基于在線檢測技術的批量裝夾加工精度控制*

顏 建 童 洲 梁秋華 張建強

(華南理工大學廣州學院工程訓練中心，廣東 廣州 510800)

隨著現代制造企業日益嚴格的質量需求和精益生產發展，許多企業為了追求更高的加工質量和生產效率，在數控機床上進行多個相同零件的批量零件組合裝夾加工。如圖1所示，本文研究的加工零件為一油泵零件軸承套，該零件需具備耐磨和耐腐蝕性能，其材料為3CR13，并經過熱處理達到了50～52 HRC的較高硬度，因此加工刀具采用CBN 立方氮化硼硬質合金刀具。零件的重要裝配配合面為φ33 mm軸承安裝孔位，該配合面需進行精加工以滿足配合公差精度尺寸要求，可采用批量零件組合夾具加工方式，減少換刀次數,減少空行程時間。

該油泵軸承套零件加工可利用數控機床G54～G59多個工件坐標系設定功能，在數控機床的組合夾具上，同時裝夾6個相同零件進行批量加工。如圖2所示，在組合裝夾加工常利用數控機床G54～G59多個工件坐標系設定功能，一次性在機床上裝夾6個工件，運用同樣的加工工藝、程序和刀具進行加工，這樣的優點是減少后續拆下批量零件后需要先分別標注工位號，再裝上三維掃描儀等設備進行檢測的繁復過程及時間，降低以上重復裝夾產生的定位誤差等，從而提高批量數控加工制造的精度和生產效率[1]。但同時，由于同一刀具需要運行6次同樣的程序，加工6個工件，容易造成刀具磨損，從而影響后置零件的加工精度。而使用在線檢測方法則能快速從檢測零件的結果反向推算出刀具磨損的具體變化值，然后根據刀具磨損值直接在機床數控系統中修改刀具半徑補償值，進行補正加工，修正誤差[2]。本文主要針對圖1油泵零件上部分軸承套φ33 mm裝配孔配合特征，以在線檢測為嘗試，運用在線檢測宏程序，進行了如下實踐探索和研究。

1 批量零件加工在線檢測工作流程

傳統的批量加工制造過程中檢測一般與加工過程分工進行，零件加工精度檢測都是在零件從機床上完成加工后，再將模具搬運裝夾到專業檢測設備如三維掃描儀上進行檢測[3]。但隨著市場快速變化，對企業生產的制造能力和公差精度水平的要求日益遞增,現行的制造-搬運-檢測流程由于在檢測過程中需要進行二次裝夾，裝夾過程中的重復定位精度對公差檢測精度及生產響應速度會產生一定的影響，無法滿足市場需求。而數控加工在線檢測則可以在零件完成加工程序還沒有拆下機床時進行現場尺寸測量與驗證，隨時生成檢測程序，然后傳輸到數控系統中。具體的工作流程如圖3所示[4]。

在線檢測方式可避免在分工檢測方式中由于搬運、多次裝夾和重復檢測等因素造成的檢測誤差問題，為加工精度參數設置、刀具運用和機床精度水平提供實時反饋數據，為現場數控編程人員提供加工工藝參數調整依據，減少零件拆下機床后才發現是廢品的情況，提高產品合格率。

2 在線檢測宏程序運用及刀具磨損情況分析

2.1 測頭的選擇及應用

如圖4所示，接觸觸發式測頭移動至需要測量的目標零件指定特征處，油泵軸承套零件主要測量特征為配合孔特征，測頭定位至相應工件坐標系(G54～G59)，執行測頭內嵌P9814指令段，對圓孔內部的4個弧邊點進行檢測操作，當測頭與圓孔內部弧邊點接觸，測頭程序存儲當前測頭所在的位置坐標，并將測量數據反饋給數控系統，數控系統經過計算，最終測得圓孔直徑，產生該點的加工誤差值數據[5]。

如圖5所示，使用測頭前必須先對測頭的偏移值和安全高度進行校正，在機床上精確找到環規的圓心位置，在UG軟件CMM模塊中對測頭測針的偏移量和測球進行標定,對測針長度進行標定，將偏移值存儲數控系統中，然后根據檢測模具零件形狀設定垂直抬刀至安全位置的Z軸準備高度數值[6]。

根據在實際測量過程中數控加工使用的球形銑刀與測頭的相似性,將測頭作為球形銑刀的其中一把刀具進行設置，測頭作為數控加工中心的其中刀具之一在編程時進行調換，需對應設定好刀具號如2號刀，同樣使用2號刀具的長度補償指令進行測頭探針長度補償值設定[7]。

2.2 批量加工在線檢測的宏程序編制

針對組合零件加工過程中精度要求較高的加工部位和幾何特征，通過UG軟件編制測頭的檢測宏程序，生成測頭動作指令，使測頭僅通過對6個零件特定的一個幾何特征進行檢測，再經過6個零件的檢測誤差比較，即可快速測算出刀具半徑的磨損情況。如圖6所示，零件頂部為裝配精度較高的φ33 mm軸承套配合孔特征，通過UG軟件編制在線檢測宏程序，對φ33 mm配合孔特征進行檢測，通過測頭專用數據傳輸接口將觸發的檢測信號傳輸至測頭內部轉換存儲器內，對該觸發點位坐標進行存儲，并與標準坐標值比對生成6個零件圓孔的加工誤差值。

針對不同的測量對象如直角坐標、角度和圓孔直徑等，UG軟件的測量宏程序包開發了不同的宏程序，其中P9810和P9811則用于工件的三維坐標值測量。應用不同的數控機床以及相應的數控系統，需調用對應的宏程序包及后處理文件，生成相應格式的程序[8]。實踐中在FANUC數控機床上，將測頭裝夾在刀庫中的2號刀座中，針對圖5中6個零件的圓柱孔幾何特征進行在線檢測，其主要程序及宏程序調用如下：

O222；

G91G28Z0；

G90G0G17G40G49G69G80//以上為FANUC機床的通用開頭程序；

MO6T2//測頭裝在T2刀座，檢測時換T2號測頭到主軸；

G90G00G54X0.Y0.Z50.//快速定位組合裝夾零件上方；

M19 //主軸定位；

M05 //限定主軸不得轉動；

M17 //打開測頭連線，準備進行測量通信；

G43H2Z50 //建立測頭探針(刀具)長度補償；

G65P9810X0.Y0.Z30.F200.//安全運動到零件圓柱孔中心上方；

G65P9814D33.Z-5.0F100.//對第一個零件圓柱孔進行檢測(一個指令中包括了4個檢測動作)；

#601=#142//標定當前X、Y坐標值，記錄為第一弧邊點的測量值；

#602=#142//標定當前X、Y坐標值，記錄第二弧邊點的測量值；

#603=#143//標定當前X、Y坐標值，記錄第三弧邊點的測量值；

#604=#144//標定當前X、Y坐標值，記錄第四弧邊點的測量值；

#138=D33//賦值給#138，標準為φ33，反饋顯示當前測算結果與φ33的差異值；

G65P9811Z30.F3000.//結束檢測快速回到準備高度；

M99//結束G65檢測宏程序調用；

M18G40//取消主軸定位，取消測頭長度補償；

G91G28ZO//；

M30//程序結束；

程序運行時，Z30為測量準備高度，Z-5.0則為測量時的工作高度。通過依次將程序中的坐標系定位指令G54改為G55、G56、G57、G58和G59。并將程序運行6次，即可完成對6個裝夾零件的圓柱孔檢測。

3 組合裝夾零件精度的調整及控制

3.1 在線檢測誤差數據分析運用

尺寸偏差超出公差范圍的，在宏程序中通過條件轉移指令進行報警。如圖7所示，綠色檢測結果為公差范圍內，紅色檢測結果為超出公差范圍，對超出公差范圍的尺寸偏差將進行報警提示[9]。

表1 坐標變量數據

3.2 刀具半徑磨損值調整

組合裝夾零件多個零件重復切削，使得刀具磨損的幾率增加，通過同一幾何特征的在線檢測，比較每個零件中相同部位的同一幾何尺寸，可以快速偵測判斷到刀具的磨損量，并運用刀具補償宏指令迅速予以修正加工。如圖8所示，在油泵批量零件加工結束后，通過在線檢測系統得到的表1尺寸偏差數據，分析得到刀具半徑磨損情況，并將數據轉換為相應的刀具磨損補償值，然后將補償值輸入至FANUC系統“刀偏”頁面的“磨損(D)”項中[10]。

如圖9所示，在二次加工G57工位零件時，刀庫1號刀，取補償值0.01的刀具磨損(D)重新執行G57工位零件加工程序，二次加工G58～G59工位零件時，刀庫1號刀，取補償值0.015的刀具磨損(D)重新執行G58～G59工位零件加工程序，即可達到批量零件所需加工尺寸精度誤差要求。

4 結語

在線檢測技術應用于批量零件組合裝夾加工，可實現加工與檢測工序的快速最佳擬合。針對零件尺寸精度要求較高的特征進行檢測，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，提高制造過程質量控制能力。但其檢測精度受限于數控機床的精度，實際使用時需經常性檢驗機床導軌等部件的精度，減少檢測誤差。隨著市場競爭日益激烈，對產品質量及加工效率的要求也愈來愈高，在批量零件加工中應用在線檢測技術將產生更廣闊的應用前景和經濟效益。