數控加工中自動找正和在線測量技術的應用

付敏

摘要： 在傳統的生產加工方案中，批量零件的生產過程中存在連續裝夾、校正和精確定位、CNC刀片損壞、檢查和離線檢查等問題，效率低，矯正偏差大，生產加工一致性差，存在一定的人為因素安全隱患。針對以上問題，本文結合實際零件，根據機床設備系統軟件的特點，開發設計了數控車床的計算機操作系統，并利用宏程序和測頭完成產品工件的自動測量和自動生產加工，從而降低員工勞動強度，提高生產加工的高效率，提高零件加工質量，為批量零件的生產加工提供了合理的途徑和參考。

Abstract： In the traditional production and processing plan， there are some problems in the production process of batch parts， such as continuous clamping， calibration and precise positioning， CNC blade damage， inspection and

0? 引言

在中國，優秀的智能生產技術受到各個領域的高度重視，尤其是航空航天企業、航空公司及其汽車工業企業，以機械作業為主，正逐步向智能生產裝備和生產邁進。流水線已成為企業重組和提高制造能力的一種方式。卓越智能制造系統生產線緊緊圍繞零部件生產加工制造主題活動，將加工工藝的設計開發、生產加工、產品質量操控等緊密聯系起來，完成產品質量的轉移、實時產品生產加工信息內容和資源共享。隨著數控加工中心等大中型數控機械的廣泛應用，制造的柔性生產得到進一步提高。隨著大中型、復雜、高精度零件的加工不斷增加，這顯然對數控車床加工提出了更高的挑戰。

1? 制造零件

在傳統制造中，特別是小批量生產的零件，其加工方式是在一個產品生產加工完成后，下一個零件的生產加工必須以專門的定位工裝或者重新找正精確定位為基礎。加工坐標的起點，在車銑加工的整個過程中必須不停地停機，然后員工檢查生產加工的零件的規格，并與最終規格進行比較，并計算必要的數控刀片補償量，并繼續手動設定補償值，直至產品規格達到設計方案的尺寸公差，大大增加了生產加工時間。同時，由于數控刀片在生產過程中損壞，很容易造成重要規格不可用，導致生產效率低下，質量可預測性差，時間消耗尤為明顯，不能滿足生產和智能生產模式下的加工要求?？紤]到上述生產加工中存在的不足，將數控車床加工技術與自動測量技術充分結合，按照自動化技術的檢驗方法，達到減少人為因素的實際操作。結合實際零件，根據機床和設備系統軟件的特點，開發設計數控車床計算機操作系統，利用宏程序和測頭完成產品零件的自動對中、在線監測和自動補償生產加工。能很好地處理產品工件裝夾精度，提高零件裝夾對準速度，減少精確測量時間，進而大大降低操作人員的操作難度，完成小批量生產，快速自動化工藝生產加工復雜零件，提高公司生產率，降低產品成本，同時保證生產加工的零件具有較高的質量和規格精度，為批量零件的生產加工提供了合理的途徑和參考。

2? 工作原理

2.1 自動找正設置坐標系

原來的對中方法是將產品工件放在十字滑臺上，油脂數據透析臺對中產品工件的一側，將產品工件對正整平，然后根據對刀儀設定坐標起點。對中方法耗時長，對中偏差大，生產率低，工作人員勞動強度高。自動對中的原理是將產品工件和夾具隨意放置在十字滑臺上，數控測頭對夾具和零件上的加工基準面上進行自動測控，根據測頭精確測量的A、B兩點，自動測控系統軟件可自動測量出產品工件AB面與X軸的交角，并根據精確測量得到動態信息數據?？芍貥嬌a加工平面坐標，進而自動調整平面坐標，達到“對位”產品工件的目的。產品工件設置好后，根據測頭自動測控系統的A、C、D點坐標，得到X、Y、Z軸的起點。這種接入方式消除了標準傳輸造成的生產加工偏差。自動對位提高了產品生產加工的質量。

2.2 自動對中坐標系模塊

全自動平面坐標控制模塊：第一，兩條直邊加一條為平面坐標;第二，平面坐標二孔加一;第三，平面坐標一孔加一;第四，對稱中心加一為平面坐標平面坐標。零件全自動對中后，執行生產加工平面坐標設置程序流程。CNC車床根據測頭對零件進行精密測量，完成生產加工平面坐標G54的全自動設定。根據精確的測量程序啟用零件的自動對中和起點的設置，大大提高了生產制造步驟的自動化技術水平，減少了生產現場的管理時間，降低了員工的勞動強度，并且避免了操作員每次都進行搜索的需要找正時的偏差，提高了零件加工的一致性和穩定性。

2.3 在線加工自動測量補償

目前商品的深加工往往選擇提刀預埋生產加工邊角料，人工準確測量規格，手動調整CNC刀片或平面坐標以補償生產加工規格。這不僅切斷了生產加工步驟，危及工藝流程的定量分析，而且更容易造成誤操作，導致產品質量問題。針對這種開發設計，自動測量補償生產加工技術，根據機器內頭完成產品的起點設置和精確測量，同時將精確的測量數據信息與產品進行比對測量值，并按照交互方式將數據信息讀取到數控車床的自變量中，利用采集到的數據驅動數控機床程序流程完成全自動補償生產過程，防止人工控制造成誤生產和加工，合理提高數控車床的響應補償生產能力。當探頭準確測量零件的特性時，檢測系統會輸出特定的準確測量值。采集系統滿足要求后，將數據信息存儲在一個臨時的二維自變量數組中，并恢復到原來的狀態，為準時接受下一次準確的測量數據信息做好提前準備;在整個采集過程中，如果準確的測量數據信息不符合檢測范圍，且用于臨時記錄數據信息的二維數組自變量中有數據信息，則機器內頭完成產品的準確測量，收集并計算數據信息，利用計算出的數據驅動數控車床升級數控刀片數據信息，在線測量關鍵分為產品零件的精確測量、生產中的零件規格操縱、生產后的零件和加工完成后零件尺寸檢查。工件位置的精確測量是在產品工件準確定位裝夾后，使用測頭準確測量產品工件位置，可以補償夾具在產品工件精確定位中的偏差，提高精度批量生產部分的水平。在數控車床加工的全過程中，通過探頭準確測量和監督重要規格的生產加工是否符合標準公差要求，實時監控系統產品質量，完善生產過程質量管理，提高產品質量。商品生產加工的加工精度。零件加工完成后，對生產加工部位進行尺寸檢查，區分規格是否符合要求，進一步提高生產加工的可靠性。

3? 在線測量的應用

3.1 在線測量

在線測量，簡單來說就是在同一臺機器和設備上進行生產加工和精確測量的一種測量方法。例如，在安裝了測頭系統的加工中心上，一次裝卡即可生產并精確測量產品工件，節約成本，降低精確測量成本，防止二次裝夾偏差?？山档筒缓细衤?，盡早發現廢品，防止生產加工消耗。尤其是在各種大小不一的生產標準下，自動化測量的優勢體現在生產加工、檢驗、偏差補償一體化，完成生產加工前后高精度的自動測量，避免由于多次裝夾造成的跑偏，大大減少輔助時間，保證數控車床的運行狀態和加工精度，降低故障率。

3.2 測量過程

精確測量的全過程是在數控車床上選擇探頭進行精確測量時，先將探頭安裝在數控車床的主軸軸承上，然后工作人員手動操作機床移動，使測頭測針的前端接觸到工件表面，數控車床的數控機床實時記錄并指示主軸軸承的平面坐標。進一步地，可以將觸針的斷路器與產品工件的具體地址相關聯，利用車床主軸的平面坐標可以計算出產品工件被測點的相關平面坐標。得到產品工件各測點的相關平面坐標后，再根據各坐標點的幾何位置關系進行相關計算，即可得到最終的精確測量結果。

3.3 測量結果誤差

在所有的精密測量中，由于諸多元素的影響，得到的精密測量值總會存在偏差。為了使結果接近于真實值，必須對準確的測量結果進行補償。因此，準確測量的整個過程中準確度測量精度的偏差是從具體的分析和考慮中得出的。因此，數控車床生產過程中的偏差，在整個精確測量的過程中也會損害測量的準確性。造成數控車床自動測量數據誤差的關鍵包括測頭系統的偏差、數控車床配合運動部件精確定位的偏差、不科學的精確測量方法造成的偏差。測頭系統的偏差分為測頭靜態數據的偏差和測頭動態數據的偏差以及測頭在數控車床上的安裝偏差等。測頭靜態數據偏差包括過流保護偏差和測頭重復精度定位偏差，隨測桿長度的變化而變化，彎曲剛度和接觸應力。過流保護偏差是指探頭接觸產品工件后測量桿的彎曲變形。探頭的重復精度定位偏差與過流保護的偏差相比較小，因此探頭的靜態數據偏差主要由過流保護的偏差決定。測頭動態偏差的關鍵與測頭檢測時的接觸率和數控機床的取樣距離有關。測頭按數控車床配套設施的夾頭安裝在車床主軸上。由于測頭中心線與主軸軸承中心線不完全對齊，導致測頭安裝存在偏差，造成多方位精確測量中的數據誤差。測頭與主軸軸承的安裝偏差可在精確測量前根據測頭軸力校準進行部分補償。

由于數控車床零件的制造、安裝偏差，伺服控制系統的跟蹤誤差及其間隙、摩擦等因素，數控車床各部件在進行測量時，會造成準確定位偏差。另外，測頭的半翹曲偏差也是一個關鍵的偏差來源，可以根據數據處理方法中測頭的半翹曲補償來去除。但是在具體的精密測量中，情況比較復雜，探頭的半翹曲偏差會引入精密測量結果。這種偏差在隨機斜面精確測量的整個過程中更為明顯。針對精確測量全過程中存在的諸多偏差，高效、高精度的偏差補償優化算法是有待解決的重要問題。在特定的應用中，可以通過多次精確測量和偏差補償來減少數據誤差，提高測量精度。在線監測系統利用探頭與被測物體的碰撞來澄清點接觸的位置信息。

4? 結論

由測頭系統軟件和數控車床組成的數控加工中心自動測量技術，可減少生產輔助時間，提高生產效率。同時也減少了離線數據錯誤導致的不合格率，充分利用數控車床的特點。保證加工精度，提高數控車床的生產能力，提高數控加工中心的使用水平，在線測量技術將得到越來越廣泛的應用。

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