在线测量技术在标准动车组构架加工中的开发应用

■ 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 （山东青岛 266111） 刘佛贵

在线测量，指的是包括工程和科学研究乃至生活过程中所进行的一切实时或准实时测量。如果能在生产线上对加工过程加以检测，即进行“在线测量”，不仅可以降低消耗、减少成本、增加产量和提高效益，还可以保证产品质量、增强产品的竞争力。另外，在线测量还能随时检测和诊断甚至排除生产设备的潜在故障，使生产系统处于最佳的运行状态。

图1 构架整体加工时端板加工示意

1. 现状及问题

我公司生产的CR400AF型中国标准动车组构架端板工艺流程为：①端板单件加工4×φ22mm孔。②端板焊接到构架上。③构架整体加工，端板需加工140mm×140mm的方孔，方孔与4×φ22mm孔要求中心重合。加工示意如图1所示。

构架焊接存在一定的变形，端板上φ22mm孔的位置发生变化，孔与孔的相对位置也会产生一定的倾斜。构架整体加工时，要求端板上加工方孔的中心与4×φ22mm孔构架四边形的中心重合，倾斜角度与四边形的整体倾斜角度一致。传统的加工工艺需要人工测量φ22mm孔的位置，人工计算出位置偏移量，人工偏移、旋转工件坐标系后进行方孔加工。该工艺生产效率低，存在安全、质量隐患，满足不了批量生产要求。

2. 解决问题的思路

我公司加工构架的数控机床带有在线测量系统，由可进行自动刀具交换的测量探头及其接口、带自定义宏程序的NC装置所构成，该系统暂未开发应用。可以通过编制在线测量宏程序，测量探头自动检测端板φ22mm孔的位置，将检测结果存储到CNC的系统参数里，根据存储的系统参数计算出工件坐标系偏移量和旋转量，在方孔加工所用的坐标系初始化时将偏移量、旋转量设置进去，自动实现坐标系的调整，进行全自动检测、加工。该方案的难点在于在线测量程序的研究、测量精度的校正和坐标系转换。

3. 在线测量技术应用验证

（1）选用测量探头 选用Renishaw在线测量探头，该探头由BT50测量刀柄、测头装置、LP2转接头、LPE2延长杆、测针和测头组成（见图2）。

（2）探头初始化 测量探头长度为311.511mm，测头直径为6mm，初步设置偏心量为0mm，测量时的接近量及过头量均为10mm，测量4个点确定圆，编制探头初始化程序如下。

G65P9101.S1.X0Y0 Z311.511D6.F50R1000.A10.B10.C0.I0Q4.；

（3）探头偏心量设置及精度校正 探头X、Y方向的偏心量通过测量标准孔进行校正，标准孔直径为φ50mm，理论坐标为X0、Y0。使用探头测量标准孔的实际坐标值，将其设置为探头的偏心量，偏心量校正程序如下。

G65P9171Z-10.D50.；测量直径为50mm的标准孔

#790=#115；将X方向偏移量#115赋值给#790

#791=#116；将Y方向偏移量#116赋值给#791

G65P9101S1.X[#790]Y[#791]Z311.511

D6.F50R1000.A10.B10.C0I0Q4.；探头二次初始化，增加偏心量参数

（4）测量端板φ22mm孔的位置 使用测量探头对端板上4个φ22mm孔进行检测，将各个孔的坐标值存储到CNC系统参数中，根据坐标值计算4个孔的整体倾斜角度，程序如下。

G65P9201S1.X-115.Y50.Z-15.D22.；测量孔1

#850=#111；将孔1的X坐标赋值给#850

#851=#112；将孔1的Y坐标赋值给#851

G65P9201S2.X-115.Y-50.Z-15.D22.；测量孔2

#852=#111+#850；将孔1与孔2的X坐标中点赋值给#852

#853=#112+#851；将孔1与孔2的Y坐标中点赋值给#853

G65P9201S2.X115.Y-50.Z-15.D22.；测量孔3

#854=#111；将孔3的X坐标赋值给#854

G65P9201S2.X115.Y50.Z-15.D22.；测量孔4

#856=#111+#854；将孔3与孔4的X坐标中点赋值给#856

#857=#112+#855；将孔3与孔4的Y坐标中点赋值给#857

#858=ATAN[ABS[#856-#852]/[#857-#853]]；计算倾斜角度赋值给#858

（5）设置方孔加工的坐标系 将4×φ22mm孔的整体中心设置为方孔加工的坐标系原点，程序如下。

G65P9710C56.；

G65P9711B180.X[0]Y[#852/2+#856/2]Z[#853/2+#857/2]；

在算例1的基础上,算例2将提出的负荷频率协调控制和滑模负荷频率控制器应用于柴储混合电力系统中,对系统频率进行优化控制。算例2的系统负荷频率偏差值如图4所示。

判断4×φ22mm孔构成的四边形的整体倾斜方向，如果整体向下倾斜，方孔加工坐标系则顺时针旋转；如果整体向上倾斜，方孔加工坐标系则逆时针旋转，程序如下。

探头偏心量校正以后，再次测量φ50mm标准孔，根据测量直径偏差，设置为探头的精度校正值，精度校正程序如下。

G65P9201S1.X0Y0Z-10.D55.R98.；测量直径为50mm的标准孔

G65P9161H792.；将测量的直径偏差值赋值为#792

G65P9101S1.X[#790]Y[#791]Z311.421

D6.F50R1000.A10.B10.H792.I0Q4.；探头三次初始化，增加精度校正值

图2 在线测量探头

IF[#857GE#853]GOTO1000；如果整体往上倾斜，程序跳转至1000

IF[#857LT#853]GOTO1001；如果整体往下倾斜，程序跳转至1001

N1000；

G68R#858；坐标系逆时针旋转

GOTO1003；

N1001；

G68R-#858；坐标系顺时针旋转

GOTO1003；

N1003；方孔加工程序

……

至此，方孔加工完成。应用在线测量技术加工的中国标准动车组构架端板方孔，经三坐标测量机检测，方孔中心与4×φ22mm孔构成的四边形的中心重合，整体倾斜角度相等，加工结果满足要求。

4. 结语

在线测量技术的开发应用，将中国标准动车组构架端板加工由手动模式转变为全自动模式，提高了加工效率，避免了安全、质量问题的发生。同时，探索了一种应用于数控加工过程中的“精度校正+在线测量+设置坐标系”在线测量模式，为在线测量技术的推广奠定了基础。