楊惠欣 李家永

(沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 遼寧 沈陽 110043)

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整體葉盤車削在線測量技術(shù)研究

楊惠欣 李家永

(沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 遼寧 沈陽 110043)

通過對整體葉盤車削過程自動測量技術(shù)、刀具自動校正技術(shù)、刀具自動補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)了整體葉盤車削加工、測量、刀具補(bǔ)償自動化。提高了工件加工質(zhì)量和效率。形成了整體葉盤車削加工過程數(shù)字化在線測量的制造模式。

在線測量；刀具補(bǔ)償；整體葉盤

目前車削加工整體葉盤輻板型腔，均采用專用測具來測量型面控制點(diǎn)，工裝制造時(shí)間嚴(yán)重制約了新品研制周期，加大研制成本。產(chǎn)品從研制到定型一旦改變結(jié)構(gòu)，測具全部報(bào)廢，需重新派制。同時(shí)在型腔的車削加工中，采用人工測量后手工輸入刀具補(bǔ)償值的方法，這種操作引起產(chǎn)品超差，或工件報(bào)廢的現(xiàn)象屢見不鮮。本文擬對車削過程自動測量技術(shù)、刀具自動校正技術(shù)、刀具自動補(bǔ)償技術(shù)開展進(jìn)一步深入研究，使盤類工件車削擺脫依賴專用測具的傳統(tǒng)工藝模式，改變傳統(tǒng)的數(shù)控加工手動對刀、測量、手動輸入刀補(bǔ)的落后方式，實(shí)現(xiàn)加工過程自動化，達(dá)到提高數(shù)控機(jī)床利用率。實(shí)現(xiàn)盤類零件研制輻板車削不附加制造專用測具、進(jìn)行數(shù)字化在線測量的先進(jìn)制造模式。

1 整體葉盤輻板型面控制點(diǎn)測具測量

整體葉盤輻板型面控制點(diǎn)如圖1所示，其測量尺寸為φA、φB處的深度尺寸③、④。目前輻板型面控制點(diǎn)都是在精車后利用專用測具進(jìn)行測量，該專用測具包括測具和標(biāo)準(zhǔn)件兩部分，是根據(jù)被測點(diǎn)的理論尺寸派制的，測量時(shí)首先利用標(biāo)準(zhǔn)件校正測具，再應(yīng)用調(diào)整后的測具進(jìn)行被測控制點(diǎn)的深度測量，通過百分表的讀數(shù)判定輻板的加工狀態(tài)，最后根據(jù)與理論值的偏差值手動輸入刀補(bǔ)值(如表1)。由于專用測具的加工精度較高，其設(shè)計(jì)制造時(shí)間較長，在新產(chǎn)品研制階段往往會制約新產(chǎn)品的研制生產(chǎn)周期，且需要在車削加工過程中反復(fù)暫停進(jìn)行測量，并在測量后手動輸入補(bǔ)償值，該測量方式不僅增加了車削加工的時(shí)間，且手動輸入刀具補(bǔ)償值的方式極易產(chǎn)生錯(cuò)誤，甚至導(dǎo)致工件報(bào)廢。

表1 手動輸入刀補(bǔ)值可設(shè)置零點(diǎn)偏移

X/mmZ/mmSP1/°G54粗略0.0000.0000.000精確0.0000.0000.000

2 車削在線測量及刀具自動補(bǔ)償技術(shù)方案

2.1 機(jī)床在線測量模塊的功能局限性

(1)不具備對非線性輪廓，以及斜面的連續(xù)掃描功能和單點(diǎn)測量功能，只能測量水平面到基準(zhǔn)面的軸向高度和圓柱面。

(2)只能按被測點(diǎn)的Z向進(jìn)行測頭半徑補(bǔ)償。不能按測量點(diǎn)的法向進(jìn)行補(bǔ)償。

2.2 葉盤車削在線測量及刀具自動補(bǔ)償技術(shù)方案

該測量方案所用的設(shè)備為數(shù)控立車加工中心，且該設(shè)備應(yīng)具備在線測量功能模塊，主要包括測頭、測量循環(huán)及測頭校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)試件。

編制測量程序，調(diào)用測量循環(huán)對工件進(jìn)行測量，并將測量結(jié)果與被測尺寸的理論值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果以及被測尺寸的公差范圍判斷是否進(jìn)行刀具半徑補(bǔ)償：若測量結(jié)果顯示工件處于欠切狀態(tài)，則程序自動將差值進(jìn)行刀具補(bǔ)償；若測量結(jié)果顯示工件尺寸在理論尺寸公差內(nèi)，則程序不做任何更改，繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)程序；若測量結(jié)果顯示工件處于過切狀態(tài)，則程序進(jìn)入無窮循環(huán)，后續(xù)加工程序?qū)o法運(yùn)行，須操作者手動退出程序，提示操作者該尺寸處于超差狀態(tài)。

2.3 斜面測量刀具半徑補(bǔ)償方案

被測輪盤輻板為斜面，若按照平面測量的方法測量，會產(chǎn)生誤差△h，如圖2所示。此時(shí)獲得的深度值小于被測點(diǎn)的實(shí)際值。因此，在進(jìn)行斜面測量時(shí)需對測量值進(jìn)行補(bǔ)償，以獲得被測點(diǎn)的實(shí)際值。

如若對P點(diǎn)進(jìn)行測量，即測量P點(diǎn)在特定X值處的深度值(Z值)Zp。當(dāng)測頭從P點(diǎn)的Xp坐標(biāo)向下方運(yùn)動時(shí)，由于被測型面為一斜面，測頭與實(shí)際輻板型面的接觸點(diǎn)為P′，在P′點(diǎn)觸發(fā)，觸發(fā)后測量系統(tǒng)返回P′點(diǎn)深度Zp′值，機(jī)載測頭所測得P′點(diǎn)與P點(diǎn)的Z值相差△h，當(dāng)斜面角度α愈大，測頭半徑愈大時(shí)，誤差△h愈大。

因此要獲得P點(diǎn)的實(shí)際值需根據(jù)斜面角度及測頭半徑對其測量值進(jìn)行補(bǔ)償，具體如下：

由圖2可得：

L=R/cosα

式中：L為三角形的斜邊；α為輻板型面與水平面的夾角；R為測頭半徑。

△h=L-R

式中：△h為補(bǔ)償高度。P點(diǎn)的深度值Zp為：

Zp=Zp′-△h=Zp′-(R/cosα-R)

在輻板車削加工過程中，加工坐標(biāo)系原點(diǎn)若在工件加工后的上端面，則所測得的型面控制點(diǎn)的Z值小于0，則根據(jù)以上計(jì)算公式，

︱Zp︱=︱Zp′︱+△h

=︱Zp′︱+(R/cosα-R)

3 在線測量精度保證

由于在線測量依賴于機(jī)床各軸的運(yùn)動完成，因此其精度受機(jī)床各軸運(yùn)動精度的影響較大，在線測量誤差可能由于機(jī)床各軸的運(yùn)動誤差產(chǎn)生。另外測頭本身的精度也極為重要，由于受車間溫度、振動、噪聲等的影響，測頭本身的精度會有所降低。

在線測量精度受測頭本身精度及機(jī)床各軸運(yùn)動精度的影響，因此，要求機(jī)床按相關(guān)規(guī)章制度對各個(gè)運(yùn)動軸定期用激光干涉儀進(jìn)行精度檢測，根據(jù)誤差適度進(jìn)行補(bǔ)償，保持機(jī)床各軸系的運(yùn)動精度。另外，測量前必須進(jìn)行測頭校正，以取得當(dāng)前環(huán)境條件下測頭X、Z、R精確值，是保證精確測量結(jié)果的有效手段。

當(dāng)批量較大、精度較高時(shí)，可采取抽樣對比檢測的方法。即每批首件機(jī)床在線測量后，由離線三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行檢測，對在線測量結(jié)果與三坐標(biāo)檢測結(jié)果進(jìn)行比較、分析，將誤差控制在一定范圍內(nèi)，則會最大程度地保證測量精度，從而提高測量效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

4 整體葉盤在線測量與刀具自動補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

以德國立車加工中心為設(shè)備平臺，應(yīng)用Renishaw公司的MP10觸發(fā)式測頭，借助于機(jī)床導(dǎo)軌的運(yùn)動完成X、Z方向的測量操作，機(jī)床配置為西門子840D控制系統(tǒng)，以整體葉盤為載體進(jìn)行測量。

4.1 被測尺寸分析

如圖1所示整體葉盤輻板型面控制點(diǎn)為根據(jù)徑向尺寸φA、φB來控制軸向尺寸H1、H2，通過測量被測點(diǎn)至基準(zhǔn)面的軸向尺寸來確定其實(shí)際位置。

4.2 在線檢測測頭校正

進(jìn)行在線測量前，需要對測頭Z向、X向及R進(jìn)行校正，從而使測量系統(tǒng)對測頭X、Z值以及測頭的半徑有精確的計(jì)算以進(jìn)行補(bǔ)償。測頭校正程序由Sinumeric840D控制系統(tǒng)的高級語言編寫。以下以測頭Z向校正程序?yàn)槔?/p>

SETMTH(1)

；調(diào)用測頭并激活

_MW=5 _SETVA=R4 _HT=1 _UT=-1 _KVAR=1

_TNAM=1 _KNU=2 _VARIA=2 _NREP=2 _EVN=0

_PROT=0 _PRNAM="circlegauge" _M_PT=1

；Z向單點(diǎn)測量，刀具自動補(bǔ)償

L974 ；調(diào)用測量宏程序進(jìn)行測量

M30 ；程序結(jié)束

校準(zhǔn)測頭時(shí)，對標(biāo)準(zhǔn)試件的測量速度應(yīng)與正式工件測量時(shí)的速度一致。并查看校準(zhǔn)后測頭的直徑與之前的校準(zhǔn)結(jié)果的差別，如果變化較大，則要查找原因或清潔標(biāo)準(zhǔn)件和測頭。重復(fù)進(jìn)行2～3次校準(zhǔn)，直到校準(zhǔn)結(jié)果穩(wěn)定即可。利用校準(zhǔn)后的測頭對標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行測量以驗(yàn)證測頭校正精度，根據(jù)檢測器具的測量精度一般取被測工件尺寸公差的1/4～1/10， 滿足該要求，則校準(zhǔn)后的測頭可用于工件尺寸測量，測頭校正完成，否則須重新進(jìn)行校正。

4.3 在線測量坐標(biāo)系的建立

遵循設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)和測量基準(zhǔn)重合的原理，在線測量坐標(biāo)系通常選定與工件的工藝基準(zhǔn)重合。根據(jù)輻板型面控制點(diǎn)的工藝尺寸基準(zhǔn)確定基準(zhǔn)面，工件的回轉(zhuǎn)中心與機(jī)床工作臺中心重合，在線測量坐標(biāo)系原點(diǎn)如圖3所示。

4.4 整體葉盤輻板型面控制點(diǎn)尺寸測量

在線測量與刀具自動補(bǔ)償程序流程圖如圖4所示，首先設(shè)置被測點(diǎn)及測頭基本參數(shù)、調(diào)用機(jī)床測頭并激活測頭、設(shè)置在線測量參數(shù)；其次調(diào)用L974測量循環(huán)依次測量各點(diǎn)尺寸，將測量值根據(jù)斜面補(bǔ)償方案及被測輻板斜面α角進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，得出該點(diǎn)的實(shí)際值，并計(jì)算實(shí)際值與理論值之差；最后根據(jù)公差帶判斷是否進(jìn)行補(bǔ)償，并將結(jié)果補(bǔ)償?shù)紾54Z Fine中，測量完成。

工件的測量程序由Sinumeric840D控制系統(tǒng)的高級語言編寫，以滿足測量循環(huán)調(diào)用、賦值、變量計(jì)算、計(jì)數(shù)和記錄實(shí)測結(jié)果、誤差計(jì)算與補(bǔ)償?shù)裙δ艿男枰Ｒ韵聻檎w葉盤輻板型面控制點(diǎn)車削在線測量與刀具自動補(bǔ)償測量循環(huán)調(diào)用及補(bǔ)償部分程序。

測量參數(shù)設(shè)置：

MW=5 CRPOS=50 HT=1 _UT=-1 KVAR=0

NREP=2 EVN=0 VARIA=2 MA=1

調(diào)用測量循環(huán)進(jìn)行測量并進(jìn)行斜面補(bǔ)償：

FOR NUM=1 TO TIME

SpindleA=(360/TIME)*(NUM-1) ；被測點(diǎn)角度

SPOS[1]= SpindleA ；主軸旋轉(zhuǎn)到指定角度

L974() ；調(diào)用測量宏程序進(jìn)行測量

Zsum= Zsum+_MVAL ；將多次測量結(jié)果求和

ENDFOR ；測量循環(huán)結(jié)束

Zsum=ABS(Zsum/TIME)；多個(gè)測量值取平均值Zsum= Zsum+(ProbeR/CAlpha-ProbeR)

；對結(jié)果進(jìn)行斜面補(bǔ)償

Mistake=Zsum-ABS(_SETVA)

；測量值與理論值之差

根據(jù)測量值判斷工件的加工狀態(tài)，并進(jìn)行補(bǔ)償：

IF (Zsum<=ToptZ) ；若測量值≤公差上限

IF(Zsum>=LowtZ) ；若測量值≥公差下限

MSG("OK HEGE"<< Mistake)

；機(jī)床控制面板顯示OK HEGE字樣

ELSE；否則(測量值≤公差下限) MYMP_UIFR[1,Z,FI]=MYMP_UIFR[1,Z,FI]+Mistake ；對G54Z進(jìn)行誤差自動補(bǔ)償

MSG(" G54 Z BU CHANG "<< Mistake)

；機(jī)床控制面板顯示G54 Z bu chang字樣

ENDIF

ELSE ；否則(測量值≥公差上限)

DISPLAY1: MSG(" Z CHAO CHA "<< Mistake)

；機(jī)床控制面板顯示Z CHAO CHA字樣

GOTOB DISPLAY1

ENDIF

在上述車削在線測量及刀具自動補(bǔ)償程序中，每一個(gè)測量循環(huán)每個(gè)測量點(diǎn)測量2次，360°圓周內(nèi)均勻測量4點(diǎn)，取平均值并進(jìn)行斜面補(bǔ)償計(jì)算得出被測點(diǎn)的實(shí)際值，將該實(shí)際值與理論值進(jìn)行對比，根據(jù)公差帶判斷是否進(jìn)行補(bǔ)償。

4.5 測量結(jié)果分析

應(yīng)用該在線測量與刀具自動補(bǔ)償程序?qū)φw葉盤輻板型面控制點(diǎn)進(jìn)行測量，得出被測點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)，將在線測量結(jié)果與專用測具測量結(jié)果進(jìn)行對比，誤差小于 0.01 mm且測量結(jié)果較穩(wěn)定。

5 結(jié)語

(1)整體葉盤車削在線測量與刀具自動補(bǔ)償程序已通過試驗(yàn)件驗(yàn)證，并應(yīng)用于工件的加工過程中，測量精度較離線的三坐標(biāo)測量機(jī)測量誤差在0.01 mm之內(nèi)。

(2)該在線測量程序適用于被測點(diǎn)在測量基準(zhǔn)面之下，并且測頭具有足夠的空間接觸被測點(diǎn)而不與工件發(fā)生碰撞。

(3)根據(jù)其他型號數(shù)控立車加工中心的編程特點(diǎn)及測頭設(shè)置，對該在線測量程序進(jìn)行相應(yīng)的更改完善，擴(kuò)展其適用范圍。

[1]昝華，薛鳳舉.數(shù)控加工中在線測量的應(yīng)用探析[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2007(5)：99-98.

[2]吳長忠，孫選，李國平，等.基于FANUC數(shù)控系統(tǒng)的加工中心在線測量研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009(26)：74.

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Research on on-line measuring of the blisk turning

YANG Huixin, LI Jiayong

(Shenyang Liming Aero-Engine Group Corporation Ltd., Shenyang 110043, CHN)

Based on the research of the automatic measuring, calibration of probes, compensation of tools during the blisk turning, implement the automatic completion of the blisk turning processing, measurement and compensation of tools.Improve the parts,turning quality and efficiency.The manufacturing mode of digital on-line measuring in the turning process of the blisk is formed.

on-line measuring; compensation of tools; the blisk

V261

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.004

楊惠欣，女，1983年生，碩士，工程師，主要從事整體葉盤制造及在線檢測工作。

(編輯 李 靜)

2016-03-22)

161111