方向調(diào)整（Z軸向上料門方向移動(dòng)）。相反，當(dāng)出現(xiàn)實(shí)際值偏大（少切），就往負(fù)方向調(diào)整（Z軸向主軸方向移動(dòng)）。

4.3 A/B軸角度補(bǔ)償調(diào)整

當(dāng)CMM報(bào)告用工件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化后，出現(xiàn)同一測(cè)量特征不同截面或者Y方向具有同一名義值的不同測(cè)量特征，Y方向數(shù)個(gè)實(shí)際測(cè)量值呈逐漸變大或變小的趨勢(shì)，或者加工面的平行度差，或者根據(jù)直接的角度測(cè)量結(jié)果顯示角度差，如表2示例，此時(shí)需要調(diào)整A軸（繞X方向旋轉(zhuǎn)）角度補(bǔ)償；當(dāng)CMM報(bào)告用工件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化后，出現(xiàn)同一測(cè)量特征不同截面或者X方向具有同一名義值的不同測(cè)量特征，X方向數(shù)個(gè)實(shí)際測(cè)量值呈逐漸變大或變小的趨勢(shì)，或者加工面的平行度差，或者根據(jù)直接的角度測(cè)量結(jié)果顯示角度差，如表3示例，此時(shí)需要調(diào)整B軸（繞Y方向旋轉(zhuǎn)）角度補(bǔ)償。調(diào)整方法如下：

（1）根據(jù)上文1.1、1.2方法確認(rèn)該特征所在的坐標(biāo)系；

（2）確認(rèn)需要調(diào)整的量。

1）如果有直接的角度測(cè)量結(jié)果，該補(bǔ)償值就等于實(shí)際測(cè)量的角度減去名義角度值；

2）如果沒(méi)有直接的角度測(cè)量結(jié)果，就需要先將坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為角度，通過(guò)反三角函數(shù)來(lái)計(jì)算角度：

假設(shè)在同一方向（相同名義值）的兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)為（A1，A1′）、（A2，A2′），此時(shí) A1、A2 的 X 方向名義值是相同的，但實(shí)際值差異較大，就說(shuō)明B軸角度偏離中值了，需要調(diào)整的角度為θ=arctan（A1-A2）/（A1′-A2′）。

（3）確認(rèn)需要調(diào)整的方向：遵循A軸逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)，B軸逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?/p>

表2 需調(diào)整A軸角度補(bǔ)償?shù)腃MM報(bào)告實(shí)例

將表2報(bào)告報(bào)告用工件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化后，同一測(cè)量特征1111的不同截面Y方向測(cè)量值從53.7244變?yōu)?3.7607，此時(shí)需要調(diào)整A軸角度補(bǔ)償，調(diào)整方法如上文所述。

表3 需調(diào)整B軸角度補(bǔ)償?shù)腃MM報(bào)告實(shí)例

將表3報(bào)告用工件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化后，X方向具有同一名義值4.8的不同測(cè)量特征6101和6105，X方向測(cè)量值從4.8064變?yōu)?.7513，此時(shí)需要調(diào)整B軸角度補(bǔ)償，調(diào)整方法如上文所述。

4.4 旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償調(diào)整

所有的數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系補(bǔ)償程序，都設(shè)定有旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償變量，一般標(biāo)注為#541（Rotate），旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償變量可微調(diào)主軸的路徑，使得主軸圍繞某一特定的坐標(biāo)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一定的角度進(jìn)行加工，解決主軸的傾斜加工問(wèn)題。

當(dāng)CMM報(bào)告用工件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化后，出現(xiàn)X方向具有同一名義值的數(shù)個(gè)特征，X方向?qū)嶋H測(cè)量值呈逐漸變大或變小的趨勢(shì)，或者出現(xiàn)Y方向具有同一名義值的數(shù)個(gè)特征，Y方向?qū)嶋H測(cè)量值呈逐漸變大或變小的趨勢(shì)，如表4示例。此時(shí)需要調(diào)整旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償變量，角度的計(jì)算跟4.3一致，方向遵循逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)的原則。

表4 需調(diào)整旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償?shù)腃MM報(bào)告實(shí)例

將上述CMM報(bào)告用工件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化后，Y方向具有同一名義值26.76的3個(gè)不同測(cè)量特征1201、1202和1203，Y方向?qū)嶋H測(cè)量值逐漸減小，從26.792減小為26.722，此時(shí)需要調(diào)整旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償，調(diào)整方法如上文所述。

4.5 奇偶補(bǔ)償調(diào)整

所有的數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)系補(bǔ)償程序，都設(shè)定有奇偶補(bǔ)償變量，一般標(biāo)注為#542（補(bǔ)償X方向）、#543（補(bǔ)償Y方向），用來(lái)解決數(shù)控機(jī)床加工中同一坐標(biāo)系下不同奇偶加工特征X、Y方向偏差量不一致問(wèn)題。

當(dāng)CMM報(bào)告用工件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化后，出現(xiàn)具有同一X方向名義值的數(shù)個(gè)加工特征，奇數(shù)加工特征和偶數(shù)加工特征在Y方向測(cè)量值偏差量不一致，或者具有同一Y方向名義值的數(shù)個(gè)加工特征，奇數(shù)加工特征和偶數(shù)加工特征在X方向測(cè)量值偏差量不一致，此時(shí)需要調(diào)奇偶補(bǔ)償變量，由于此種情況簡(jiǎn)單，CMM報(bào)告就不列舉。調(diào)整的量和方向跟4.1一致。

4.6 坐標(biāo)系補(bǔ)償調(diào)整注意事項(xiàng)

坐標(biāo)系補(bǔ)償調(diào)整以后，建議先加工一件恢復(fù)參數(shù)繼續(xù)生產(chǎn)，期間測(cè)量調(diào)整件的相關(guān)尺寸，需要確保合格后才能啟用參數(shù)批量生產(chǎn)，調(diào)整時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：

（1）調(diào)整前需要確認(rèn)好正、負(fù)；

（2）調(diào)整時(shí)注意小數(shù)點(diǎn)；

（3）調(diào)整時(shí)注意確認(rèn)好坐標(biāo)系；

（4）調(diào)整數(shù)值不能超過(guò)0.5 mm，調(diào)整的值超過(guò)0.5 mm時(shí)需要檢查機(jī)床夾具是否出了問(wèn)題、X、Y、Z絲桿原點(diǎn)是否偏移、定位塊是否磨損嚴(yán)重、機(jī)床氣檢是否失效等。

5 實(shí)例分析

一A軸加工的機(jī)床，在G54.1P1坐標(biāo)系下加工的編號(hào)#1115的特征尺寸超差如表5所示，此特征位于坐標(biāo)系的第三象限，工藝X方向名義尺寸183.25，Y方向26.76，調(diào)整坐標(biāo)補(bǔ)償方法如下：

表5 CMM測(cè)量超差實(shí)例報(bào)告

（1）對(duì)照前文圖四，TP代表位置度，故#1215特征位置度超差；

（2）從前文3.2方法（2）可知，CMM報(bào)告坐標(biāo)系的Z向/X向即為工件坐標(biāo)系的X向/Y向；

（3）XY方向偏離名義值導(dǎo)致位置度超差，屬于上文4.1情況，確認(rèn)需要調(diào)整的量：

需要調(diào)整的方向：此特征位于工件坐標(biāo)系的第三象限，X方向?qū)嶋H值＞名義值，應(yīng)該往正方向調(diào)整，Y方向?qū)嶋H值＜名義值，應(yīng)該往正方向調(diào)整。

（4）調(diào)整結(jié)果：G54.1P1坐標(biāo)系下，X+0.028，Y+0.09；

（5）調(diào)整后CMM報(bào)告測(cè)量結(jié)果如表6所示。

表6 CMM測(cè)量超差坐標(biāo)系補(bǔ)償調(diào)整結(jié)果

6 結(jié)論

根據(jù)CMM報(bào)告的測(cè)量數(shù)值，分析偏差的原因，通過(guò)調(diào)整XY單方向坐標(biāo)補(bǔ)償、Z方向的坐標(biāo)補(bǔ)償、AB軸坐標(biāo)補(bǔ)償、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)補(bǔ)償以及奇偶坐標(biāo)補(bǔ)償?shù)姆椒?，可以很好地解決生產(chǎn)實(shí)際中位置尺寸超差的問(wèn)題。