自動檢測技術(shù)應(yīng)用于車輪數(shù)控加工

都江煒，矯尊田，管益輝，劉永杰，邱浩洋

中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東青島 266000

1 序言

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

2 自動檢測系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

自動檢測也稱為在線檢測，是在數(shù)控加工過程中實(shí)時(shí)對工件進(jìn)行檢測，并依據(jù)檢測結(jié)果做出相對應(yīng)的處理的一種檢測方式[1]。自動檢測是一種基于數(shù)控系統(tǒng)自動控制的檢測技術(shù)，其檢測路徑由數(shù)控程序來控制。自動檢測的主要組成部件是工件測頭，當(dāng)需要檢測時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)就會從刀庫里調(diào)出測頭裝入主軸按測量循環(huán)路徑進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，進(jìn)一步完成對工件的切削。數(shù)控加工自動檢測在加工具有復(fù)雜空間曲面的產(chǎn)品方面有著明顯優(yōu)勢。數(shù)控機(jī)床自動檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動檢測和加工兩個(gè)過程的緊密結(jié)合，是最為理想的檢測技術(shù)應(yīng)用之一；同時(shí)，該項(xiàng)檢測技術(shù)對零部件進(jìn)行了高精度、高效率的加工。在對更為復(fù)雜的零部件的檢測工作中，自動檢測技術(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)控加工自動檢測系統(tǒng)一般由數(shù)控機(jī)床、PC機(jī)和測頭三大部分組成。數(shù)控機(jī)床完成加工和檢測的集成，即把測頭和刀具同時(shí)安裝在刀庫中，統(tǒng)一編號，通過程序隨時(shí)進(jìn)行自動測量，使數(shù)控機(jī)床既是加工設(shè)備，又兼?zhèn)錅y量機(jī)的某些功能。實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的自動檢測時(shí)，利用數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的測量循環(huán)指令，編輯測量路徑和標(biāo)準(zhǔn)，使測頭按程序規(guī)定路徑運(yùn)動，當(dāng)測球接觸工件時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號，通過測頭與數(shù)控系統(tǒng)的專用接口將觸發(fā)信號傳到轉(zhuǎn)換器，并將觸發(fā)信號轉(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[2]。信號被接收后，機(jī)床停止運(yùn)動，測量點(diǎn)的坐標(biāo)通過通信接口傳回計(jì)算機(jī)，然后進(jìn)行下一個(gè)測量動作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對加工工件的完整測量。

3 車輪加工裝夾定位精度檢測

裝夾定位精度是保證車輪加工質(zhì)量的前提。在車輪采用自定心卡盤裝夾后，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。這種檢測方式往往會造成加工中斷，制約加工效率的提升，而在采用自動檢測技術(shù)后，裝夾精度檢測如圖1所示。檢測時(shí)只需使用圓周檢測工件測頭對車輪外圓每120°取一個(gè)點(diǎn)，對圓周方向均勻分布的3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量，同時(shí)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行偏差對比，如超過設(shè)定尺寸，測量程序會自動補(bǔ)償偏差到設(shè)備工作臺數(shù)據(jù)補(bǔ)償中，對工作臺偏差進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)車輪定位裝夾的自動檢測及補(bǔ)償。同時(shí)，車輪高度方向的定位精度可采用高度測頭對其進(jìn)行檢測，檢測方式和外圓檢測方式一致，只是采用了不同的測量循環(huán)程序。此測量過程還可實(shí)現(xiàn)對車輪加工后踏面尺寸的測量，測量結(jié)果都會在數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)列表中體現(xiàn)。

圖1 裝夾精度檢測

4 刀具尺寸的自動檢測

刀具尺寸的自動檢測其實(shí)就是對刀。數(shù)控加工采用的對刀方式一般為3種：試切對刀法、光學(xué)檢測對刀儀對刀法和機(jī)械檢測對刀儀對刀法。這3種對刀方法的對刀效率相對比較低，都需要人工操作來完成對刀。而自動對刀法則是為車輪加工設(shè)備安裝了對刀測頭，編輯對刀程序，對刀前只需一把基準(zhǔn)刀來校準(zhǔn)對刀測頭，其他刀具觸碰校準(zhǔn)好的測頭來完成對刀。自動對刀法的優(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。在車輪加工過程中，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。對刀效率高，每把刀具的對刀時(shí)間可縮短80%左右，實(shí)現(xiàn)了車輪加工整體效率的提升。

5 車輪加工工件坐標(biāo)系的自動建立

建立工件坐標(biāo)系的過程其實(shí)也是確定工件加工零點(diǎn)的過程，利用自動測量系統(tǒng)也可以建立車輪加工的工件坐標(biāo)系。在車輪加工中，通常會把車輪的輪輞面確定為工件Z方向的零點(diǎn)，而車輪X方向的零點(diǎn)已經(jīng)在檢測外圓時(shí)確定，即車輪外圓的圓心。在采用自動測量系統(tǒng)之前，需要每把刀具對輪輞進(jìn)行試切才能確定工件零點(diǎn)，由于車輪加工刀具眾多，使得建立坐標(biāo)系成了一個(gè)漫長的過程。采用自動測量系統(tǒng)很好地解決了這個(gè)問題，建立工件坐標(biāo)系（見圖2），只需用工件測頭測出輪輞高度尺寸，再利用加工程序調(diào)用測頭所測得的尺寸賦值的參數(shù)，補(bǔ)償?shù)紾54坐標(biāo)系中，就可以快速自動建立車輪加工的工件坐標(biāo)系。

6 車輪加工過程中關(guān)鍵尺寸的測量補(bǔ)償

利用自動測量系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)車輪關(guān)鍵尺寸的測量和補(bǔ)償。自動測量循環(huán)自帶編程理論數(shù)值和測頭實(shí)測數(shù)值偏差比較及補(bǔ)償功能，如加工輪轂孔時(shí)，在采用自動檢測方案之前，通常采用試切法人工測量，最后把測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保持恒定的測量力，所以往往會造成測量尺寸與實(shí)際尺寸有較大的偏差，而且人工輸入刀補(bǔ)有輸錯的風(fēng)險(xiǎn)，容易出現(xiàn)質(zhì)量問題。自動測量系統(tǒng)可以很好地解決上述問題。車輪內(nèi)孔檢測如圖3所示，采用試切法測頭測量，保證測量精度在0.002mm之內(nèi)，偏差會自動輸入刀補(bǔ)，完全杜絕了人工輸入輸錯數(shù)值的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，采用自動測量可以有效提高測量效率，進(jìn)而提高整體加工效率，保證加工過程的連貫性，實(shí)現(xiàn)真正意義上的車輪自動化加工。

圖2 建立工件坐標(biāo)系

圖3 車輪內(nèi)孔檢測

7 人工難以測量和定位的工序加工

車輪輻板孔、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)也難以測量。因?yàn)槊總€(gè)車輪在加工過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)量問題，需二次加工，二次裝夾很難找正輻板孔的位置，該問題一直是車輪加工的一個(gè)難點(diǎn)。如果對每個(gè)車輪的反向倒角位置尺寸進(jìn)行人工測量，加工效率會很低，加工質(zhì)量也得不到保障。而采用自動檢測技術(shù)，車輪底部尺寸檢測如圖4所示，利用十字測頭進(jìn)入孔內(nèi)，深入輻板孔或輪轂孔的底部進(jìn)行自動測量，可以精準(zhǔn)地測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)，即可精確地對反向倒角進(jìn)行切削。

圖4 車輪底部尺寸檢測

8 二次裝夾輻板孔角度及位置正確定位

車輪在加工完成后可能存在缺陷，這時(shí)需要把車輪重新裝夾到機(jī)床上進(jìn)行二次加工。如果車輪輻板孔存在缺陷，需二次加工，進(jìn)行二次裝夾時(shí)，人工操作是無法在機(jī)床上找到輻板孔初始加工位置的。因車輪拆卸后，輻板孔在機(jī)床上不僅相對位置發(fā)生了變化，而且不在機(jī)床的旋轉(zhuǎn)中心上，無法打表找正，所以無法對輻板孔進(jìn)行二次加工。針對這一問題，自動檢測技術(shù)可提供很好的解決方案。定位銷孔位置找正如圖5所示，將探頭深入輻板孔中心，正方向移動機(jī)床C軸，使測頭觸碰到輻板孔壁觸發(fā)信號，然后反方向做同樣的動作，測得兩個(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，以此解決了車輪加工時(shí)輻板孔二次裝夾定位找正的問題。

圖5 定位銷孔位置找正

9 結(jié)束語

自動檢測技術(shù)的應(yīng)用，拓展了車輪加工的工藝范圍，自動檢測技術(shù)可以高效地完成人工不能檢測的幾何數(shù)據(jù)的檢測，提高了車輪加工精度、加工的連續(xù)性及精確性。自動檢測技術(shù)應(yīng)用于車輪加工，是車輪加工實(shí)現(xiàn)自動化和無人化的重要組成部分，具有很高的可推廣性。現(xiàn)階段，大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床沒有開發(fā)出自動檢測的全部功能，只是用于簡單的尺寸檢測。后續(xù)自動檢測技術(shù)應(yīng)廣泛應(yīng)用于工件的定位裝夾、刀具的自動測量及難以測量和定位工序的加工，朝著提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量的方向發(fā)展。