戰(zhàn)祥鑫， 李 涵， 熊良釗， 趙亞萌， 張賀東， 周仕杰

（首都航天機(jī)械有限公司， 北京 100076）

0 引言

在我國(guó)，先進(jìn)的數(shù)字化制造技術(shù)得到各行業(yè)的重視，尤其是以機(jī)加為主體的航天企業(yè)， 航空企業(yè)以及汽車制造企業(yè)，慢慢開(kāi)始引進(jìn)數(shù)字化的生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線，成為企業(yè)改革，提升制造能力的一個(gè)方向。先進(jìn)智能制造生產(chǎn)線圍繞零部件的加工生產(chǎn)活動(dòng)，將工藝開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造以及產(chǎn)品質(zhì)量控制緊密結(jié)合起來(lái)， 來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)產(chǎn)品加工信息的傳遞以及共享。 隨著加工中心等大型數(shù)控設(shè)備的廣泛使用，使得生產(chǎn)的柔性化得到進(jìn)一步的提高。隨著大型、復(fù)雜、高精度的零件加工需要不斷增多，從而對(duì)數(shù)控加工提出了更大挑戰(zhàn)。

在傳統(tǒng)生產(chǎn)中， 尤其是小批量零件加工方法是加工完一件產(chǎn)品后， 對(duì)于下一件零件的加工時(shí)就必須通過(guò)專用的定位工裝或是重新找正設(shè)置新的加工坐標(biāo)原點(diǎn)，并且零件在車、銑過(guò)程中需要不斷得停機(jī)，從而工人檢測(cè)加工的零件尺寸，和最終要求的尺寸作比較，計(jì)算還需要的刀具補(bǔ)償量，不斷得去手動(dòng)設(shè)置補(bǔ)償值，直到產(chǎn)品尺寸滿足設(shè)計(jì)公差，大大增加了加工時(shí)間，同時(shí)在加工過(guò)程中由于刀具磨損容易造成關(guān)鍵尺寸無(wú)法保證， 導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、質(zhì)量可控性差、時(shí)間浪費(fèi)尤為顯著，無(wú)法滿足數(shù)字化生產(chǎn)模式下的加工要求。

考慮上述加工中存在的問(wèn)題， 本文將數(shù)控加工技術(shù)與在線測(cè)量技術(shù)充分的結(jié)合起來(lái)， 通過(guò)自動(dòng)化的檢測(cè)手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)減少人為操作的目的。 本文結(jié)合具體零件，根據(jù)設(shè)備系統(tǒng)特點(diǎn)，對(duì)機(jī)床操作系統(tǒng)進(jìn)行功能開(kāi)發(fā)，利用宏程序、測(cè)頭來(lái)實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)找正、在線檢測(cè)和自動(dòng)補(bǔ)償加工，該方法能夠很好的解決工件裝夾精度，提高零件裝夾找正速度，減少測(cè)量時(shí)間，從而大幅度減少操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)小批量、復(fù)雜零件快速自動(dòng)化加工，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，同時(shí)保證加工零件具有較高的質(zhì)量和尺寸精度， 為批次性零件的加工提供了有效的方法和借鑒。

1 工作原理

1.1 自動(dòng)找正設(shè)置坐標(biāo)系

原有的找正方法是將工件放在機(jī)床工作臺(tái)上， 用百分表找正工件的一側(cè)面，將工件找正放平。然后通過(guò)對(duì)刀儀進(jìn)行坐標(biāo)原點(diǎn)的設(shè)置， 該找正方法時(shí)間長(zhǎng)、 找正誤差大、生產(chǎn)效率低且工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，如圖1 所示。

自動(dòng)找正的工作原理是將工件與夾具任意放置在機(jī)床工作臺(tái)上， 數(shù)控測(cè)頭對(duì)夾具與零件上的加工基準(zhǔn)面進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量， 通過(guò)測(cè)頭測(cè)量的A、B 兩點(diǎn)， 自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可自動(dòng)計(jì)算出工件AB 一側(cè)與X 軸的夾角，基于測(cè)量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)重建加工坐標(biāo)系，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整坐標(biāo)系達(dá)到“擺正”工件的目得。 如圖2 所示是自動(dòng)找正的示意圖和數(shù)控顯示圖。

圖1 原有找正方式Fig.1 Original alignment

圖2 自動(dòng)找正方式Fig.2 Automatic alignment

工件擺正后通過(guò)測(cè)頭自動(dòng)測(cè)量A、C、D 點(diǎn)坐標(biāo)， 得出X、Y、Z 軸的原點(diǎn)位置，該方法消除了基準(zhǔn)傳遞引起的加工誤差，從加工基準(zhǔn)和自動(dòng)找正上提高了產(chǎn)品加工的質(zhì)量。

1.2 自動(dòng)對(duì)坐標(biāo)系模塊

自動(dòng)對(duì)坐標(biāo)系模塊：①兩直邊加一個(gè)面對(duì)坐標(biāo)系；②兩孔加一個(gè)面對(duì)坐標(biāo)系；③一孔加一面對(duì)坐標(biāo)系；④對(duì)稱中心加一個(gè)面對(duì)坐標(biāo)系。

零件自動(dòng)找正后，執(zhí)行加工坐標(biāo)系設(shè)置程序，機(jī)床通過(guò)測(cè)頭進(jìn)行零件測(cè)量，實(shí)現(xiàn)加工坐標(biāo)系G54 的自動(dòng)設(shè)置。

零件自動(dòng)找正、 原點(diǎn)設(shè)置通過(guò)測(cè)量程序的調(diào)用極大的提升了制造流程的自動(dòng)化程度，降低了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了操作者每次找正時(shí)的誤差，提高了零件加工的一致性和可靠性。

1.3 在線加工自動(dòng)測(cè)量補(bǔ)償

圖3 測(cè)量過(guò)程交互示意圖Fig.3 Schematic diagram of measurement process interaction

現(xiàn)階段產(chǎn)品精加工常采用抬刀預(yù)留加工余量后，人工測(cè)量尺寸，人工調(diào)整刀具或坐標(biāo)系，補(bǔ)償加工尺寸。 這不僅打斷了加工流程，影響工序節(jié)拍量化，更易引起操作失誤， 造成質(zhì)量問(wèn)題。 鑒于此開(kāi)發(fā)在線測(cè)量補(bǔ)償加工技術(shù)，通過(guò)機(jī)內(nèi)測(cè)頭實(shí)現(xiàn)原點(diǎn)設(shè)置、產(chǎn)品測(cè)量，同時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)與要求值進(jìn)行比較， 通過(guò)交互技術(shù)將數(shù)據(jù)讀入機(jī)床變量， 利用采集的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)數(shù)控程序來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償加工，避免人工干預(yù)導(dǎo)致加工錯(cuò)誤，有效提升機(jī)床自適應(yīng)補(bǔ)償加工能力。

測(cè)頭測(cè)量零件特征時(shí)測(cè)量系統(tǒng)會(huì)輸出一個(gè)實(shí)際的測(cè)量值，經(jīng)采集系統(tǒng)判斷后滿足需求，則將該數(shù)據(jù)存放在一個(gè)臨時(shí)的數(shù)組變量中， 并返回初始狀態(tài)準(zhǔn)備定時(shí)接收下一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)；在采集過(guò)程中，如果測(cè)量數(shù)據(jù)不滿足測(cè)量范圍，并且用于臨時(shí)記錄數(shù)據(jù)的數(shù)組變量中存有數(shù)據(jù)，機(jī)內(nèi)測(cè)頭實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品測(cè)量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及運(yùn)算，利用運(yùn)算后的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)床更新刀具數(shù)據(jù)， 完成刀具的補(bǔ)償如圖4 所示。

圖4 在線測(cè)量及反饋原理圖Fig.4 The schematic of online measurement and feedback

在線測(cè)量主要分為工件位置測(cè)量、 加工過(guò)程中零件尺寸控制及加工完成后零件尺寸檢查。

工件位置測(cè)量是工件定位夾緊后， 利用測(cè)頭測(cè)量工件位置，可以補(bǔ)償夾具在工件定位中的誤差，提高批產(chǎn)零件的定位精度。

在數(shù)控加工過(guò)程中，使用測(cè)頭測(cè)量監(jiān)控關(guān)鍵尺寸加工是否滿足尺寸公差要求，實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程質(zhì)量控制，提高產(chǎn)品加工的加工精度。零件加工完成后對(duì)加工部位進(jìn)行尺寸測(cè)量，判斷尺寸是否滿足要求，大大提高加工穩(wěn)定性。

2 快速找正及在線測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

2.1 典型零件結(jié)構(gòu)分析

底座如圖5 所示，主要由凸臺(tái)、下陷、長(zhǎng)圓槽、底面孔、側(cè)面孔等典型結(jié)構(gòu)組成，該零件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是特征復(fù)雜，零件壁厚尺寸為3mm，加工時(shí)容易變形，且孔的尺寸精度和相對(duì)位置要求高， 為保證零件公差要求和有效的控制變形， 加工時(shí)需要在一次裝夾下完成零件的整體加工。

圖5 零件三維結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The 3D structure drawing of parts

2.2 加工設(shè)備選擇

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及機(jī)床性能， 本研究采用數(shù)控五軸加工中心DMU，其控制系統(tǒng)是海德漢530（具備在線測(cè)量功能），設(shè)備主要參數(shù)如表1 所示。

表1 數(shù)控加工中心主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of CNC machining center

2.3 自動(dòng)測(cè)量程序的編制與測(cè)量程序和加工程序間的反饋宏程序

在線測(cè)量零件加工后的尺寸， 通過(guò)比對(duì)計(jì)算及時(shí)修改加工參數(shù)，提高加工質(zhì)量的可靠性，工作流程如圖4 所示。 如圖5 所示的零件，中間孔的尺寸為φ40mm 公差為0.05mm，兩孔的相對(duì)位置尺寸60mm 公差為±0.1，具體實(shí)施方案和原理如下：

（1）將工件上的孔位置尺寸及公差，孔直徑尺寸及公差輸入到機(jī)床程序參數(shù)中，并設(shè)定好與之有關(guān)的參數(shù)。

（2）確定無(wú)干涉后運(yùn)行銑孔加工程序，程序執(zhí)行完后系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用測(cè)量程序?qū)Ρ粶y(cè)要素進(jìn)行測(cè)量， 在分別測(cè)量并得出結(jié)果后自動(dòng)計(jì)算誤差， 并將測(cè)量結(jié)果放到指定文件中，若測(cè)量尺寸超差，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示報(bào)警，根據(jù)測(cè)量結(jié)果及時(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，保證產(chǎn)品加工合格。

（3）數(shù)控測(cè)量反饋程序如下：

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 加工質(zhì)量分析

通過(guò)對(duì)典型零件底座的加工驗(yàn)證， 從表2 所示數(shù)據(jù)可以看出該方法具有較高的可靠性和穩(wěn)定性， 通過(guò)加工過(guò)程的質(zhì)量控制，時(shí)時(shí)檢測(cè)重點(diǎn)尺寸變化，通過(guò)加工參數(shù)的調(diào)整，確保加工產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，能夠很好的滿足加工質(zhì)量要求，產(chǎn)品合格率提升到100%。

表2 加工質(zhì)量統(tǒng)計(jì)Tab.2 Processing quality statistics

3.2 加工效率分析

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析， 快速找正和在線測(cè)量技術(shù)能夠大大提高生產(chǎn)效率，縮短零件生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的在線質(zhì)量控制，對(duì)比結(jié)果如表3 所示。

表3 改善前后對(duì)比Tab.3 The contrast of before and after improvement

每批次按100 件計(jì)算：

加工節(jié)省時(shí)間為：（6.8-4.2）×100=260 h

從應(yīng)用結(jié)果中可以看到快速找正和在線測(cè)量技術(shù)在提高產(chǎn)品加工質(zhì)量的同時(shí)，生產(chǎn)效率提高升33%。

4 結(jié)論

試驗(yàn)證明， 快速找正和在線測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用能夠降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高加工效率和加工質(zhì)量，保證了產(chǎn)品的一致性的同時(shí)，生產(chǎn)效率得到大幅度提高。該方法對(duì)于小批量零件尤其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 測(cè)量困難的零件加工具有重要意義。