刀具自動補償在泵配件機加生產線中的應用

廖 敏，公茂震，栗 強，程者軍，高云鵬

（中國航天科工集團 第二研究院706 所，北京 100854）

0 引 言

我國“十四五”智能制造發展規劃中明確指出：“智能制造是制造強國建設的主攻方向，其發展程度直接關乎我國制造業質量水平；發展智能制造對于鞏固實體經濟根基、建成現代產業體系、實現新型工業化具有重要作用?！睓C械加工不僅是我國國民經濟發展的基石，也是增強國家競爭力的基礎。發展機械加工對促進我國國民經濟發展和增強國家競爭力具有重要意義。順應我國“十四五”智能制造的發展潮流，提升機加行業的自動化、網絡化、數字化、智能化水平是企業數字化轉型的必經之路，也是增強企業核心競爭力的終極武器。

近年來，得益于我國裝備智能制造技術的迅猛發展和相關新技術的層出不窮，機加行業的智能制造水平不斷提升。然而，制約機加行業智能制造快速且高質量發展的突出矛盾和問題依然存在，機加自動線如何保證機加產品的合格率和一定的過程能力指數是一個較為突出的問題，同時也是制約柔性智能機加生產線廣泛應用的主要原因。

實踐經驗表明，刀具磨損是影響機加產品合格率的一個主要因素。刀具磨損是指刀具摩擦面上刀具材料逐漸損失的現象。在機械加工中，刀具磨損在不干預的情況下會導致被加工零件的尺寸發生改變，一般是欠加工，欠加工會導致零件尺寸變差，甚至是超差。當被加工工件的尺寸超差時，需要對刀具磨損進行補償。常見的刀具補償方式主要有兩種：刀具位置補償（也叫刀具偏移補償）和刀尖圓弧半徑補償。傳統的機械加工中，由操作工觀察切削狀態和零件加工情況，憑借經驗判斷刀具是否磨損。判定刀具磨損后，需要修改整個加工程序來消除刀具磨損帶來的加工誤差，提高加工質量，此操作會導致操作工人的工作量增加，極大地影響加工效率。傳統的刀具補償方法在自動機加生產線中不再適用，因此研究一種適用于自動機加生產線的刀具補償方法顯得尤為重要，既能夠保證產品質量和一致性，同時也能降低工人的工作量。

顏建等人[1]對基于在線檢測技術的批量裝夾加工精度控制進行了較為深入的研究，發現使用在線檢測方法能快速從檢測零件的結果反向推算獲得刀具磨損的具體變化值，然后根據刀具磨損值直接在機床的數控系統中修改刀具半徑補償值，進行補正加工，從而修正因刀具磨損帶來的加工誤差。該方法能夠實時監控特征尺寸質量和刀具磨損情況，及時調整刀具半徑補償值，對提高制造過程質量控制能力具有重要意義。但該方法的在線檢測方式采用機內檢測，檢測精度受限于機床的精度，實際使用時需經常檢驗機床導軌等部件的精度，以減少測量誤差，增加了工作量。此外，測頭在機床內使用，受機床內部惡劣加工環境的影響，需定期保養測頭，增加了維護保養的工作量。

張臣等人[2]以球頭刀具為研究對象，提出了一種球頭銑刀刀具磨損的度量方式，并進行建模分析；在此基礎上還提出了一種離線仿真誤差補償算法，并對球頭刀具磨損度量方式的合理性和所建立刀具磨損模型的正確性進行了試驗驗證；通過建立刀具磨損引起的加工誤差模型來仿真獲得加工走刀步的誤差，對于誤差超差的走刀步，通過預先修改數控加工程序的方式保證實際加工零件滿足精度要求。雖然該方法所建立的球頭銑刀刀具磨損模型和提出的離線誤差補償方法為刀具更換及零件加工精度的改善提供了一種有效的方法和工具，但實際實現起來相對比較復雜，需要更改NC 程序，不具備大規模工程應用的條件。

本文針對泵配件自動機加生產線提出了一種在線間接測量刀具磨損并自動補償的方法。刀具磨損最終反映在工件加工情況上，即工件尺寸位置偏差，檢測加工完成的工件尺寸即可間接獲取刀具磨損量。通過引入在線檢測設備，實時在線檢測精加工刀具的最終加工位置尺寸，與標準工件相應位置尺寸進行比較，根據一定的控制策略得出刀具補償值并寫入數控系統，實現刀具磨損的在線補償。編程方便，一次性編程實現并調試完成后，在實際生產期間無需反復編程修改，維護也十分方便，比較適合于大規模工程應用。

1 刀具補償原理

1.1 刀具磨損分析

在實際的金屬車削加工過程中，由于機械力、熱量、化學反應、研磨以及金屬硬度等因素的影響，刀片刀尖材料不斷損失，導致加工不到位，使得實際加工的刀具位置偏離設計的刀具位置，產生了加工誤差，在不干預的情況下嚴重時會導致尺寸超差。車刀刀具磨損主要發生在車刀的前刀面和后刀面。在前刀面上一般出現月牙洼磨損，在持續使用過程中，隨著月牙洼寬度的不斷擴大，切削刃的強度逐漸減弱，如不及時更換，最終會導致崩刃現象發生；發生在后刀面的磨損，由于車刀的后刀面與工件間存在著強烈摩擦，尤其是在工件較硬的情況下，在切削刃的下方很快會磨出后角為零的小棱面，使切削力增大（刀具變鈍）和切削熱增加，甚至產生切削振動，造成刀具失效和加工表面品質惡化（尺寸超差、表面粗糙度不符合要求），嚴重影響加工品質和生產效率[3-15]。在刀具失效前，可以通過一定的算法補償該加工誤差，最終達到刀具磨損補償效果。為補償該加工誤差，需通過建立刀具磨損的數學模型來分析刀具磨損與產生的加工誤差之間的關系，獲得刀具磨損情況，從而根據刀具磨損情況對產生的加工誤差進行補償，此種方法不適用于刀具崩裂情況，刀具崩裂的情況下，機床報警停機。用刀具長度方向的磨損量ΔWZ(Δt)和刀尖圓弧磨損量ΔWr(Δt)表示切削過程中在刀具長度方向和刀尖圓弧半徑方向的誤差，進而表征刀具磨損對加工精度的影響。刀具磨損示意如圖1 所示。

圖1 刀具磨損示意圖

切削加工過程中刀具磨損與眾多因素有關，為簡化分析，只考慮幾個影響較大的因素，包括主軸轉速、進給速度、切削深度、加工材質等。泵配件硬度較高，在硬車加工過程中，刀具磨損情況更為明顯，主要是因為加工材質的影響。

1.2 刀具補償分析

在數控編程過程中，為使編程工作更加方便，通常將刀具的刀尖假想成一個點（該點又稱為刀位點或刀尖點）。

刀具補償指數控機床根據刀具實際尺寸，自動改變機床坐標軸或刀具刀位點位置，使實際加工輪廓和編程軌跡完全一致的功能。數控車床的刀具補償分為刀具長度補償和刀尖圓弧半徑補償兩種。

（1）刀具長度補償：又叫刀具偏移補償，是用來補償假定刀具長度與基準刀具長度之差的功能。在車床數控系統中，X軸與Z軸可同時實現刀具偏移。

（2）刀尖圓弧半徑補償：在實際工件加工過程中，考慮到刀具磨損及精加工的需要，通常將車刀的刀尖修磨成半徑較小的圓弧，此時刀位點（刀尖點）為刀尖圓弧的圓心。

為確保被加工工件的輪廓形狀，加工時不允許刀具刀尖圓弧的圓心運動軌跡與被加工工件的輪廓完全重合，而應與工件輪廓偏移一個半徑值，該偏移稱為刀尖圓弧半徑補償。圓弧形車刀的刀刃半徑偏移也與上述描述相同。

1.3 刀具磨損的在線檢測方法

目前，國內外研究刀具磨損的在線檢測方法主要分為直接檢測法和間接檢測法。

（1）直接檢測法：包括光學法、接觸電阻法、光導纖維法和電視攝像法等，能夠直接檢測出刀具磨損后的尺寸。

（2）間接檢測法：包括工件尺寸法、切削力法、扭矩法、切削振動法和工件表面粗糙度法等，通過這些方法能夠間接反映刀具磨損情況。

上述方法各有各的優缺點，根據被加工零件的形狀和材質的不同，各種方法都有其應用的局限性。

通過分析應用環境和泵配件加工情況，本文采用工件尺寸法這種間接檢測法，即測量刀具加工過的工件的相應位置尺寸，從測量結果反向推算刀具磨損情況?？紤]到機內檢測的檢測精度會受到機床精度的影響以及檢測過程對工件加工效率的影響，本文采用機外在線檢測的方式，一方面能夠保證測量精度，另一方面能夠保證產線的加工效率。機外在線檢測設備采用雷尼紹的Equator 300（加高型）比對儀，如圖2 所示。

圖2 在線機外檢測示意圖

該比對儀固定安裝在泵配件柔性智能機加生產線的機加終檢工序位置。每個加工完成的泵配件通過比對儀測量相應刀號刀具加工的位置尺寸，生產線集中管控系統自動獲取測量結果，追溯車床編號及刀具編號，并根據補償算法將補償值自動寫入相應的機床，實現自動補償；當刀具磨損嚴重或崩刀時，系統報警提醒。

1.4 基于在線檢測的實時磨損補償原理

首先，設定的工件尺寸（以下簡稱設定值）一般取最大極限尺寸和最小極限尺寸的平均值。利用間接檢測法檢測出工件的實際尺寸（以下簡稱測量值），與設定值進行比較；通過閉環控制算法獲得輸出值，該輸出值自動寫入CNC；每次啟動加工新工件時，先使該補償值生效，數控系統通過該補償值調整X軸與Z軸實現刀具偏移，對刀具的磨損進行補償，保證加工后的工件尺寸在公差允許的范圍內，實現整個加工過程的閉環控制，確保加工過程的可靠性?；谠诰€檢測的車刀實時磨損補償原理如圖3所示。

圖3 補償原理

當車刀加工的工件流轉至在線檢測設備后，在線檢測設備自動檢測出相應尺寸。將測量值Df與設定值Dr進行比較，若有偏差，通過比例運算和輸出限幅得到補償信號，將補償信號與數控系統給定的脈沖信號進行比較，得到的輸出值通過CNC 系統控制伺服驅動器，伺服電機在伺服驅動器的驅動下帶動刀塔工作，實現刀具補償。以外圓車刀為例，補償策略如下。

補償值給定方法：

當Uout>Uoutmax時，則有：

當Uout

式中：Kp為比例系數；Uout為輸出的補償值；Uoutmax為補償值上限；Uoutmin為補償值下限。設emax為公差帶的平均值，emin為根據經驗確定的數值，則有如下情況：

（1）當Dr-Df=0 時，說明加工尺寸剛剛合適，無須對刀具進行補償。

（2）當Dr-Df=e時，即所加工的外圓實際尺寸小于工件標準尺寸時，對刀具進行負補償。

（3）當Dr-Df=-e時，即所加工的外圓實際尺寸大于工件標準尺寸時，此種情況說明刀具出現磨損，需對刀具進行正補償。

（4）當Dr-Df>emax時，即零件為不合格品，有可能刀具對錯，刀頭松動，此時要求機床停機，并且需要人工進行排故。

（5）當Dr-Df

補償流程如圖4 所示。

圖4 補償流程

（1）機加完成的泵配件由工業機器人搬運至比對儀檢測工位，比對儀自動根據泵配件生產線集中管控系統下發的物料編號調取相應的檢測程序完成相應尺寸檢測，將尺寸檢測結果存儲在本地文件中。

（2）將給定值Dr提前錄入泵配件生產線集中管控系統，管控系統讀取檢測結果并判斷是否超差，即Dr-Df是否大于emax，如果超差，系統報警提醒，此時需要人工干預，人工檢查超差原因并進行處理，工件報廢。如果未超差，則判斷上一次的補償是否有效，當前的Dr-Df值小于上一次的Dr-Df值時，系統判定上一次的補償有效；當前的Dr-Df值大于上一次的Dr-Df值時，系統判定上一次的補償無效。當判定結果為補償有效時，運行補償算法，參照式（1）～（3）得出補償值，在實驗過程中可根據補償效果進行調整；如果補償無效，則系統報警提醒，需人工分析無效原因并進行處理。

（3）泵配件生產線集中管控系統運行補償算法，與機床通信，將步驟2 得到的補償值更新至CNC 的補償子程序，補償子程序為宏程序，主要實現下述功能：①接收步驟2 得到的補償值；②方便CNC 調用，使補償值生效。

（4）主加工程序啟動加工時，自動調用補償宏程序，更新后的補償值生效，通過調整X軸與Z軸進給實現刀具偏移，進而實現刀具磨損補償，保證工件尺寸在公差允許范圍內，提高機加的過程能力指數。

2 應用實例

以一種泵配件零件為加工對象，該零件材料為鉻鎳鉬合金，滲碳淬火后精加工，硬度在59 ～65 HRC 之間，硬度較高，工件外形示意圖如圖5 所示。機床選用紐威的NL322HA 型臥式數控車床，選用韓國特固克的CBN 硬質合金刀具，實際加工場景如圖6 所示。由于工件經過熱處理后硬度較高，在實際機加工過程中，刀具磨損十分嚴重，極易產生工件尺寸超差現象。該生產線以“黑燈工廠”為理念建設，正常工作時，操作人員無法進入產線內，因此人工手動調整刀具補償值不太現實。為保證產品加工質量和制程穩定能力，需要頻繁更換刀片，這樣就會影響生產效率，同時還增加了生產成本。引入上述刀具補償方法，補償子程序如圖7 所示，加工結果對比見表1 所列。從表1 可以看出，工件加工質量得到有效提高，CPK 值穩定在1.67 以上，適用于批量生產，在機加領域具有廣泛的應用前景。

表1 加工結果對比

圖5 工件外形示意圖

圖6 實際加工場景

圖7 補償子程序

3 結 語

本文主要針對全自動機加生產線在加工硬質合金工件時刀具的磨損帶來的工件加工誤差，設計了一種全自動刀具補償方法。本文技術方案帶來的有益效果如下：

（1）利用間接檢測法檢測出工件的實際尺寸，與設定的工件尺寸（公差帶中間值）進行比較。通過閉環控制算法，將輸出值寫入CNC，每次新加工工件時，先使該補償值生效，通過調整X軸與Z軸實現刀具偏移，對刀具的磨損進行補償，保證了工件尺寸在公差允許的范圍內，從而實現整個加工過程的閉環控制，確保加工可靠性。

（2）具有一定的柔性，能夠兼容多個規格工件的在線補償，通過每個工件的唯一編碼，能夠保證調用正確的檢測程序和補償程序，從而實現相應機床相應刀號的刀具自動補償。

（3）能夠驗證補償的有效性，當補償未達到預期時，報警提醒人工介入分析。

（4）能夠追溯工件的加工質量。

（5）適用于全自動機加生產線，能夠顯著地提高生產效率和降低刀具成本。