自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于車(chē)輪數(shù)控加工

1

序言車(chē)輪數(shù)控加工中的工件裝夾定位精度、尺寸測(cè)量精度和切削加工精度是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，在加工過(guò)程中如何保證這些重要精度，檢測(cè)技術(shù)是關(guān)鍵。目前，數(shù)控加工正朝著無(wú)人化、自動(dòng)化方向發(fā)展，這就要求數(shù)控設(shè)備具有較高的加工精度。常用的車(chē)輪檢測(cè)技術(shù)是將加工完成的車(chē)輪在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行檢測(cè)，既耗費(fèi)時(shí)間，又增加了生產(chǎn)成本。而采用自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，不僅能夠節(jié)約成本，還能有效地提高生產(chǎn)效率。我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組和城軌地鐵車(chē)輪數(shù)控加工正在向自動(dòng)化邁進(jìn)，自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用起到了關(guān)鍵促進(jìn)作用。2

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理自動(dòng)檢測(cè)也稱為在線檢測(cè)，是在數(shù)控加工過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)，并依據(jù)檢測(cè)結(jié)果做出相對(duì)應(yīng)的處理的一種檢測(cè)方式。自動(dòng)檢測(cè)是一種基于數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)控制的檢測(cè)技術(shù)，其檢測(cè)路徑由數(shù)控程序來(lái)控制。自動(dòng)檢測(cè)的主要組成部件是工件測(cè)頭，當(dāng)需要檢測(cè)時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)就會(huì)從刀庫(kù)里調(diào)出測(cè)頭裝入主軸按測(cè)量循環(huán)路徑進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)一步完成對(duì)工件的切削。數(shù)控加工自動(dòng)檢測(cè)在加工具有復(fù)雜空間曲面的產(chǎn)品方面有著明顯優(yōu)勢(shì)。數(shù)控機(jī)床自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在自動(dòng)檢測(cè)和加工兩個(gè)過(guò)程的緊密結(jié)合，是最為理想的檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用之一。同時(shí)，該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)零部件進(jìn)行了高精度、高效率的加工。在對(duì)更為復(fù)雜的零部件的檢測(cè)工作中，自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)同樣有出色表現(xiàn)，其能夠有效減少零部件的裝夾次數(shù)，減少零部件生產(chǎn)工藝強(qiáng)度，縮短制作周期，使零部件生產(chǎn)制造成本大大降低。數(shù)控加工自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)一般由數(shù)控機(jī)床、PC機(jī)和測(cè)頭三大部分組成。數(shù)控機(jī)床完成加工和檢測(cè)的集成，即把測(cè)頭和刀具同時(shí)安裝在刀庫(kù)中，統(tǒng)一編號(hào)，通過(guò)程序隨時(shí)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，使數(shù)控機(jī)床既是加工設(shè)備，又兼?zhèn)錅y(cè)量機(jī)的某些功能。實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)檢測(cè)時(shí)，利用數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量循環(huán)指令，編輯測(cè)量路徑和標(biāo)準(zhǔn)，使測(cè)頭按程序規(guī)定路徑運(yùn)動(dòng)，當(dāng)測(cè)球接觸工件時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)測(cè)頭與數(shù)控系統(tǒng)的專用接囗將觸發(fā)信號(hào)傳到轉(zhuǎn)換器，并將觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換后傳給機(jī)床的控制系統(tǒng)，該點(diǎn)的坐標(biāo)被記錄下來(lái)。信號(hào)被接收后，機(jī)床停止運(yùn)動(dòng)，測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)通過(guò)通信接口傳回計(jì)算機(jī)，然后進(jìn)行下一個(gè)測(cè)量動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)加工工件的完整測(cè)量。3

車(chē)輪加工裝夾定位精度檢測(cè)裝夾定位精度是保證車(chē)輪加工質(zhì)量的前提。在車(chē)輪采用自定心卡盤(pán)裝夾后，確定其裝夾定位精度是否合格，通常采用的是磁力百分表檢測(cè)，這種檢測(cè)方式往往會(huì)造成加工中斷，制約加工效率的提升，而在采用自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)后，裝夾精度檢測(cè)如圖1所示，只需使用圓周檢測(cè)工件測(cè)頭對(duì)車(chē)輪外圓每120°取一個(gè)點(diǎn)，對(duì)圓周方向均勻分布的3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差對(duì)比，如超過(guò)設(shè)定尺寸，測(cè)量程序會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償偏差到設(shè)備工作臺(tái)數(shù)據(jù)補(bǔ)償中，對(duì)工作臺(tái)偏差進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)車(chē)輪定位裝夾的自動(dòng)檢測(cè)及補(bǔ)償。同時(shí)，車(chē)輪高度方向的定位精度可采用高度測(cè)頭對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)方式和外圓檢測(cè)方式一致，只是采用了不同的測(cè)量循環(huán)程序。此測(cè)量過(guò)程還可實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輪加工后踏面尺寸的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果都會(huì)在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)列表中體現(xiàn)。圖1裝夾精度檢測(cè)4

刀具尺寸的自動(dòng)檢測(cè)刀具尺寸的自動(dòng)檢測(cè)其實(shí)就是對(duì)刀。數(shù)控加工采用的對(duì)刀方式一般為3種：試切對(duì)刀法、光學(xué)檢測(cè)對(duì)刀儀對(duì)刀法和機(jī)械檢測(cè)對(duì)刀儀對(duì)刀法。這3種對(duì)刀方法的對(duì)刀效率相對(duì)比較低，都需要人工操作來(lái)完成對(duì)刀。而自動(dòng)對(duì)刀法則是為車(chē)輪加工設(shè)備安裝了對(duì)刀測(cè)頭，編輯對(duì)刀程序，對(duì)刀前只需一把基準(zhǔn)刀來(lái)校準(zhǔn)對(duì)刀測(cè)頭，其他刀具觸碰校準(zhǔn)好的測(cè)頭來(lái)完成對(duì)刀。自動(dòng)對(duì)刀法的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，每把刀的基準(zhǔn)相同，誤差低，甚至可以實(shí)現(xiàn)零誤差，在車(chē)輪加工過(guò)程中，如需兩把或兩把以上刀具接刀完成的工序，可有效避免接刀痕的產(chǎn)生。對(duì)刀效率高，每把刀具的對(duì)刀時(shí)間可縮短80%左右，實(shí)現(xiàn)了車(chē)輪加工整體效率的提升。5

車(chē)輪加工工件坐標(biāo)系的自動(dòng)建立建立工件坐標(biāo)系的過(guò)程其實(shí)也是確定工件加工零點(diǎn)的過(guò)程，利用自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)也可以建立車(chē)輪加工的工件坐標(biāo)系。在車(chē)輪加工中，通常會(huì)把車(chē)輪的輪輞面確定為工件Z方向的零點(diǎn)，而車(chē)輪X方向的零點(diǎn)已經(jīng)在檢測(cè)外圓時(shí)確定，即車(chē)輪外圓的圓心。在采用自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)之前，需要每把刀具對(duì)輪輞進(jìn)行試切才能確定工件零點(diǎn)，由于車(chē)輪加工刀具眾多，使得建立坐標(biāo)系成了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。采用自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，工件坐標(biāo)系的建立如圖2所示，只需用工件測(cè)頭測(cè)出輪輞高度尺寸，再利用加工程序調(diào)用測(cè)頭所測(cè)得的尺寸賦值的參數(shù)，補(bǔ)償?shù)紾54坐標(biāo)系中，就可以快速自動(dòng)建立車(chē)輪加工的工件坐標(biāo)系。圖2工件坐標(biāo)系的建立6

車(chē)輪加工過(guò)程中關(guān)鍵尺寸的測(cè)量補(bǔ)償利用自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輪關(guān)鍵尺寸的測(cè)量和補(bǔ)償。自動(dòng)測(cè)量循環(huán)自帶編程理論數(shù)值和測(cè)頭實(shí)測(cè)數(shù)值偏差比較及補(bǔ)償功能，如加工輪轂孔時(shí)，在采用自動(dòng)檢測(cè)方案之前，通常采用試切法人工測(cè)量，最后把測(cè)得的偏差人工輸入補(bǔ)償?shù)降堆a(bǔ)中，因內(nèi)徑千分尺自定心較差以及不能夠保持恒定的測(cè)量力，所以往往會(huì)造成測(cè)量尺寸與實(shí)際尺寸有較大的偏差，而且人工輸入刀補(bǔ)有輸錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)，容易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可以很好地解決上述問(wèn)題。車(chē)輪內(nèi)孔檢測(cè)如圖3所示，采用試切法測(cè)頭測(cè)量，保證測(cè)量精度在0.002mm之內(nèi)，偏差會(huì)自動(dòng)輸入刀補(bǔ)，完全杜絕了人工輸入輸錯(cuò)數(shù)值的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)，采用自動(dòng)測(cè)量可以有效提高測(cè)量效率，進(jìn)而提高整體加工效率，保證加工過(guò)程的連貫性，實(shí)現(xiàn)真正意義上的車(chē)輪自動(dòng)化加工。圖3車(chē)輪內(nèi)孔檢測(cè)7

人工難以測(cè)量和定位的工序加工車(chē)輪輻板孔、輪轂孔都有反向倒角，其加工位置位于裝夾面和車(chē)輪加工面的下方，操作人員正常是看不到的，同時(shí)也難以測(cè)量。因?yàn)槊總€(gè)車(chē)輪在加工過(guò)程中尺寸都是有差異的，反向倒角加工位置不是一個(gè)基準(zhǔn)位置，所以加工有難度，即使加工完成也無(wú)法觀察到倒角的加工情況，只能在整體加工完成后拆卸觀察。如果倒角加工出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，需二次加工，二次裝夾很難找正輻板孔的位置。該問(wèn)題一直是車(chē)輪加工的一個(gè)難點(diǎn)，如果對(duì)每個(gè)車(chē)輪的反向倒角位置尺寸進(jìn)行人工測(cè)量，加工效率會(huì)很低，加工質(zhì)量也得不到保障。而采用自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，車(chē)輪底部尺寸檢測(cè)如圖4所示，利用十字測(cè)頭進(jìn)入孔內(nèi)，深入輻板孔或輪轂孔的底部進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，可以精準(zhǔn)地測(cè)得反向倒角加工位置起始尺寸，利用加工程序，加工時(shí)調(diào)用變量賦值的尺寸參數(shù)，即可精確地對(duì)反向倒角進(jìn)行切削。圖4車(chē)輪底部尺寸檢測(cè)8

二次裝夾輻板孔角度及位置正確定位車(chē)輪在加工完成后可能存在缺陷，這時(shí)需要把車(chē)輪重新裝夾到機(jī)床上進(jìn)行二次加工，如果是車(chē)輪輻板孔存在缺陷，需二次加工，進(jìn)行二次裝夾時(shí)，輻板孔初始加工位置人工操作是無(wú)法在機(jī)床上找到的。因車(chē)輪拆卸后，輻板孔在機(jī)床上的相對(duì)位置發(fā)生了變化，而且輻板孔不是在機(jī)床的旋轉(zhuǎn)中心上，無(wú)法打表找正，所以無(wú)法對(duì)輻板孔進(jìn)行二次加工。針對(duì)這一問(wèn)題，自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)可提供很好的解決方案。定位銷(xiāo)孔位置找正如圖5所示，將探頭深入輻板孔中心，正方向移動(dòng)機(jī)床C軸，使測(cè)頭觸碰到輻板孔壁觸發(fā)信號(hào)，然后反方向做同樣的動(dòng)作，測(cè)得兩個(gè)角度尺寸，加工程序計(jì)算出兩個(gè)點(diǎn)的中心，即為此輻板孔的圓心，把該點(diǎn)設(shè)為輻板孔加工的起始點(diǎn)，即為C軸加工輻板孔時(shí)的零度位置，以此解決車(chē)輪加工時(shí)輻板孔二次裝夾定位找正的問(wèn)題。圖5定位銷(xiāo)孔位置找正9

結(jié)束語(yǔ)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，拓展了車(chē)輪加工的工藝范圍，人工不能檢測(cè)的幾何數(shù)據(jù)，自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)都可以高效地完成檢測(cè)，提高了車(chē)輪加工精度、加