襲 迪

（衢州第二中等專業(yè)學(xué)校，浙江 衢州 324100）

近年來，現(xiàn)代化的數(shù)字智能生產(chǎn)技術(shù)在各個行業(yè)當(dāng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用，特別是在航天航空企業(yè)、汽車制造企業(yè)等以機械加工為主的領(lǐng)域中，智能化的生產(chǎn)設(shè)備逐漸走進(jìn)大眾視野，不斷推動著企業(yè)改革以及生產(chǎn)水平的提升?，F(xiàn)代化的生產(chǎn)技術(shù)以零件加工為根本，將工藝設(shè)計、生產(chǎn)制造和產(chǎn)品質(zhì)量的提升進(jìn)行結(jié)合，從而完成產(chǎn)品加工信息的傳遞和共享。大型數(shù)控機械設(shè)備的廣泛使用，使得加工生產(chǎn)過程更加柔性化，零件加工復(fù)雜度和精度的提升也對數(shù)控加工技術(shù)提出了更多的要求。實踐證明，將數(shù)控加工技術(shù)與自動找正和在線測量技術(shù)相結(jié)合，可以有效減少人為操作產(chǎn)生的誤差，提高加工質(zhì)量[1-2]。

1 制造零件

在傳統(tǒng)的零件生產(chǎn)過程中，尤其是小批量生產(chǎn)的工件，主要是在完成一件零件生產(chǎn)加工后，通過專業(yè)的定位工裝及重新找正定位等方式再進(jìn)行下一個零件的生產(chǎn)。因此，對于加工坐標(biāo)的起點而言，需要不斷地進(jìn)行調(diào)整，工作人員對加工工件的尺寸規(guī)格等進(jìn)行檢查和最后的規(guī)格對比，通過計算得出數(shù)控刀片的補償量，然后人為設(shè)置補償值，最終使得工件規(guī)格滿足設(shè)計方案的實際要求，從而延長了加工的時間。此外，在加工過程中，數(shù)控刀具容易發(fā)生損壞，使得其規(guī)格不能滿足正常使用，影響到了生產(chǎn)加工的正常進(jìn)行，且質(zhì)量的預(yù)測性較差。因此，針對這一現(xiàn)狀問題，可以把數(shù)控加工技術(shù)與自動找正和在線測量技術(shù)相結(jié)合，通過自動化生產(chǎn)技術(shù)，減少人為操作的誤差。

另外，根據(jù)加工工件的特點以及機床設(shè)備和系統(tǒng)軟件的特點，設(shè)計數(shù)控機床計算機操作系統(tǒng)，通過測頭和宏程序?qū)崿F(xiàn)工件的自動測量、在線監(jiān)測以及自動補償?shù)壬a(chǎn)操作，可以較好地完成加工工件裝夾精度的處理，加快裝夾對準(zhǔn)的速度，縮短在線測量的時間，不僅降低了工作人員的勞動強度，實現(xiàn)了零件的批量生產(chǎn)，而且極大地提升了生產(chǎn)工件的質(zhì)量以及規(guī)格精度，為零件的批量生產(chǎn)提供了有效的依據(jù)[3]。

2 工作原理

2.1 自動找正中坐標(biāo)系的設(shè)置

在傳統(tǒng)的找正工序中，一般是把工件放在機床工作臺上面，通過百分表確定零件的一側(cè)，然后把工件放平，利用測刀儀完成坐標(biāo)原點的設(shè)置，該方法如圖1 所示。此方法不僅耗費時間，且誤差大，極大地增大了工作人員的勞動強度，不利于生產(chǎn)效率的提升。

圖1 傳統(tǒng)的找正方法示意圖

自動找正方法是把工件和夾具放在機床工作臺的任意位置，利用數(shù)控測頭完成夾具和工件加工基準(zhǔn)面的自動測量工作，通過測頭確定出A和B兩點，自動找正方法如圖2 所示。此外，通過自動測量系統(tǒng)能夠自動測出工件的兩面和X軸之間的夾角，然后根據(jù)動態(tài)信息數(shù)據(jù)建立新的加工坐標(biāo)，自動調(diào)整平面坐標(biāo)以實現(xiàn)擺正工件的目的。當(dāng)工件擺正之后，利用測頭測量A、C、D的坐標(biāo)，得到X、Y、Z軸的原點坐標(biāo)，從而減小加工誤差，極大地提升工件加工質(zhì)量[4]。

圖2 自動找正方法示意圖

2.2 自動坐標(biāo)系控制模塊

自動坐標(biāo)系控制模塊的原理如下：首先，兩條直邊加一條邊構(gòu)成平面坐標(biāo)；其次，平面坐標(biāo)系加兩個孔；再次，平面坐標(biāo)一邊加一個孔；最后，對稱中心加坐標(biāo)軸是平面坐標(biāo)系。

當(dāng)工件自動找正之后，開始運行加工平面坐標(biāo)系程序，機床設(shè)備利用測頭完成工件的測量，實現(xiàn)平面坐標(biāo)系G54 的自動設(shè)置。通過調(diào)用測量程序，實現(xiàn)零件的自動找正以及原點設(shè)置，能夠提高生產(chǎn)加工過程的自動化水平，減少生產(chǎn)加工的時間，減輕工作人員的壓力，同時降低找正工序中的誤差，顯著提高工件加工的可靠性。

2.3 在線加工自動測量的補償

目前，在工件產(chǎn)品精加工過程中，一般使用抬刀預(yù)留生產(chǎn)加工邊角料，通過人工測量零件的尺寸，并且人為地調(diào)整刀具以及坐標(biāo)系，實現(xiàn)生產(chǎn)加工規(guī)格的補償。這一過程不但影響加工流程，不利于加工工藝過程的定量分析，而且容易出現(xiàn)操作失誤的情況，最終影響到工件的質(zhì)量。因此，基于這一在線測量補償加工方法，利用機內(nèi)測頭完成原點的設(shè)置、零件的測量，并且將測量的結(jié)果和工件的尺寸信息進(jìn)行對比，利用交互技術(shù)把數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入數(shù)控機床設(shè)備的自變量當(dāng)中，運行編寫好的數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)控程序，完成自動補償加工工作，避免由于人工操作導(dǎo)致生產(chǎn)的誤差，進(jìn)一步提高數(shù)控機床的補償生產(chǎn)性能[5]。測量過程交互示意圖如圖3所示。

圖3 測量過程交互示意圖

在利用測頭測量工件的過程中，檢測系統(tǒng)會產(chǎn)生一個實際的測量值，經(jīng)過驗證后滿足系統(tǒng)的使用要求，此時可以把數(shù)據(jù)存放到一個數(shù)據(jù)變量組當(dāng)中，同時恢復(fù)初始的狀態(tài)，以便為接收后續(xù)的測量數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備工作。此外，在信息采集過程中，當(dāng)測量數(shù)據(jù)不滿足系統(tǒng)的使用要求時，可以同時記錄臨時數(shù)據(jù)的變量當(dāng)中存在冗余的數(shù)據(jù)，利用機器內(nèi)部的測頭完成工件的測量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的收集和運算處理，然后結(jié)合運算后的數(shù)據(jù)信息驅(qū)動數(shù)控機床更新刀片的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)刀具的補償[6]。

在線測量技術(shù)主要包括工件的尺寸測量及控制、零件的位置測量、加工后工件尺寸的檢查等內(nèi)容。其中，工件位置的測量是在其定位裝夾之后，通過測頭完成工件位置的測量；同時，可以補償夾具在產(chǎn)品測量定位時出現(xiàn)的偏差，進(jìn)一步提升工件生產(chǎn)的精度。

另外，在數(shù)控車床加工過程中，利用探頭能夠精確地測量和檢驗出工件尺寸的加工是否符合實際生產(chǎn)的要求，及時地監(jiān)控產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，加強質(zhì)量管理工作。當(dāng)工件加工后，需要對各個位置的尺寸進(jìn)行檢查，判斷工件的尺寸是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從而極大地提升數(shù)控加工的可靠性。

3 數(shù)控加工中自動找正和在線測量技術(shù)的應(yīng)用

3.1 加工設(shè)備的選擇

按照工件結(jié)構(gòu)的性能以及數(shù)控機床的操作特點，本文使用數(shù)控五軸加工中心DMU，該機床的控制系統(tǒng)為海德漢，具有在線測量的功能，機床設(shè)備的參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)控加工機床設(shè)備的參數(shù)

3.2 在線測量

在線測量就是利用一臺機器或者設(shè)備完成產(chǎn)品的生產(chǎn)加工以及準(zhǔn)確測量的一種方式。比如，對于測頭系統(tǒng)的加工中心而言，通過一次裝卡能夠完成生產(chǎn)，同時準(zhǔn)確地測量出零件尺寸，極大地降低了加工成本，避免二次裝夾產(chǎn)生的偏差[7-8]。此外，通過在線測量技術(shù)，還可以提高產(chǎn)品的合格率，及時發(fā)現(xiàn)廢品，降低產(chǎn)品的加工消耗。特別是在不同的零件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范下，自動化測量技術(shù)的重要性主要表現(xiàn)在生產(chǎn)加工、工件檢驗、偏差補償?shù)确矫?，在生產(chǎn)加工的前后實現(xiàn)準(zhǔn)確的在線測量，可以極大地節(jié)約生產(chǎn)時間，保障數(shù)控機床的正常運行，提高零件加工的可靠性。

3.3 具體測量過程及測量程序的編制

在線測量的主要過程為：利用數(shù)控機床的探頭完成精確測量，首先，把探頭安裝到數(shù)控機床的主軸軸承中，工作人員再通過手動操作完成機床的移動，保證測頭測針的前一部分與工件表面相觸碰，通過數(shù)控機床實現(xiàn)對主軸軸承平面坐標(biāo)的記錄和監(jiān)控；其次，把觸針的斷路器和零件的實際地址進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過數(shù)控車床主軸的坐標(biāo)能夠得出零件被測點的平面坐標(biāo)系；最后，當(dāng)獲得加工零件各個測點的平面坐標(biāo)之后，利用坐標(biāo)點的幾何位置關(guān)系完成相關(guān)的計算，可以得出準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

當(dāng)對產(chǎn)品加工后的尺寸完成在線測量后，進(jìn)行對比計算后調(diào)整相應(yīng)的加工參數(shù)，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，在線測量過程如圖4所示。

圖4 在線測量過程

零件的尺寸為：中間孔為40 mm，公差是0.05 mm，壁厚尺寸是3 mm，兩個孔之間的位置尺寸是60 mm，公差大約為0.1 mm。該零件加工過程中容易發(fā)生變形，并且對孔的尺寸精度以及位置要求較高。因此，為了控制工件的加工誤差以及變形量，必須在一次裝夾條件下實現(xiàn)整體加工[9-10]。自動測量程序的編制過程如下：

首先，把加工零件的孔位置尺寸、孔直徑尺寸及對應(yīng)的公差輸入到數(shù)控機床程序里，同時設(shè)置好相關(guān)的參數(shù)；其次，全部設(shè)置好后運行銑孔加工程序，程序運行之后，系統(tǒng)可以調(diào)整測量程序，實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)的測量，得到測量結(jié)果后自動進(jìn)行誤差的計算，然后把測量結(jié)果存放到文件中，當(dāng)檢測到測量尺寸偏差較大時，系統(tǒng)會自動警示；最后，對測量參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，提高產(chǎn)品的合格率。

3.4 測量結(jié)果誤差分析

在精密測量過程中，由于多種因素的影響，其測量結(jié)果會存在一定的誤差。因此，為了進(jìn)一步提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對測量結(jié)果進(jìn)行補償，整個測量過程中的測量精度偏差是通過分析與運算得到的。所以，數(shù)控機床工作過程中的誤差也會影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

自動測量結(jié)果誤差產(chǎn)生的原因主要有測頭系統(tǒng)的誤差、數(shù)控機床運行過程中的定位偏差、測量方法不當(dāng)產(chǎn)生的誤差等。其中，測頭系統(tǒng)的誤差包括測頭靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)的偏差、測頭在機床中的安裝偏差等。測頭靜態(tài)數(shù)據(jù)誤差主要有過流保護(hù)誤差、測頭重復(fù)測量的誤差等。過流保護(hù)誤差主要指測頭接觸零件之后測量桿會出現(xiàn)彎曲和變形；測頭的重復(fù)測量定位誤差比較小，在某種條件下可以忽略，所以靜態(tài)數(shù)據(jù)偏差的主要影響因素是過流保護(hù)誤差。測頭動態(tài)數(shù)據(jù)的偏差主要與測量過程中的接觸率以及機床的取樣距離相關(guān)，當(dāng)測頭的中心線和主軸軸承的中心線不在同一個水平面時，測頭的安裝會存在誤差，從而產(chǎn)生不同的測量數(shù)據(jù)誤差。

數(shù)控車床工件的加工、安裝偏差以及控制系統(tǒng)的誤差、摩擦等原因，使得數(shù)控車床在測量過程中會產(chǎn)生定位偏差。此外，測頭的半翹曲偏差也是重要的誤差來源。針對這一問題，可以通過數(shù)據(jù)處理方法的測頭半翹曲補償解決。但是在實際測量時，由于情況的復(fù)雜性，測頭的半翹曲偏差會影響到精密測量，并且在斜面精密測量中存在更為明顯的偏差。針對這一問題，可以進(jìn)行多次測量或者利用偏差補償?shù)姆椒p小數(shù)據(jù)的誤差，進(jìn)一步提升測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度。

3.5 測量結(jié)果分析

3.5.1 加工質(zhì)量的分析

對零件的底座加工進(jìn)行質(zhì)量驗證與分析，加工質(zhì)量數(shù)據(jù)如表2 所示。從表2 可以看出，在線測量技術(shù)具有較高的可靠性及合格率，對加工過程完成質(zhì)量控制，能夠及時檢測出一些產(chǎn)品尺寸的變化，以便及時調(diào)整加工參數(shù)，提高零件加工質(zhì)量的一致性，從而更好地滿足加工質(zhì)量的規(guī)范要求，產(chǎn)品的合格率可以達(dá)到100%。

表2 加工質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.5.2 加工效率的分析

通過對比分析可知，利用自動找正和在線測量技術(shù)可以極大地提升生產(chǎn)效率，減少工件生產(chǎn)的時間，滿足加工過程中對質(zhì)量控制的要求。改善前后的數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表3 所示。

表3 改善前后的對比結(jié)果

其中，一個生產(chǎn)批次為100 件產(chǎn)品，則加工時間可以節(jié)約：(6.8-4.2)×100=260 h。由此可以得出，通過應(yīng)用自動找正和在線測量技術(shù)，不僅可以提高零件的生產(chǎn)質(zhì)量，而且生產(chǎn)效率也得到了極大的提升。

4 總結(jié)

傳統(tǒng)的零件加工方式不僅影響加工質(zhì)量和效率，而且增加了加工誤差和人為隱患。通過將數(shù)控加工技術(shù)與自動找正和在線測量技術(shù)相結(jié)合，一方面，極大地降低了工人的勞動強度以及生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)輔助的時間；另一方面，顯著地降低了產(chǎn)品的不合格率，在保證加工質(zhì)量的同時，提升了數(shù)控機床的生產(chǎn)效率。自動找正和在線測量技術(shù)對復(fù)雜零件的規(guī)?；a(chǎn)加工及測量起到了重要的作用，隨著數(shù)字智能生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，該技術(shù)將會得到廣泛的應(yīng)用。