基于在機測量系統(tǒng)的焊接結構件加工補償技術應用

焊接結構件是工程機械的關鍵組成部分，是決定整機使用性能的重要因素，該類工件加工余量不均勻，且不同型號產品的結構尺寸差異大，工件找正和坐標原點確定等輔助加工時間較長。在數(shù)控加工中心上，利用雷尼紹RMP60在機測量系統(tǒng)對焊接結構件待加工部位進行測量，通過對測量值的分析、計算和反饋，實現(xiàn)工件余量的自動判斷、補償及賦值，相對于傳統(tǒng)加工方法，該方法可有效提升工件坐標原點的找正效率，提升產品的加工一致性。1

序言隨著國家基礎設施建設的迅速發(fā)展，工程機械需求量日益增加，為滿足市場需求，各生產制造廠家都在不斷擴充產能，其中焊接結構件的加工是生產制造流程的關鍵環(huán)節(jié)。雖然數(shù)控加工設備已經普及，加工時按照程序直接執(zhí)行，很少或者不用操作人員干涉加工過程，大大縮短了加工時間，提高了生產效率，但工件找正和坐標原點確定等輔助加工時間并未縮短，如何快速確定工件坐標原點，有效縮短加工輔助時間就成了提高加工效率的需求之一[1]。焊接結構件大多為異形空間型結構，并且工件加工部位相關尺寸較多，目前在工件坐標原點確定時，多采用試切尋位并由人工計算賦值的方式，即對每一個加工部位都進行試切、工件尺寸測量、計算和輸入補償值等操作，此方法對操作人員技能水平要求高，且每次更換工件均需反復上述操作，因此，坐標原點確定是占用數(shù)控機床輔助時間最長的操作之一。同時，人工試切帶來的隨機誤差大、安全性差且占用機時較多，影響數(shù)控機床的利用率。因此，為提升數(shù)控機床的加工效率，充分發(fā)揮數(shù)控機床的功能，有效縮短輔助加工時間，在機測量系統(tǒng)的應用便顯示出極大的優(yōu)勢。2

工程機械焊接結構件常用的坐標原點確定方式目前工程機械行業(yè)大型焊接結構件坐標原點確定的方式主要有試切法、百分表、尋邊器及機床在機測量4種[2]，具體操作方法如下。2.1試切法試切法是機床采用刀具旋轉的方式進行對刀尋位，切出痕跡，以確定坐標原點位置，并判斷是否有合理的加工余量，此法通過試切工件來實現(xiàn)，通常平面使用銑刀或鉆頭試切，孔使用鏜刀進行試切。此法采用“試切→測量→調整（補償）”的尋位模式，故占用機床時間較多，找正效率低，但操作方法簡單，無需特殊輔助對刀設備，是目前最常用的測量尋位方法。2.2百分表百分表尋位是機床利用百分表尋找工件加工原點的一種測量方式，將百分表的磁力表座吸附在機床主軸端面上，通過調整百分表使表頭與被測表面垂直，可測量被加工表面的高度坐標值以及內孔圓心的中心坐標值。此方法測量精度高，適用于加工精度要求高的工件測量，缺點是測量效率較低。2.3尋邊器目前常用的光電式尋邊器，可用于尋找工件的中心或邊部的坐標值。其原理是利用光電原理及工件的導電性能，當尋邊器接觸到工件邊緣時，形成閉合回路，紅色指示燈亮，記錄此位置機床的坐標值，再用尋邊器接觸工件的其他點位，通過計算不同點位的坐標差值確定工件的中心坐標值[3]。此方法找正或測量工件時，機床主軸不旋轉，安全性高，且不會損傷工件表面，同時找正和測量的精度也較高，但是需要人工控制并記錄坐標值。2.4機床在機測量在機測量是在機床上安裝自動檢測裝置，數(shù)控機床通過執(zhí)行檢測程序，可自動測量出工件加工位置的一種測量方式。目前工程機械行業(yè)通常采用接觸式工件測量裝置，按信號的傳輸方式又可分為光電式和無線電式兩種，其中光電式測量系統(tǒng)常用于行程較小的中小型機床，并需保證測頭與接收器之間的光信號傳輸無遮擋；無線電式測量系統(tǒng)適用于大型加工中心，允許測頭與接收器之間有遮擋物，具有信號傳輸強和超程大的特點。在機測量系統(tǒng)檢測完成后，數(shù)控系統(tǒng)自動將測得的坐標值賦值到相應工步的加工坐標中，作為工件加工的坐標原點及起始加工坐標。此方法可實現(xiàn)連續(xù)數(shù)控加工，尋位效率及找正精度高，并可實現(xiàn)工件坐標原點及加工余量的自動補償，尋位過程無需人工干預，特別適合自動化加工的應用場合。隨著數(shù)控加工技術的不斷發(fā)展，基于在機測量系統(tǒng)的優(yōu)勢，在機測量系統(tǒng)的應用已成為一種趨勢。利用安裝在加工中心上的探頭，可對工件的表面、內孔等特征進行自動測量，并將檢測數(shù)值自動反饋至數(shù)控系統(tǒng)中，可自動、實時、快速檢測工件坐標加工位置，并補償至數(shù)控系統(tǒng)中，更新坐標原點。3

雷尼紹RMP60在機測量系統(tǒng)應用3.1雷尼紹RMP60在機測量系統(tǒng)結構及工作原理雷尼紹RMP60測量系統(tǒng)是一種常用的無線電傳輸方式測量系統(tǒng)，由發(fā)射器（RMP60探頭）、接收器（RMI-Q）以及對應的測量軟件組成[4]。其中RMP60為緊湊型3D觸發(fā)式檢測探頭，帶有無線電傳輸功能，與RMI-Q接收器配對使用，并將其測量脈沖接入數(shù)控加工中心CNC的接口，使檢測系統(tǒng)與數(shù)控機床融為一體，其組成如圖1所示。RMP60探頭通過刀柄安裝到機床的主軸上，通過機床主軸旋轉（一般500r/min左右）或者代碼控制（L9832）的方式進行探頭的開啟，探頭開啟后，執(zhí)行相應的檢測程序進行工件各位置的檢測，檢測后系統(tǒng)將測得的各個位置的合格坐標值自動補償?shù)较鄳げ降募庸ぷ鴺讼抵校鳛榧庸さ淖鴺嗽c。圖1RMP60測量系統(tǒng)組成示意3.2雷尼紹RMP60在機測量系統(tǒng)應用實例工程機械某結構件如圖2所示，其鉆銑加工工序設備為龍門加工中心，數(shù)控系統(tǒng)為西門子840D，主要加工內容為大座圈銑面、鉆孔，小座圈鏜孔、銑面及鉆孔，因此加工前需要確定大小座圈沿機床X向、Y向的中心坐標（需嚴格保證兩者之間的中心距），以及大小座圈平面沿機床Z方向的坐標值和加工余量?？刹捎美啄峤BRMP60測量系統(tǒng)對此類工件進行檢測，并進行坐標賦值。圖2某結構件示意3.3具體檢測過程（1）大座圈檢測該結構件焊接后，大座圈呈波浪形不規(guī)則變形，為精確測量其平面和中心坐標，大座圈平面測量8個點位，分別為每45°測量一個點（圖3中的第①、③、④、⑥、⑦、⑨、⑩和?點），將各點的Z坐標偏差值分別對比，得出8個點位的最高點和最低點，并據(jù)此判斷出大座圈的加工余量，以及大座圈平面的加工起始坐標；大座圈內側測量4個點位，分別為每90°測量一個點（圖3中的第②、⑤、⑧和?點），得出點②和點⑧的中點坐標，以及點⑤和點?的中點坐標，分別作為大座圈在機床X向、Y向的中心坐標。（2）小座圈檢測小座圈呈翹曲變形，為得到其具體變形量，小座圈平面測量2個點位，分別為圖3中的點?和點?，得出高點和低點值，判斷出小座圈反面的加工余量，以及小座圈平面的加工起始坐標。由于小座圈內孔為氣割成形，形狀較規(guī)則，因此小座圈內孔采用雷尼紹L9814內孔測量循環(huán)，即可得出其中心坐標值。圖3結構件檢測點位示意3.4測量過程程序（1）初始坐標設定在檢測前，需要設定探頭測量的初始坐標值，一般給每種不同型號的產品都賦予一個初始坐標值，作為檢測程序的初始坐標。初始坐標值與工件實際坐標值可以有一定的誤差，一般系統(tǒng)默認Z向誤差4mm，X向、Y向誤差10mm，測量時也可通過調整測頭的越程距離（參數(shù)R17）來設定。以下為示例工件的測量初始坐標調用程序。MSG("(尋位賦值）")N2T1N3M6;換1號刀，調用探頭N4G0G90G523X-477.8Y586;將初始坐標存在G523坐標系中，檢測時調用N5Z0N6R62=$AA_IM[X]N7R63=$AA_IM[Y]N8R64=$AA_IM[Z]N9$P_UIFR[1,X,TR]=R62N10$P_UIFR[1,Y,TR]=R63N11$P_UIFR[1,Z,TR]=R64；將G523初始坐標賦值到G54坐標中，作為檢測的初始值N12G54G0X0Y0N13Z50N14L9148;調用檢測程序（2）探頭開啟根據(jù)RMP60的使用特點，探頭的開啟有3種方式，分別為旋轉開啟、無線電開啟和刀柄開關開啟。本工件的測量采用旋轉開啟的方式，即將測頭與刀柄連接后，裝于主軸上，以要求的主軸轉速開啟探頭，以下為探頭開啟程序。M3S500;主軸旋轉500r/min，開啟探頭G4F2.0M5（3）大小座圈平面測量大座圈平面測量：根據(jù)編制的檢測程序，對大座圈平面的8個點位進行測量（圖3中的第①、③、④、⑥、⑦、⑨、⑩和?點），得出最高點和最低點，判斷出大座圈的加工余量，并將最高點賦值給大座圈平面的加工起始坐標。以下為大座圈的平面測量、判斷及賦值程序。;P1;Z1MEAS;第①點測量R24=590.0R25=0R9=3500;快速移動到第①點X向、Y向位置L9810STOPRER26=RENL[4]R9=3500;測頭定位移動的Z向目標位置L9810STOPRER26=0.0R17=10L9811;單個平面測量循環(huán)R[RENL[3]+0]=RENC[42];初始化R70為第1個位置的Z偏差值R[RENL[3]+1]=RENC[42];將第①點測量Z偏差值保存在R71變量中IFR[RENL[3]+0]>RENC[42]GOTOFLN101;將R70和第1個測量偏差值比較，取大值……$P_UIFR[1,Z,TR]=$P_UIFR[5,Z,TR]+R[RENL[3]+0];將R70的值賦值更新到G54的Z坐標值大座圈其余各點平面測量方法與第①點測量方法相同，系統(tǒng)自動判斷出座圈的最高點，保存到R70中，并更新G54的Z坐標值。小座圈平面測量：小座圈平面的2個點位（圖3中的第?和?點）的測量及賦值方法也相同，可自動得出高點和低點，判斷出是否有加工余量，并賦值給小座圈的加工起始坐標。（4）大小座圈中心測量大座圈中心測量：對大座圈內側的4個點位進行測量（圖3中的第②、⑤、⑧和?點），得出點②和點⑧的中點坐標，以及點⑤和點?的中點坐標，分別作為大座圈在機床X向、Y向的中心坐標。以下為大座圈的中心坐標測量程序。;P2;X+MEAS;第②點測量R24=540.0R25=0R9=3500;快速移動到X向、Y向初始位置L9810STOPRER26=-6.0R9=1500L9810STOPRER24=552.0;X向目標位置L9811;側面測量R[RENL[3]+11]=RENC[40];測量結果保存在R81變量中……R[RENL[3]+15]=(R[RENL[3]+11]+R[RENL[3]+13])/2R[RENL[3]+16]=(R[RENL[3]+12]+R[RENL[3]+14])/2其余3點測量方法與第③點測量方法相同，分別得出4個點的X向、Y向坐標值，將測量結果保存在變量R81～R84中，X向取平均值R85，Y向取平均值R86，分別賦值更新至大座圈G54的X中心坐標、Y中心坐標。小座圈中心測量：小座圈內孔采用雷尼紹L9814內孔測量循環(huán)，測量程序如下。R24=477.8R25=-586R9=3500;快速移動到檢測初始位置L9810STOPRER26=-35.0R9=3500L9810STOPRER7=250.0;測量孔的直徑L9814;測孔循環(huán)R[RENL[3]+17]=RENC[40];測量結果X保存在R87變量中R[RENL[3]+18]=RENC[41];測量結果Y保存在R88變量中（5）合格判定因工件大小座圈之間的關聯(lián)尺寸要求嚴格控制，同時為保證大小座圈外側止口的均勻度，故需進行合格判定，判定程序如下。IFABS(R[RENL[3]+17]-R[RENL[3]+15])>5.0GOTOFLN998;判斷X向差值IFABS(R[RENL[3]+18]-R[RENL[3]+16])>5.0GOTOFLN997;判斷Y向差值LN998:D0M3S500G4F2.0M5G0Z100MSG"XOUTOFTOL";X向差值報警LN997:D0M3S500G4F2.0M5G0Z100MSG"YOUTOFTOL";Y向差值報警3.5測量程序驗證利用雷尼紹RMP60在機測量系統(tǒng)，將上述檢測程序在現(xiàn)場進行驗證，并在不同產品的持續(xù)驗證中進行程序的優(yōu)化。經驗證，RMP60在機測量系統(tǒng)在焊接結構件的測量中效果良好，可自動檢測出工件各加工部位的位置及余量，并補償至數(shù)控系統(tǒng)中，更新坐標原點，如