王為東，姚彬

(上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司，上海 201108)

0 引言

隨著中國(guó)航空航天的發(fā)展，薄壁件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，新一代飛行器大量采用薄壁件，精度要求也越來(lái)越高，但薄壁件剛度低，對(duì)其進(jìn)行高效精密銑削加工一直是一項(xiàng)技術(shù)難題[1]。為實(shí)現(xiàn)薄壁件的高效精密銑削加工，解決加工誤差過大的問題，任宇強(qiáng)等通過優(yōu)化薄壁件工藝路線和加工方法，有效減少加工中應(yīng)力變形，提高了加工質(zhì)量[2]；楊東輝等從銑削力、溫度、殘余應(yīng)力、表面粗糙度等方面，分析了切削參數(shù)對(duì)薄壁件加工性能的影響[3]；趙淑軍等建立了薄壁件銑削動(dòng)力學(xué)模型和再生顫振系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，為穩(wěn)定切削參數(shù)的確定提供了參考[4]。本文從壁厚補(bǔ)償角度研究薄壁件高效高精銑削方法，通過測(cè)量壁厚補(bǔ)償周期，提高加工效率和質(zhì)量。

薄壁件壁厚補(bǔ)償加工是指在銑削過程中實(shí)時(shí)測(cè)量工件厚度變化情況并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，以保證工件加工精度。壁厚補(bǔ)償響應(yīng)周期是指工件厚度發(fā)生變化后到機(jī)床開始控制各軸進(jìn)行補(bǔ)償所經(jīng)歷的時(shí)間。在完成同樣功能的情況下，周期越短，表明補(bǔ)償算法效率越高，相應(yīng)的機(jī)床進(jìn)給速度、工件加工精度和加工效率也越高。因此，壁厚補(bǔ)償響應(yīng)周期是衡量銑削加工壁厚補(bǔ)償功能可行性的關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)加工效率和精度有著重要的影響。

根據(jù)壁厚補(bǔ)償原理和數(shù)據(jù)處理過程，本文提出一種工件壁厚補(bǔ)償周期測(cè)量方法，對(duì)各階段時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，為壁厚補(bǔ)償算法優(yōu)化和問題分析提供了參考。

1 壁厚補(bǔ)償系統(tǒng)構(gòu)建

數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)本身并不具有壁厚補(bǔ)償?shù)哪芰?，要?shí)現(xiàn)工件壁厚加工補(bǔ)償，必須首先在數(shù)控機(jī)床本身能力的基礎(chǔ)上集成具有壁厚測(cè)量功能的裝置，并開發(fā)具有數(shù)據(jù)采集功能的軟件。因此，有效的系統(tǒng)集成是實(shí)現(xiàn)壁厚補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。壁厚補(bǔ)償系統(tǒng)如圖1所示，在機(jī)床上集成OLYMPUS 38DL超聲測(cè)量裝置，并基于數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)數(shù)據(jù)采集軟件，通過RS232串口通信實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置與數(shù)控系統(tǒng)的連接與通信。

圖1 壁厚補(bǔ)償系統(tǒng)組成

1.1 超聲測(cè)量裝置與數(shù)控系統(tǒng)集成

OLYMPUS 38DL超聲測(cè)量裝置用于實(shí)現(xiàn)壁厚的實(shí)時(shí)測(cè)量，主要由探頭、信號(hào)線纜、測(cè)厚儀和通信線纜組成[5]。其中探頭用于超聲信號(hào)的發(fā)射和接收；信號(hào)線纜用于將探頭信號(hào)傳送給測(cè)厚儀；測(cè)厚儀用于超聲信號(hào)處理和數(shù)據(jù)顯示；通信線纜則用于外界設(shè)備與測(cè)厚儀通信和采集數(shù)據(jù)。加工過程中測(cè)厚儀上壁厚數(shù)據(jù)顯示如圖2所示。

圖2 測(cè)厚儀數(shù)據(jù)顯示

本試驗(yàn)機(jī)床上運(yùn)行的數(shù)控系統(tǒng)為西門子Sinumerik 840D sl，系統(tǒng)軟件版本為SW4.7，由獨(dú)立的PCU和NCP組成。PCU如圖3所示，通過RS232串口通信即可與測(cè)厚儀集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)與測(cè)厚儀之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。

圖3 Sinumerik 840D sl數(shù)控系統(tǒng)

1.2 數(shù)據(jù)采集軟件與數(shù)控系統(tǒng)集成

數(shù)據(jù)采集功能是基于西門子數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)包(SINUMERIK integrate create MyHMI 3GL 4.5 SP1)開發(fā)的[6]，開發(fā)完成后集成在數(shù)控系統(tǒng)主界面上，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集功能

1.3 壁厚數(shù)據(jù)讀取和處理過程

根據(jù)上述壁厚補(bǔ)償系統(tǒng)可知，壁厚數(shù)據(jù)讀取和處理過程如圖5所示。

圖5 壁厚數(shù)據(jù)處理過程

1)測(cè)厚儀通過水浸探頭實(shí)時(shí)檢測(cè)工件壁厚變化；

2)數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)時(shí)從測(cè)厚儀中獲取工件壁厚原始數(shù)據(jù)；

3)采集軟件通過濾波等算法對(duì)壁厚原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析；

4)數(shù)據(jù)處理完成后，將壁厚數(shù)據(jù)和處理結(jié)果寫入數(shù)控系統(tǒng)，用于加工補(bǔ)償和運(yùn)動(dòng)控制。

2 響應(yīng)周期的測(cè)量方法

2.1 響應(yīng)周期測(cè)量流程

壁厚補(bǔ)償響應(yīng)周期是指工件厚度發(fā)生變化后到機(jī)床開始控制各軸進(jìn)行補(bǔ)償所經(jīng)歷的時(shí)間。根據(jù)壁厚補(bǔ)償過程中數(shù)據(jù)處理流程，設(shè)計(jì)以下方案(圖6)對(duì)壁厚響應(yīng)周期進(jìn)行測(cè)量：

圖6 壁厚補(bǔ)償響應(yīng)周期測(cè)量

1)基于數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)時(shí)采集壁厚補(bǔ)償過程中壁厚數(shù)據(jù)變化情況；

2)在正常加工過程中，通過外加補(bǔ)償量控制刀具沿刀軸方向運(yùn)動(dòng)，使工件壁厚發(fā)生變化；

3)繼續(xù)加工，程序結(jié)束后導(dǎo)出數(shù)據(jù)；

4)對(duì)采集的壁厚數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算從補(bǔ)償開始到壁厚數(shù)據(jù)反饋到數(shù)控系統(tǒng)中的響應(yīng)時(shí)間，即壁厚補(bǔ)償響應(yīng)周期。

2.2 響應(yīng)周期計(jì)算

正常加工是指在不進(jìn)行補(bǔ)償和干預(yù)情況下進(jìn)行銑削加工，通過調(diào)整工件安裝位置，使測(cè)厚儀示數(shù)基本為常數(shù)；干預(yù)時(shí)刀具沿刀軸向工件方向進(jìn)行補(bǔ)償，使壁厚發(fā)生變化，設(shè)干預(yù)時(shí)系統(tǒng)時(shí)間為S干預(yù)；在整個(gè)加工過程中數(shù)據(jù)采集軟件會(huì)對(duì)壁厚原始數(shù)據(jù)、壁厚過濾數(shù)據(jù)和壁厚寫入數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過分析可得壁厚原始數(shù)據(jù)開始變化時(shí)(壁厚數(shù)據(jù)有明顯小于開始正常加工時(shí)的壁厚數(shù)據(jù)的趨勢(shì))的系統(tǒng)時(shí)間、壁厚過濾數(shù)據(jù)開始變化時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間和壁厚寫入數(shù)據(jù)開始變化時(shí)的系統(tǒng)時(shí)間，分別設(shè)為S原始、S過濾和S寫入。則從S干預(yù)至S原始的時(shí)間即為壁厚原始數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間T原始，即：

T原始=S原始-S干預(yù)

(1)

同理，壁厚過濾數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間T過濾和壁厚寫入數(shù)據(jù)響應(yīng)時(shí)間T寫入的計(jì)算公式：

T過濾=S過濾-S干預(yù)

(2)

T寫入=S寫入-S干預(yù)

(3)

其中T寫入即為壁厚補(bǔ)償響應(yīng)周期T。進(jìn)一步可得壁厚數(shù)據(jù)獲取耗時(shí)△T原始、數(shù)據(jù)過濾和處理耗時(shí)△T過濾和數(shù)據(jù)寫入系統(tǒng)耗時(shí)△T寫入，即：

T=T寫入

(4)

△T原始=T原始

(5)

△T過濾=T過濾-T原始

(6)

△T寫入=T寫入-T過濾

(7)

綜上，即可計(jì)算得到壁厚補(bǔ)償周期和各階段耗時(shí)情況。其中各階段耗時(shí)情況可根據(jù)實(shí)際算法和數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行修改和細(xì)化，以獲得更準(zhǔn)確和更詳細(xì)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，對(duì)算法進(jìn)行分析和優(yōu)化。

3 實(shí)例分析

為驗(yàn)證壁厚響應(yīng)周期測(cè)量方法的可行性，基于以上設(shè)施，設(shè)計(jì)如下方案進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)：首先將待加工工件安裝在矩形工裝中，并堆放在機(jī)床上合適區(qū)域，然后進(jìn)行輪廓掃描和逆向，在工件輪廓表面得到加工程序，接著關(guān)閉壁厚補(bǔ)償功能，執(zhí)行加工程序。通過調(diào)整W1軸(沿刀具軸向方向)位置，使銑刀剛好與工件表面接觸，更改加工程序，控制W1軸在刀路中間位置向工件方向銑削0.5mm，最后開啟加工數(shù)據(jù)采集功能，執(zhí)行加工程序，對(duì)加工過程中壁厚數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，本次試驗(yàn)在3個(gè)位置生成3條加工程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

按照以上方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，加工刀路如圖7所示，加工時(shí)采集的數(shù)據(jù)如圖8-圖10所示。其中，第1列為采樣時(shí)間，采樣頻率為16Hz，第2列為數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)時(shí)從測(cè)厚儀中讀取的壁厚數(shù)據(jù)，第3列為過濾處理后的壁厚數(shù)據(jù)，第4列為寫入NC中的壁厚數(shù)據(jù)，L1-L4為用于監(jiān)測(cè)工件變形情況的4個(gè)電渦流數(shù)值，最后兩列分別為刀路中間W1軸向工件方向補(bǔ)償0.5mm的信號(hào)值和W1軸的機(jī)床坐標(biāo)。

圖7 實(shí)驗(yàn)位置

圖8 位置1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9 位置2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖10 位置3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本次實(shí)驗(yàn)用于測(cè)量當(dāng)工件厚度變化時(shí)，壁厚補(bǔ)償功能的響應(yīng)周期。其中工件厚度變化通過W1軸負(fù)方向補(bǔ)償0.5mm實(shí)現(xiàn)，當(dāng)補(bǔ)償開始時(shí)(信號(hào)值從0變?yōu)?)，W1軸開始向工件方向補(bǔ)償，即圖8-圖10中白色框框選區(qū)域(本刊黑白印刷，相關(guān)疑問咨詢作者)。L1-L4反映了加工過程中電渦流數(shù)值變化情況，可見當(dāng)W1軸向工件方向補(bǔ)償時(shí)，L1-L4的數(shù)值減小，說(shuō)明工件發(fā)生變形，但變形量小于W1軸的移動(dòng)量。因此，在W1軸向工件方向移動(dòng)0.5mm的過程中，工件厚度是發(fā)生變化的。圖8-圖10上表格中第2列、第3列和第4列分別反映了壁厚原始數(shù)據(jù)、壁厚過濾數(shù)據(jù)和壁厚寫入數(shù)據(jù)，壁厚數(shù)據(jù)的響應(yīng)時(shí)間為W1軸補(bǔ)償開始后到壁厚數(shù)據(jù)開始變化時(shí)所使用的時(shí)間，如圖8-圖10中藍(lán)色框框選區(qū)域，3次實(shí)驗(yàn)的壁厚補(bǔ)償響應(yīng)時(shí)間計(jì)算如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

綜上，壁厚原始數(shù)據(jù)平均響應(yīng)時(shí)間為0.259s，壁厚過濾數(shù)據(jù)平均響應(yīng)時(shí)間為0.4s，壁厚寫入數(shù)據(jù)平均響應(yīng)時(shí)間為0.45s。

因此，當(dāng)工件厚度發(fā)生變化后，大約需要0.45s反饋給NC進(jìn)行補(bǔ)償，即壁厚補(bǔ)償響應(yīng)周期為0.45s。其中原始數(shù)據(jù)獲取耗時(shí)0.259s，數(shù)據(jù)過濾和處理耗時(shí)0.141s，厚度數(shù)據(jù)寫入NC耗時(shí)0.05s。時(shí)間大多花費(fèi)在原始數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理上，可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)該功能進(jìn)行優(yōu)化；若加工進(jìn)給速度為1000 mm/min，則當(dāng)工件厚度變化后反饋到NC時(shí)，機(jī)床已經(jīng)移動(dòng)7.5mm。為保證加工質(zhì)量，有必要對(duì)進(jìn)給速度、刀具直徑、壁厚補(bǔ)償算法進(jìn)行合理選擇和優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)薄壁零件在銑削加工過程中壁厚補(bǔ)償控制問題，提出一種應(yīng)用于銑削機(jī)床的壁厚補(bǔ)償響應(yīng)周期測(cè)量方法。從加工理論、平臺(tái)搭建和實(shí)驗(yàn)分析等方面論述了該方法的正確性和可實(shí)施性。通過該方法不僅可以有效獲得壁厚補(bǔ)償響應(yīng)周期，還可以分別獲取壁厚控制算法中各環(huán)節(jié)的耗時(shí)情況，為壁厚補(bǔ)償功能的優(yōu)化和工藝參數(shù)的選擇提供參考依據(jù)。