基于華中數(shù)控系統(tǒng)的在機(jī)自動(dòng)測(cè)量補(bǔ)償技術(shù)

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序言在航空航天制造業(yè)快速發(fā)展的今天，復(fù)雜異型航空航天大型核心構(gòu)件呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜、異型變截面、難加工、尺寸大、品種多及批量小等特點(diǎn)。針對(duì)日益復(fù)雜的各種結(jié)構(gòu)件，常用的檢測(cè)方法包括離線檢測(cè)（手工檢測(cè)、三坐標(biāo)測(cè)量和激光掃描等）和在機(jī)檢測(cè)兩種。目前離線檢測(cè)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)零件的加工問(wèn)題，易導(dǎo)致后續(xù)返工返修。在機(jī)檢測(cè)以手工檢測(cè)為主，需要在加工過(guò)程中進(jìn)行人工停機(jī)調(diào)整干預(yù)，工作量大且重復(fù)性高，隨著產(chǎn)品種類(lèi)和批量的增長(zhǎng)，人工干預(yù)的出錯(cuò)率會(huì)越來(lái)越高，并且會(huì)降低設(shè)備利用率，因此該方法受限于人為因素的影響，不論從檢測(cè)效率、檢測(cè)精度，還是從檢測(cè)自動(dòng)化水平方面均不能滿足后續(xù)高效智能生產(chǎn)的需求。因此本文研究了一種基于華中數(shù)控系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)計(jì)算和自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，該方法檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，檢測(cè)效率高，避免了人工干預(yù)，提升了數(shù)控加工過(guò)程的自動(dòng)化程度。2

背景、目的及意義2.1研究背景隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空航天、汽車(chē)、造船及模具等工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)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(fù)雜，對(duì)工藝技術(shù)要求越來(lái)越高，一旦出現(xiàn)廢品，損失難以估計(jì)，因此如何提升加工質(zhì)量顯得尤為重要[1]。在機(jī)測(cè)量（OnMachineMeasurement，OMM）技術(shù)最早應(yīng)用于大型齒輪的加工誤差補(bǔ)償[2]，隨后國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同的數(shù)控系統(tǒng)和加工中心進(jìn)行了大量技術(shù)研究：楊光等[3]以FANUC數(shù)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立了EP6BL測(cè)頭用在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了曲面加工代碼的自動(dòng)生成，奠定了CAD/CAM的集成基礎(chǔ)；高峰等[4]研究了數(shù)控成形砂輪磨齒機(jī)的在機(jī)測(cè)量技術(shù)，采用多體系統(tǒng)理論及齊次坐標(biāo)變換方法，對(duì)被測(cè)對(duì)象的幾何特征及數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行數(shù)學(xué)解析，求解該方程獲得所有可能的測(cè)量運(yùn)動(dòng)方案；馬艷玲等[5]對(duì)比分析了數(shù)控在線測(cè)量系統(tǒng)和三坐標(biāo)測(cè)量之間的誤差分析。2.2研究目的與意義在航空航天產(chǎn)品的制造過(guò)程中，傳統(tǒng)的離線檢測(cè)方法雖然可以判定零件的加工結(jié)果，但是不能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)零件尺寸超差等問(wèn)題，這將直接影響產(chǎn)品制造周期與質(zhì)量。而在機(jī)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用能夠在不停機(jī)的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)零件補(bǔ)償，保證加工效率，減少人為干預(yù)。針對(duì)大尺寸、大質(zhì)量的零件，在機(jī)測(cè)量技術(shù)可以減少零件的轉(zhuǎn)運(yùn)流程，降低零件出現(xiàn)磕碰劃傷的概率，進(jìn)而提升質(zhì)量；針對(duì)不適合使用常規(guī)的卡尺等量具進(jìn)行檢測(cè)的零件，在機(jī)測(cè)量技術(shù)通過(guò)測(cè)頭接觸和掃描等方式，可以實(shí)現(xiàn)難測(cè)量尺寸的精確檢測(cè)，如今在機(jī)測(cè)量已經(jīng)成為智能制造柔性生產(chǎn)線的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。因此，在機(jī)測(cè)量技術(shù)的研究對(duì)保證產(chǎn)品型面、高精度裝配尺寸有效檢測(cè)，以及為提高生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。3

在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)組成及其工作原理完整的在機(jī)測(cè)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)接收，軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制、計(jì)算和補(bǔ)償。3.1硬件組成（1）測(cè)頭主體測(cè)頭主體是測(cè)量過(guò)程中的執(zhí)行元件，主要包括基礎(chǔ)刀柄、感應(yīng)部分、探針、測(cè)量球、電池和LED狀態(tài)顯示幾個(gè)部分（見(jiàn)圖1）?；A(chǔ)刀柄根據(jù)機(jī)床主軸型號(hào)來(lái)選配，常用型號(hào)有BT50、BT40、JT50、JT40、HSK100A及HSK63等；測(cè)頭感應(yīng)部分（見(jiàn)圖２）涵蓋傳感器、信號(hào)傳輸?shù)?；探針材料一般為陶瓷、碳化鎢和不銹鋼三類(lèi)，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(qiáng)度較高，常用探針長(zhǎng)度為50mm、100mm；測(cè)量球一般為紅寶石球，常用球徑包括6mm、4mm、2mm（本文以50mm長(zhǎng)、球頭6mm球徑的M4陶瓷探針為例）。圖1測(cè)頭構(gòu)造示意1—信號(hào)傳輸窗口２—M4測(cè)桿3—電池安裝盒４—刀柄a）感應(yīng)片位置b）原理圖2測(cè)頭感應(yīng)部分示意測(cè)頭移動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)測(cè)量球碰到被測(cè)表面后，探針與主軸呈一定角度，感應(yīng)片得到信號(hào)，反饋到數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)記錄當(dāng)前數(shù)值，測(cè)頭向反方向后退，進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作。（2）信號(hào)接收器信號(hào)接收器是測(cè)頭測(cè)量信息反饋到數(shù)控系統(tǒng)的中間介質(zhì)，測(cè)頭接觸到被測(cè)表面時(shí)，接收器接收關(guān)于測(cè)頭的各類(lèi)信息，將以電信號(hào)的方式傳遞到數(shù)控系統(tǒng)。接收器安裝于機(jī)床內(nèi)，共有3～8根信號(hào)線與機(jī)床I/O連接，分別用于接收器供電、觸發(fā)信號(hào)、開(kāi)啟信號(hào)和電池報(bào)警等，可根據(jù)需求選裝，但必須涵蓋供電、觸發(fā)信號(hào)線纜。3.2軟件組成軟件組成包括數(shù)控系統(tǒng)軟件、測(cè)量程序及計(jì)算補(bǔ)償程序。數(shù)控系統(tǒng)軟件用作數(shù)據(jù)運(yùn)算、處理和判斷。測(cè)量程序用于指定測(cè)頭各個(gè)動(dòng)作，包括測(cè)量位置、測(cè)量速度、測(cè)量方式等，以及對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行特定記錄、賦值。計(jì)算補(bǔ)償程序用于對(duì)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出補(bǔ)償程序所需數(shù)值，并對(duì)加工程序、刀具信息進(jìn)行修正，而后進(jìn)行精加工。其中華中HNC848D型數(shù)控系統(tǒng)，除具備一般數(shù)控系統(tǒng)功能外，還具備復(fù)雜輪廓計(jì)算、大型運(yùn)算處理功能，可對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行宏運(yùn)算，具備加減乘除三角函數(shù)混合運(yùn)算邏輯功能，可快速處理各種數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)反饋到執(zhí)行部件，進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。3.3工作原理在機(jī)測(cè)量工作流程如圖3所示。測(cè)頭接觸到被測(cè)表面后，接收器接收到相關(guān)信號(hào)，接收器以電信號(hào)的方式傳輸?shù)较到y(tǒng)I/O，然后通過(guò)總線到達(dá)數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)執(zhí)行在機(jī)測(cè)量程序，通過(guò)復(fù)雜運(yùn)算，判斷出機(jī)床下一步動(dòng)作，將信號(hào)傳遞到伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，控制機(jī)床主軸與工作臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。圖3在機(jī)測(cè)量工作流程4

在機(jī)測(cè)量試驗(yàn)驗(yàn)證及其應(yīng)用4.1環(huán)境及設(shè)備在機(jī)測(cè)量實(shí)施環(huán)境的溫度無(wú)具體要求，但溫差會(huì)影響設(shè)備本身精度，而設(shè)備本身精度是決定在機(jī)測(cè)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(yīng)控制在15～26℃。環(huán)境空氣中的雜質(zhì)附著在測(cè)量球表面會(huì)影響測(cè)量精度，盡管在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)帶有高壓空氣清潔功能，但測(cè)頭長(zhǎng)時(shí)間不用后，空氣中的雜質(zhì)會(huì)粘附在測(cè)量球表面，高壓空氣無(wú)法清潔干凈，因此測(cè)量環(huán)境也應(yīng)盡量保證干凈。在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)一般為具有成熟數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床，設(shè)備本身的定位精度、重復(fù)定位精度與測(cè)量結(jié)果密不可分，因此在測(cè)量前應(yīng)校正設(shè)備本身誤差。4.2在機(jī)測(cè)量試驗(yàn)準(zhǔn)備（1）模型創(chuàng)建為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先在UG中構(gòu)建RMP60紅寶石測(cè)頭模型，如圖4所示，測(cè)頭探針選用50mm長(zhǎng)、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(jiǎn)化如圖5所示，該零件臺(tái)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(tái)階孔的位置與理論存在一定偏差，臺(tái)階孔深度與直徑大小無(wú)法一次加工滿足要求，加工前需對(duì)臺(tái)階孔位置進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算出實(shí)際位置與理論位置的差值，提前對(duì)臺(tái)階孔程序進(jìn)行補(bǔ)償，一次性加工到位。圖5加工特征簡(jiǎn)化（２）在機(jī)測(cè)量程序編制在機(jī)測(cè)量程序編制重要三步，分別是測(cè)量、運(yùn)算、補(bǔ)償程序（見(jiàn)圖6）。測(cè)量是得出零件實(shí)際情況的主要手段，運(yùn)算是將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為補(bǔ)償量的重要一步，補(bǔ)償是將補(bǔ)償量自動(dòng)輸入到加工程序中，使得數(shù)控機(jī)床按照補(bǔ)償后的狀態(tài)進(jìn)行加工。其中測(cè)量程序?qū)⑸疃确较蛎看蔚臏y(cè)量結(jié)果都自動(dòng)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(cè)量一處，通過(guò)賦值方式將測(cè)量結(jié)果賦值于可用戶自定義的變量，此處指#50000～#50100。測(cè)量結(jié)束后，將每個(gè)孔位兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)結(jié)果取算術(shù)平均值，再減去理論高度，即可得出補(bǔ)償量，操作者可根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，提前判斷零件變形情況，更好地控制加工程序，避免出現(xiàn)進(jìn)刀過(guò)多等情況。不同數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償指令有所區(qū)別，華中HNC848D數(shù)控系統(tǒng)平移指令為G52X/Y/Z，X/Y/Z后面的值為對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸偏移值，此處6處臺(tái)階孔偏移值為#1～#6。a）測(cè)量程序

b）運(yùn)算程序

c）補(bǔ)償程序圖6測(cè)量程序、運(yùn)算程序與補(bǔ)償程序4.3補(bǔ)償效果為了保證零件加工質(zhì)量，測(cè)量補(bǔ)償過(guò)程按如下順序進(jìn)行。（1）測(cè)頭精度校準(zhǔn)調(diào)取刀庫(kù)中的測(cè)頭，采用百分表和標(biāo)準(zhǔn)試塊對(duì)測(cè)頭進(jìn)行調(diào)試，確保測(cè)量精度，如圖7所示。a）百分表測(cè)量

b）標(biāo)準(zhǔn)試塊調(diào)試圖7測(cè)頭精度校準(zhǔn)過(guò)程示意（2）測(cè)量零點(diǎn)數(shù)據(jù)選定基準(zhǔn)點(diǎn)作為測(cè)量標(biāo)定，記錄基準(zhǔn)數(shù)值和每個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)差值，針對(duì)一種零件的一類(lèi)特征，僅需建立一次基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。（3）在機(jī)測(cè)量并建立補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫(kù)測(cè)量不同點(diǎn)位外形的變形程度，與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到在機(jī)測(cè)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并賦值在宏變量中，實(shí)現(xiàn)零件在機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)的留存。零件臺(tái)階孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，其中實(shí)測(cè)誤差值計(jì)算方法為|（az0－az0'）－（ax－ax'）|，其中az0表示該組數(shù)據(jù)零件手動(dòng)零點(diǎn)測(cè)量實(shí)測(cè)值，az0'表示該組數(shù)據(jù)零件零點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量實(shí)測(cè)值，ax為不同測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)手動(dòng)測(cè)量實(shí)測(cè)值，ax'為不同測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)自動(dòng)測(cè)量實(shí)測(cè)值。表1零件臺(tái)階孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（單位：mm）從表1中可以看出3次測(cè)量的最大誤差為2號(hào)臺(tái)階孔中的點(diǎn)3，誤差值0.170mm，最小誤差為3號(hào)臺(tái)階孔中第一個(gè)點(diǎn)，誤差至0.011mm。75%的測(cè)試點(diǎn)誤差＜0.100mm，91.67%的測(cè)量點(diǎn)誤差＜0.150mm。根據(jù)以上結(jié)果對(duì)零件進(jìn)行補(bǔ)償，臺(tái)階孔加工一次性滿足深度要求，檢驗(yàn)指標(biāo)為沉頭孔安裝螺釘后釘頭低于零件表面0～0.1mm，檢驗(yàn)結(jié)果為產(chǎn)品合格率100%，臺(tái)階孔工步效率提升一倍，降低了人為操作風(fēng)險(xiǎn)。5

結(jié)束語(yǔ)通過(guò)在國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)環(huán)境下在機(jī)測(cè)量的實(shí)施與應(yīng)用，包括測(cè)量程序、運(yùn)算程序和補(bǔ)償程序，驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)華中HNC848D數(shù)控系統(tǒng)的