基于華中數控系統(tǒng)的在機自動測量補償技術

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序言在航空航天制造業(yè)快速發(fā)展的今天，復雜異型航空航天大型核心構件呈現出結構特征復雜、異型變截面、難加工、尺寸大、品種多及批量小等特點。針對日益復雜的各種結構件，常用的檢測方法包括離線檢測（手工檢測、三坐標測量和激光掃描等）和在機檢測兩種。目前離線檢測不能及時發(fā)現零件的加工問題，易導致后續(xù)返工返修。在機檢測以手工檢測為主，需要在加工過程中進行人工停機調整干預，工作量大且重復性高，隨著產品種類和批量的增長，人工干預的出錯率會越來越高，并且會降低設備利用率，因此該方法受限于人為因素的影響，不論從檢測效率、檢測精度，還是從檢測自動化水平方面均不能滿足后續(xù)高效智能生產的需求。因此本文研究了一種基于華中數控系統(tǒng)的自動檢測、自動計算和自動補償的方法，該方法檢測結果準確，檢測效率高，避免了人工干預，提升了數控加工過程的自動化程度。2

背景、目的及意義2.1研究背景隨著科學技術的發(fā)展，航空航天、汽車、造船及模具等工業(yè)領域的生產模式從大批量和單一品種漸漸演變成中小批量和多品種，零部件形狀愈加復雜，對工藝技術要求越來越高，一旦出現廢品，損失難以估計，因此如何提升加工質量顯得尤為重要[1]。在機測量（OnMachineMeasurement，OMM）技術最早應用于大型齒輪的加工誤差補償[2]，隨后國內外學者針對不同的數控系統(tǒng)和加工中心進行了大量技術研究：楊光等[3]以FANUC數控系統(tǒng)為基礎建立了EP6BL測頭用在機測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現了曲面加工代碼的自動生成，奠定了CAD/CAM的集成基礎；高峰等[4]研究了數控成形砂輪磨齒機的在機測量技術，采用多體系統(tǒng)理論及齊次坐標變換方法，對被測對象的幾何特征及數控機床的運動形式進行數學解析，求解該方程獲得所有可能的測量運動方案；馬艷玲等[5]對比分析了數控在線測量系統(tǒng)和三坐標測量之間的誤差分析。2.2研究目的與意義在航空航天產品的制造過程中，傳統(tǒng)的離線檢測方法雖然可以判定零件的加工結果，但是不能夠及時發(fā)現零件尺寸超差等問題，這將直接影響產品制造周期與質量。而在機測量技術的應用能夠在不停機的狀態(tài)下實現零件補償，保證加工效率，減少人為干預。針對大尺寸、大質量的零件，在機測量技術可以減少零件的轉運流程，降低零件出現磕碰劃傷的概率，進而提升質量；針對不適合使用常規(guī)的卡尺等量具進行檢測的零件，在機測量技術通過測頭接觸和掃描等方式，可以實現難測量尺寸的精確檢測，如今在機測量已經成為智能制造柔性生產線的一個重點發(fā)展領域。因此，在機測量技術的研究對保證產品型面、高精度裝配尺寸有效檢測，以及為提高生產效率、提高產品質量具有重要意義。3

在機測量系統(tǒng)組成及其工作原理完整的在機測量系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成，硬件系統(tǒng)負責數據采集、信號接收，軟件系統(tǒng)負責控制、計算和補償。3.1硬件組成（1）測頭主體測頭主體是測量過程中的執(zhí)行元件，主要包括基礎刀柄、感應部分、探針、測量球、電池和LED狀態(tài)顯示幾個部分（見圖1）。基礎刀柄根據機床主軸型號來選配，常用型號有BT50、BT40、JT50、JT40、HSK100A及HSK63等；測頭感應部分（見圖２）涵蓋傳感器、信號傳輸等；探針材料一般為陶瓷、碳化鎢和不銹鋼三類，陶瓷探針硬度高，易折斷，碳化鎢探針具有一定彈性，不銹鋼探針強度較高，常用探針長度為50mm、100mm；測量球一般為紅寶石球，常用球徑包括6mm、4mm、2mm（本文以50mm長、球頭6mm球徑的M4陶瓷探針為例）。圖1測頭構造示意1—信號傳輸窗口２—M4測桿3—電池安裝盒４—刀柄a）感應片位置b）原理圖2測頭感應部分示意測頭移動過程中，當測量球碰到被測表面后，探針與主軸呈一定角度，感應片得到信號，反饋到數控系統(tǒng)，數控系統(tǒng)記錄當前數值，測頭向反方向后退，進行下一個動作。（2）信號接收器信號接收器是測頭測量信息反饋到數控系統(tǒng)的中間介質，測頭接觸到被測表面時，接收器接收關于測頭的各類信息，將以電信號的方式傳遞到數控系統(tǒng)。接收器安裝于機床內，共有3～8根信號線與機床I/O連接，分別用于接收器供電、觸發(fā)信號、開啟信號和電池報警等，可根據需求選裝，但必須涵蓋供電、觸發(fā)信號線纜。3.2軟件組成軟件組成包括數控系統(tǒng)軟件、測量程序及計算補償程序。數控系統(tǒng)軟件用作數據運算、處理和判斷。測量程序用于指定測頭各個動作，包括測量位置、測量速度、測量方式等，以及對測量結果進行特定記錄、賦值。計算補償程序用于對測量結果數據進行處理，得出補償程序所需數值，并對加工程序、刀具信息進行修正，而后進行精加工。其中華中HNC848D型數控系統(tǒng)，除具備一般數控系統(tǒng)功能外，還具備復雜輪廓計算、大型運算處理功能，可對大量數據進行宏運算，具備加減乘除三角函數混合運算邏輯功能，可快速處理各種數據，并實時反饋到執(zhí)行部件，進行相應動作。3.3工作原理在機測量工作流程如圖3所示。測頭接觸到被測表面后，接收器接收到相關信號，接收器以電信號的方式傳輸到系統(tǒng)I/O，然后通過總線到達數控系統(tǒng)，數控系統(tǒng)執(zhí)行在機測量程序，通過復雜運算，判斷出機床下一步動作，將信號傳遞到伺服驅動機構，控制機床主軸與工作臺進行相應動作。圖3在機測量工作流程4

在機測量試驗驗證及其應用4.1環(huán)境及設備在機測量實施環(huán)境的溫度無具體要求，但溫差會影響設備本身精度，而設備本身精度是決定在機測量精度的主要因素之一，因此環(huán)境溫差盡可能小一些，一般應控制在15～26℃。環(huán)境空氣中的雜質附著在測量球表面會影響測量精度，盡管在機測量系統(tǒng)帶有高壓空氣清潔功能，但測頭長時間不用后，空氣中的雜質會粘附在測量球表面，高壓空氣無法清潔干凈，因此測量環(huán)境也應盡量保證干凈。在機測量系統(tǒng)一般為具有成熟數控系統(tǒng)的機床，設備本身的定位精度、重復定位精度與測量結果密不可分，因此在測量前應校正設備本身誤差。4.2在機測量試驗準備（1）模型創(chuàng)建為了保證測量結果的準確性，首先在UG中構建RMP60紅寶石測頭模型，如圖4所示，測頭探針選用50mm長、M4陶瓷探針，紅寶石探頭選用6mm球徑。圖4模型創(chuàng)建示意加工特征簡化如圖5所示，該零件臺階孔直徑為2處24mm與4處29mm，孔距500±0.012mm。由于焊接變形，6處臺階孔的位置與理論存在一定偏差，臺階孔深度與直徑大小無法一次加工滿足要求，加工前需對臺階孔位置進行檢測，計算出實際位置與理論位置的差值，提前對臺階孔程序進行補償，一次性加工到位。圖5加工特征簡化（２）在機測量程序編制在機測量程序編制重要三步，分別是測量、運算、補償程序（見圖6）。測量是得出零件實際情況的主要手段，運算是將測量數據轉化為補償量的重要一步，補償是將補償量自動輸入到加工程序中，使得數控機床按照補償后的狀態(tài)進行加工。其中測量程序將深度方向每次的測量結果都自動輸入到#632中，#632可在系統(tǒng)宏變量中的用戶宏列表中看到，每測量一處，通過賦值方式將測量結果賦值于可用戶自定義的變量，此處指#50000～#50100。測量結束后，將每個孔位兩個測量點結果取算術平均值，再減去理論高度，即可得出補償量，操作者可根據運算結果，提前判斷零件變形情況，更好地控制加工程序，避免出現進刀過多等情況。不同數控系統(tǒng)自動補償指令有所區(qū)別，華中HNC848D數控系統(tǒng)平移指令為G52X/Y/Z，X/Y/Z后面的值為對應坐標軸偏移值，此處6處臺階孔偏移值為#1～#6。a）測量程序

b）運算程序

c）補償程序圖6測量程序、運算程序與補償程序4.3補償效果為了保證零件加工質量，測量補償過程按如下順序進行。（1）測頭精度校準調取刀庫中的測頭，采用百分表和標準試塊對測頭進行調試，確保測量精度，如圖7所示。a）百分表測量

b）標準試塊調試圖7測頭精度校準過程示意（2）測量零點數據選定基準點作為測量標定，記錄基準數值和每個實測點差值，針對一種零件的一類特征，僅需建立一次基準數據。（3）在機測量并建立補償數據庫測量不同點位外形的變形程度，與基準數據進行對比，得到在機測量實測數據，并賦值在宏變量中，實現零件在機測量數據的留存。零件臺階孔實測數據見表1，其中實測誤差值計算方法為|（az0－az0'）－（ax－ax'）|，其中az0表示該組數據零件手動零點測量實測值，az0'表示該組數據零件零點自動測量實測值，ax為不同測量點對應手動測量實測值，ax'為不同測量點對應自動測量實測值。表1零件臺階孔實測數據（單位：mm）從表1中可以看出3次測量的最大誤差為2號臺階孔中的點3，誤差值0.170mm，最小誤差為3號臺階孔中第一個點，誤差至0.011mm。75%的測試點誤差＜0.100mm，91.67%的測量點誤差＜0.150mm。根據以上結果對零件進行補償，臺階孔加工一次性滿足深度要求，檢驗指標為沉頭孔安裝螺釘后釘頭低于零件表面0～0.1mm，檢驗結果為產品合格率100%，臺階孔工步效率提升一倍，降低了人為操作風險。5

結束語通過在國產數控系統(tǒng)環(huán)境下在機測量的實施與應用，包括測量程序、運算程序和補償程序，驗證了國產華中HNC848D數控系統(tǒng)的