整体叶盘车削在线测量技术研究

杨惠欣 李家永

(沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司, 辽宁 沈阳 110043)



整体叶盘车削在线测量技术研究

杨惠欣 李家永

(沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司, 辽宁 沈阳 110043)

通过对整体叶盘车削过程自动测量技术、刀具自动校正技术、刀具自动补偿技术进行深入研究，实现了整体叶盘车削加工、测量、刀具补偿自动化。提高了工件加工质量和效率。形成了整体叶盘车削加工过程数字化在线测量的制造模式。

在线测量；刀具补偿；整体叶盘

目前车削加工整体叶盘辐板型腔，均采用专用测具来测量型面控制点，工装制造时间严重制约了新品研制周期，加大研制成本。产品从研制到定型一旦改变结构，测具全部报废，需重新派制。同时在型腔的车削加工中，采用人工测量后手工输入刀具补偿值的方法，这种操作引起产品超差，或工件报废的现象屡见不鲜。本文拟对车削过程自动测量技术、刀具自动校正技术、刀具自动补偿技术开展进一步深入研究，使盘类工件车削摆脱依赖专用测具的传统工艺模式，改变传统的数控加工手动对刀、测量、手动输入刀补的落后方式，实现加工过程自动化，达到提高数控机床利用率。实现盘类零件研制辐板车削不附加制造专用测具、进行数字化在线测量的先进制造模式。

1 整体叶盘辐板型面控制点测具测量

整体叶盘辐板型面控制点如图1所示，其测量尺寸为φA、φB处的深度尺寸③、④。目前辐板型面控制点都是在精车后利用专用测具进行测量，该专用测具包括测具和标准件两部分，是根据被测点的理论尺寸派制的，测量时首先利用标准件校正测具，再应用调整后的测具进行被测控制点的深度测量，通过百分表的读数判定辐板的加工状态，最后根据与理论值的偏差值手动输入刀补值(如表1)。由于专用测具的加工精度较高，其设计制造时间较长，在新产品研制阶段往往会制约新产品的研制生产周期，且需要在车削加工过程中反复暂停进行测量，并在测量后手动输入补偿值，该测量方式不仅增加了车削加工的时间，且手动输入刀具补偿值的方式极易产生错误，甚至导致工件报废。

表1 手动输入刀补值可设置零点偏移

X/mmZ/mmSP1/°G54粗略0.0000.0000.000精确0.0000.0000.000

2 车削在线测量及刀具自动补偿技术方案

2.1 机床在线测量模块的功能局限性

(1)不具备对非线性轮廓，以及斜面的连续扫描功能和单点测量功能，只能测量水平面到基准面的轴向高度和圆柱面。

(2)只能按被测点的Z向进行测头半径补偿。不能按测量点的法向进行补偿。

2.2 叶盘车削在线测量及刀具自动补偿技术方案

该测量方案所用的设备为数控立车加工中心，且该设备应具备在线测量功能模块，主要包括测头、测量循环及测头校准标准试件。

编制测量程序，调用测量循环对工件进行测量，并将测量结果与被测尺寸的理论值进行比较，根据比较结果以及被测尺寸的公差范围判断是否进行刀具半径补偿：若测量结果显示工件处于欠切状态，则程序自动将差值进行刀具补偿；若测量结果显示工件尺寸在理论尺寸公差内，则程序不做任何更改，继续执行后续程序；若测量结果显示工件处于过切状态，则程序进入无穷循环，后续加工程序将无法运行，须操作者手动退出程序，提示操作者该尺寸处于超差状态。

2.3 斜面测量刀具半径补偿方案

被测轮盘辐板为斜面，若按照平面测量的方法测量，会产生误差△h，如图2所示。此时获得的深度值小于被测点的实际值。因此，在进行斜面测量时需对测量值进行补偿，以获得被测点的实际值。

如若对P点进行测量，即测量P点在特定X值处的深度值(Z值)Zp。当测头从P点的Xp坐标向下方运动时，由于被测型面为一斜面，测头与实际辐板型面的接触点为P′，在P′点触发，触发后测量系统返回P′点深度Zp′值，机载测头所测得P′点与P点的Z值相差△h，当斜面角度α愈大，测头半径愈大时，误差△h愈大。

因此要获得P点的实际值需根据斜面角度及测头半径对其测量值进行补偿，具体如下：

由图2可得：

L=R/cosα

式中：L为三角形的斜边；α为辐板型面与水平面的夹角；R为测头半径。

△h=L-R

式中：△h为补偿高度。P点的深度值Zp为：

Zp=Zp′-△h=Zp′-(R/cosα-R)

在辐板车削加工过程中，加工坐标系原点若在工件加工后的上端面，则所测得的型面控制点的Z值小于0，则根据以上计算公式，

︱Zp︱=︱Zp′︱+△h

=︱Zp′︱+(R/cosα-R)

3 在线测量精度保证

由于在线测量依赖于机床各轴的运动完成，因此其精度受机床各轴运动精度的影响较大，在线测量误差可能由于机床各轴的运动误差产生。另外测头本身的精度也极为重要，由于受车间温度、振动、噪声等的影响，测头本身的精度会有所降低。

在线测量精度受测头本身精度及机床各轴运动精度的影响，因此，要求机床按相关规章制度对各个运动轴定期用激光干涉仪进行精度检测，根据误差适度进行补偿，保持机床各轴系的运动精度。另外，测量前必须进行测头校正，以取得当前环境条件下测头X、Z、R精确值，是保证精确测量结果的有效手段。

当批量较大、精度较高时，可采取抽样对比检测的方法。即每批首件机床在线测量后，由离线三坐标测量机进行检测，对在线测量结果与三坐标检测结果进行比较、分析，将误差控制在一定范围内，则会最大程度地保证测量精度，从而提高测量效率及产品质量。

4 整体叶盘在线测量与刀具自动补偿技术应用实例

以德国立车加工中心为设备平台，应用Renishaw公司的MP10触发式测头，借助于机床导轨的运动完成X、Z方向的测量操作，机床配置为西门子840D控制系统，以整体叶盘为载体进行测量。

4.1 被测尺寸分析

如图1所示整体叶盘辐板型面控制点为根据径向尺寸φA、φB来控制轴向尺寸H1、H2，通过测量被测点至基准面的轴向尺寸来确定其实际位置。

4.2 在线检测测头校正

进行在线测量前，需要对测头Z向、X向及R进行校正，从而使测量系统对测头X、Z值以及测头的半径有精确的计算以进行补偿。测头校正程序由Sinumeric840D控制系统的高级语言编写。以下以测头Z向校正程序为例。

SETMTH(1)

；调用测头并激活

_MW=5 _SETVA=R4 _HT=1 _UT=-1 _KVAR=1

_TNAM=1 _KNU=2 _VARIA=2 _NREP=2 _EVN=0

_PROT=0 _PRNAM="circlegauge" _M_PT=1

；Z向单点测量，刀具自动补偿

L974 ；调用测量宏程序进行测量

M30 ；程序结束

校准测头时，对标准试件的测量速度应与正式工件测量时的速度一致。并查看校准后测头的直径与之前的校准结果的差别，如果变化较大，则要查找原因或清洁标准件和测头。重复进行2～3次校准，直到校准结果稳定即可。利用校准后的测头对标准件进行测量以验证测头校正精度，根据检测器具的测量精度一般取被测工件尺寸公差的1/4～1/10， 满足该要求，则校准后的测头可用于工件尺寸测量，测头校正完成，否则须重新进行校正。

4.3 在线测量坐标系的建立

遵循设计基准、工艺基准和测量基准重合的原理，在线测量坐标系通常选定与工件的工艺基准重合。根据辐板型面控制点的工艺尺寸基准确定基准面，工件的回转中心与机床工作台中心重合，在线测量坐标系原点如图3所示。

4.4 整体叶盘辐板型面控制点尺寸测量

在线测量与刀具自动补偿程序流程图如图4所示，首先设置被测点及测头基本参数、调用机床测头并激活测头、设置在线测量参数；其次调用L974测量循环依次测量各点尺寸，将测量值根据斜面补偿方案及被测辐板斜面α角进行补偿计算，得出该点的实际值，并计算实际值与理论值之差；最后根据公差带判断是否进行补偿，并将结果补偿到G54Z Fine中，测量完成。

工件的测量程序由Sinumeric840D控制系统的高级语言编写，以满足测量循环调用、赋值、变量计算、计数和记录实测结果、误差计算与补偿等功能的需要。以下为整体叶盘辐板型面控制点车削在线测量与刀具自动补偿测量循环调用及补偿部分程序。

测量参数设置：

MW=5 CRPOS=50 HT=1 _UT=-1 KVAR=0

NREP=2 EVN=0 VARIA=2 MA=1

调用测量循环进行测量并进行斜面补偿：

FOR NUM=1 TO TIME

SpindleA=(360/TIME)*(NUM-1) ；被测点角度

SPOS[1]= SpindleA ；主轴旋转到指定角度

L974() ；调用测量宏程序进行测量

Zsum= Zsum+_MVAL ；将多次测量结果求和

ENDFOR ；测量循环结束

Zsum=ABS(Zsum/TIME)；多个测量值取平均值Zsum= Zsum+(ProbeR/CAlpha-ProbeR)

；对结果进行斜面补偿

Mistake=Zsum-ABS(_SETVA)

；测量值与理论值之差

根据测量值判断工件的加工状态，并进行补偿：

IF (Zsum<=ToptZ) ；若测量值≤公差上限

IF(Zsum>=LowtZ) ；若测量值≥公差下限

MSG("OK HEGE"<< Mistake)

；机床控制面板显示OK HEGE字样

ELSE；否则(测量值≤公差下限) MYMP_UIFR[1,Z,FI]=MYMP_UIFR[1,Z,FI]+Mistake ；对G54Z进行误差自动补偿

MSG(" G54 Z BU CHANG "<< Mistake)

；机床控制面板显示G54 Z bu chang字样

ENDIF

ELSE ；否则(测量值≥公差上限)

DISPLAY1: MSG(" Z CHAO CHA "<< Mistake)

；机床控制面板显示Z CHAO CHA字样

GOTOB DISPLAY1

ENDIF

在上述车削在线测量及刀具自动补偿程序中，每一个测量循环每个测量点测量2次，360°圆周内均匀测量4点，取平均值并进行斜面补偿计算得出被测点的实际值，将该实际值与理论值进行对比，根据公差带判断是否进行补偿。

4.5 测量结果分析

应用该在线测量与刀具自动补偿程序对整体叶盘辐板型面控制点进行测量，得出被测点的测量数据，将在线测量结果与专用测具测量结果进行对比，误差小于 0.01 mm且测量结果较稳定。

5 结语

(1)整体叶盘车削在线测量与刀具自动补偿程序已通过试验件验证，并应用于工件的加工过程中，测量精度较离线的三坐标测量机测量误差在0.01 mm之内。

(2)该在线测量程序适用于被测点在测量基准面之下，并且测头具有足够的空间接触被测点而不与工件发生碰撞。

(3)根据其他型号数控立车加工中心的编程特点及测头设置，对该在线测量程序进行相应的更改完善，扩展其适用范围。

[1]昝华，薛凤举.数控加工中在线测量的应用探析[J].制造技术与机床，2007(5)：99-98.

[2]吴长忠，孙选，李国平，等.基于FANUC数控系统的加工中心在线测量研究[J].科技创新导报，2009(26)：74.

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Research on on-line measuring of the blisk turning

YANG Huixin, LI Jiayong

(Shenyang Liming Aero-Engine Group Corporation Ltd., Shenyang 110043, CHN)

Based on the research of the automatic measuring, calibration of probes, compensation of tools during the blisk turning, implement the automatic completion of the blisk turning processing, measurement and compensation of tools.Improve the parts,turning quality and efficiency.The manufacturing mode of digital on-line measuring in the turning process of the blisk is formed.

on-line measuring; compensation of tools; the blisk

V261

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.004

杨惠欣，女，1983年生，硕士，工程师，主要从事整体叶盘制造及在线检测工作。

(编辑 李 静)

2016-03-22)

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