張永巖,方芳,陳鐵,王慶友
1. 航空工業(yè)哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責任公司 黑龍江哈爾濱 150066
2. 中航國際航空制造工藝應用中心 北京 101300
在新一輪工業(yè)革命背景下,制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級成為大勢所趨[1,2]。信息化、集成化和智能化已經(jīng)成為制造企業(yè)提高市場競爭力的重要手段之一[3]。
我單位在推進機械加工領(lǐng)域數(shù)智轉(zhuǎn)型升級過程中,重點開展了機械加工柔性智能生產(chǎn)單元的建設(shè),開展了柔性制造技術(shù)研究,取得了一定的建設(shè)和應用效果。而在開展智能生產(chǎn)線建設(shè)和應用的過程中,在機測量技術(shù)是實現(xiàn)柔性智能化生產(chǎn)的強力技術(shù)支撐[4]。
本文探討了針對柔性智能生產(chǎn)線數(shù)控加工過程中在機測量技術(shù)工藝應用的技術(shù)方案、應用研究以及技術(shù)開發(fā)實現(xiàn)方法和途徑,主要包括在機測量技術(shù)應用總體架構(gòu)、在機測量程序編程和數(shù)控系統(tǒng)測量子程序開發(fā)實現(xiàn)以及在機測量后處理開發(fā)、仿真環(huán)境構(gòu)建等。
數(shù)控機床在機測量技術(shù)是指在數(shù)控機床上通過測量系統(tǒng)(一般為雷尼紹裝置)對零件進行在機測量的技術(shù)。當前主流數(shù)控系統(tǒng)均具備通用的測量應用。在柔性智能化機械加工生產(chǎn)線中,在機測量技術(shù)主要用于零件加工基準精確找正、加工過程中特征尺寸的監(jiān)測以及特征尺寸精確補償加工等場景,對實現(xiàn)零件加工過程中精準定位、精準確定加工余量以及精確補償加工起到重要作用。在柔性智能機械加工生產(chǎn)線建設(shè)時需根據(jù)使用的數(shù)控設(shè)備和數(shù)控系統(tǒng)類型、基準找正、特征尺寸測量以及補償加工的工藝應用需求,進行在機測量程序的開發(fā)。
針對柔性生產(chǎn)線,在數(shù)控設(shè)備、控制系統(tǒng)測量功能以及測量系統(tǒng)軟硬件的基礎(chǔ)上,在機測量技術(shù)的工藝應用技術(shù)主要由CAM測量編程功能環(huán)境、測量后處理功能、測量仿真環(huán)境以及數(shù)控系統(tǒng)測量子程序等部分組成,應用環(huán)境總體架構(gòu)如圖1所示。
圖1 在機測量技術(shù)應用環(huán)境總體架構(gòu)
數(shù)控機床上在機測量程序的應用通常通過測量宏程序?qū)崿F(xiàn),測量宏程序是實現(xiàn)在機測量的基礎(chǔ)[5]。
在建設(shè)實踐中,生產(chǎn)線建設(shè)方針對發(fā)那科數(shù)控系統(tǒng)、海德漢數(shù)控系統(tǒng)的應用,實現(xiàn)了基準找正測量(如測量兩孔拉直方向、測量兩點拉直方向、測量單孔找正基準、測量槽口拉直方向和測量平面單點找正Z向等)、特征尺寸測量監(jiān)控(如面平面度、點坐標、槽寬、圓柱直徑尺寸和孔徑尺寸等)以及補償加工測量(如槽寬尺寸、面位置、孔尺寸和立筋尺寸)等多達30余種測量功能。
針對發(fā)那科系統(tǒng),通過定制開發(fā)宏程序?qū)崿F(xiàn)在機測量特定功能,在具體零件加工前、加工時以及加工后在主程序中進行該類宏程序的調(diào)用,以實現(xiàn)具體的在機測量應用。針對各類測量過程中測頭控制要求開發(fā)的多種測量宏程序如下。
在這些測量宏程序的基礎(chǔ)上,可通過定義各類的調(diào)用來生成特定特征元素的測量以及結(jié)果應用測量程序。例如針對典型的孔找正,可以通過以下指令序列實現(xiàn)原點的測量和基準孔的測量,最終結(jié)果存儲在#5241、#5242基準變量中。
針對海德漢數(shù)控系統(tǒng),通過調(diào)用數(shù)控系統(tǒng)各類探測循環(huán)指令來實現(xiàn)在機測量特定功能。例如針對具有轉(zhuǎn)臺的五坐標加工設(shè)備,可以通過使用標準探測循環(huán)403指令實現(xiàn)基準旋轉(zhuǎn)補償找正(見圖2)。
圖2 基準旋轉(zhuǎn)補償找正示意
實現(xiàn)基準旋轉(zhuǎn)測量的控制指令序列如下,各參數(shù)依據(jù)實際測量應用需求進行定義。
CATIA V5具備了通用的探針測量編程功能,能夠?qū)崿F(xiàn)標準的測量定義,比如孔/柱銷測量功能、槽/筋測量功能以及點位測量功能等。完成測量元素及測量參數(shù)定義后,即可生成圖形化的測量軌跡和動作,通過軌跡和動作對測量軌跡的正確性進行初步確認。同時,通過調(diào)用pptable表關(guān)鍵字文件,能夠按照定義好的測量循環(huán)語法在刀位中生成通用的測量循環(huán)控制語句(用于后處理軟件進一步進行解析和處理)。
以孔測量為例,通過定義測量元素、測量動作參數(shù)等,生成孔的測量軌跡和測量控制參數(shù),典型應用如圖3所示。其生成的通用語法如圖4所示。
圖4 CATIA V5中孔測量通用語法示意
在應用中,由于孔測量功能被用于基準測量、加工孔尺寸測量評價、工序中孔徑測量及加工補償?shù)榷喾N孔的測量處理需求,因此,還需要通過定義輔助的關(guān)鍵字語句來區(qū)分不同的用途,用于后處理軟件生成不同的測量指令序列。關(guān)于孔的特殊關(guān)鍵字語法定義見表1,其在編程中的定義位置如圖3紅色標識所示。
圖3 CATIA V5中針對孔測量的典型應用示意
表1 孔的特殊關(guān)鍵字語法定義
對于其他如槽/筋、點測量等,其定義方式與孔的處理方式相似,在此不再詳述。
在CAM軟件編程獲得通用測量刀位數(shù)據(jù)后,必須進行后處理,生成能夠用于特定數(shù)控機床應用的測量程序。因此,測量程序后處理功能的開發(fā)實現(xiàn)至關(guān)重要。
后處理軟件通過讀取測量關(guān)鍵字控制語句來識別是否為測量功能,并區(qū)分是哪一種測量功能,通過對語句中各參數(shù)的解析分別獲得各項參數(shù)的定義值。在控制語句PROBE/START和PROBE/OFF之間是通用的測量路徑和參數(shù),后處理將更加詳細地對通用參數(shù)進行解析,并對測量GOTO點進行解析,得到完整的測量軌跡和測量動作控制參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,按照一定的處理邏輯,生成特定測量循環(huán)的測量控制指令語句。對于基準找正測量,測量后將結(jié)果數(shù)據(jù)存儲到約定的測量基準變量中;對于加工的尺寸評價驗證,還要將測量結(jié)果與尺寸公差限定值進行比較判斷,并進行相應的提示處理,此類功能根據(jù)實際應用需求進行開發(fā)。
孔原點找正的刀位文件和后處理生成的測量程序的對比見表2。
表2 刀位文件和后處理生成的測量程序?qū)Ρ?/p>
由于在機測量的各類測量循環(huán)指令、子程序非常多,所以每一項測量功能的測量控制參數(shù)都較多,測量過程中動作控制復雜,在我們的應用案例中發(fā)那科系統(tǒng)和海德漢系統(tǒng)均定制開發(fā)了多達30余種測量循環(huán)子程序。如此數(shù)量的子程序應用,極易出現(xiàn)編程過程中誤操作等問題,造成測量程序生成錯誤。一旦出現(xiàn)錯誤將會對數(shù)控設(shè)備及測頭造成不可預測的損壞。另外,后處理開發(fā)要根據(jù)CAM編程的定義進行這些測量程序的生成實現(xiàn),后處理開發(fā)的結(jié)果是否正確也至關(guān)重要,完全通過現(xiàn)場試運行進行檢驗,既浪費時間,又缺乏開發(fā)過程的靈活性和及時性。數(shù)控測量仿真技術(shù)是解決這些問題的有效途徑和技術(shù)保障措施[6]。
因此,建設(shè)一套完善的測量程序仿真環(huán)境,無論對后處理開發(fā)驗證還是日常測量程序生成后檢查驗證都至關(guān)重要。
在機測量仿真環(huán)境構(gòu)建開發(fā)主要包括以下內(nèi)容。
1)常規(guī)機床運動模型構(gòu)建、帶有支持測量指令和測量功能的控制系統(tǒng)文件構(gòu)建等。
2)海德漢系統(tǒng)驗證其自帶測量指令循環(huán)能否充分支持各種測量應用;發(fā)那科系統(tǒng)需將現(xiàn)場測量的定制測量子程序加載到仿真環(huán)境中;在仿真環(huán)境建設(shè)中,需要配置仿真控制系統(tǒng)文件以支持各類標準的控制系統(tǒng)測量循環(huán),另外自定義的測量宏程序是實現(xiàn)完備的測量仿真功能的重點[7]。
3)加工基準定義防錯控制、特殊語句識別以及測量數(shù)據(jù)比較邏輯等特殊的仿真控制。
4)其他仿真控制等。
在柔性生產(chǎn)線中的某型機叉形件數(shù)控測量程序上應用了測量仿真的開發(fā)成果。在仿真針對槽特征的測量程序時,發(fā)現(xiàn)測頭的運行軌跡嚴重偏離了測量位置,如圖5所示。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是后處理程序?qū)y量指令序列的解析生成有嚴重的錯誤造成的,修改后處理的處理策略重新生成測量指令序列,再次進行仿真,測量軌跡和測量動作符合測量控制要求,結(jié)果如圖6所示。通過此次仿真,不但及時發(fā)現(xiàn)了測量程序錯誤,而且發(fā)現(xiàn)了后處理功能的錯誤,測量仿真應用的作用明顯,后續(xù)將結(jié)合仿真能力建設(shè)持續(xù)推進測量仿真技術(shù)的推廣應用。
圖5 對測量程序進行仿真發(fā)現(xiàn)異常
圖6 修正后正確的測量仿真結(jié)果
本文探討了數(shù)控加工在機測量技術(shù)應用的總體架構(gòu)、發(fā)那科和海德漢數(shù)控系統(tǒng)測量子程序的實現(xiàn)以及在機測量后處理開發(fā)、在機測量仿真環(huán)境的構(gòu)建開發(fā),形成了較完整的在機測量技術(shù)應用體系,開發(fā)建設(shè)成果已經(jīng)在我公司首條柔性智能生產(chǎn)線的零件編程及加工中得到應用驗證,為柔性智能生產(chǎn)線批產(chǎn)工藝應用穩(wěn)定運行提供了有效的技術(shù)手段。