在机测量系统在数控车削自动化生产线上的应用

罗一桓，曾 刚

(成都四威高科技产业园有限公司，四川 成都 611731)

在数控加工自动化生产线技术的发展过程中可以发现，由数控铣削机床组成的自动化生产线相对比较成熟而常见，而由数控车削机床组成的自动化生产线却很少见。这是因为数控铣削机床的生产过程人工干预度低，具备一定的自动化基础；而数控车削机床的生产过程人工干预度高，实现自动化的难度相对较高[1-3]。

通过研究分析可以发现，之所以认为数控车削机床自动化难度更高，是因为数控车削加工在传统的单人单机生产模式下，在装夹找正环节中存在大量人工参与的动作，且有些动作通过工业机械臂暂时替代不了。这些动作如下。

1)零件装夹后用千分表检查轴类零件的外圆圆跳动，或检查盘环类零件端面跳动。

2)加工前要试切工件外圆，千分尺测量后修正每把刀的刀补。

3)加工前要试切工件端面，卡尺测量后修正零件Z轴零点。

上述3个人工动作，极大地限制了工业机械臂与数控车削机床的自动化结合。为此，笔者所负责的团队在数控车削自动化生产线的建设实践中，创造性地发挥在机测量系统的功能，巧妙地解决了上述问题，使得数控车削自动化生产线建设取得了成功。本文将其解决方案及应用经验分享如下。

1 项目背景

笔者负责的团队近期为客户建设一条数控车削自动化生产线，该生产线主要由10台斜床身数控车床(控制系统FANUC 0i-TF)、10套在机测量系统和1台六轴机械臂(含第七轴直线导轨)组成。该生产线负责3张图样10道车工工序的自动化加工，每台车床各负责一道车工工序，其零件形态和装夹状态各不相同。整条生产线由一个操作者在线外负责零件上下料，机械手负责实现这10台车床的装卸动作，而在机测量系统负责实现零件及刀具的找正动作。

该生产线的系统组成如图1所示，数控车削自动化生产单元3D布局如图2所示。其中，在机测量系统选择的是雷尼绍公司OLP40工件测量系统和HPMA对刀臂[4]。

图1 数控车削自动化生产单元系统组成图

图2 数控车削自动化生产单元3D布局图

2 解决方案

2.1 实现自动对刀

2.1.1 原有方式分析

单人单机的人工操作模式下，数控车削对刀一般采用试切的方式进行，每把车刀都要单独试切一次，试切后由人工用千分尺测量加工面直径，以此确定刀具参数。这种方式效率很低，每次生产前对刀都花费5～10 min的时间。不仅如此，如果更换新产品，或是加工一段时间出现刀具磨损，都要重新对刀。

2.1.2 现有解决方案

在自动化生产中，不希望每次零件加工前都要进行人工重新对刀。因此，笔者使用HPMA对刀臂来解决对刀问题。HPMA对刀臂的对刀工作分为如下3个步骤。

1)对刀臂标定。

对刀臂的标定工作只需要每次加工新产品前做1次，其功能是标定机床加工此零件时的X轴零点和Z轴零点。

首先在刀库中任意选择一把刀作为基准刀，将这把刀进行零件试切，测量加工面的直径和Z轴零点，人工设定好这把刀的刀具参数。然后取下零件，打开对刀臂，将基准刀刀尖移动至对刀臂附近15 mm以内的位置，执行对刀臂标定程序。对刀臂标定的程序语句是：“G65P9011H3K2B15”，其中Hi参数表示被测刀具的类型，如H3就是测量外圆刀。

2)刀具半自动测量。

刀具半自动测量仅需要每次安装或更换新刀杆时做1次，重复安装刀杆或更换刀片都无需重新进行半自动测量。刀具半自动测量的作用是记录该刀位下刀具基本参数，避免刀具自动测量时因误差过大而超过检测范围。

进行刀具半自动测量时，需要手轮操控，将被测刀具的刀尖点移动到距离对刀臂测头15 mm以内的位置，再执行半自动测量程序。这个距离目测判断即可，无需精确控制。

半自动测量程序的语句是：“G65P9011H3B15T10”，其中Ti参数表示被测刀具的刀位号。

3)刀具自动测量。

刀具自动测量需要在已经经过刀具半自动测量后的刀具上进行。刀具自动测量无需人工操作，可以随时侦测刀具磨损，并在下次加工过程中将其进行补偿。

刀具自动测量理论上可以在自动化生产过程中任意时刻执行，但为了避免干涉，多数情况下需要在不装夹零件的情况下执行。

自动测量的程序语句是：“G65P9012H3B15”。所测值将自动修正当前刀号的刀具参数[5]。

2.1.3 自动化应用效果

通过HPMA对刀臂，在数控车削机床上实现了高效率的自动化对刀(见图3)。每次加工零件前，就可以把刀塔上的所有刀具都重新测1遍，以此消除加工过程中刀尖磨损带来的误差。每把刀具的对刀时间只需约10 s，全部12把刀具的对刀时间也不会超过2 min。

2.2 实现圆跳动、端面跳动自动检查

2.2.1 原有方式分析

数控车削装夹后一般都要对零件的圆跳动、端面跳动进行检查。在单人单机的操作模式下，操作者在磁力表架上安装百分表，百分表靠近工件，旋转主轴，通过查看百分表数值的跳动来判断圆跳动。这种方式效率低，每次找正都需要3～5 min，且测量结果受操作者主观因素影响，无法量化。

图3 刀具自动对刀应用示例

2.2.2 现有解决方案

在自动化生产中，虽然采用了高精度液压卡盘和订制卡爪增大装夹面积等方式，最大限度地减小装夹中的同轴度误差，使得机械手自动装夹准确率达到80%以上。但是，机械臂装夹过程中，难免会因为各种意外导致装偏装斜，这种意外不可预测且无法修正。如果因此要求操作者到每个机床前手工检测零件是否装正，显然失去了自动化高效加工的意义。为此，笔者采用OLP40工件测量系统来实现圆跳动、端面跳动的自动测量。

圆跳动自动测量的工作原理是利用OLP40工件测量系统的测量外圆直径的功能，让零件外圆面每旋转45°测量1次直径，共测量8次(也可减小旋转角度，测量更多次)。然后通过宏变量计算，自动找到最大直径和最小直径，两者差值的一半就是该零件圆跳动的近似值。零件测头测外圆跳动应用示例如图4所示[6-7]。

图4 零件测头测外圆跳动应用示例

圆跳动的自动测量的典型程序示例如下：

%

O7003 (30xu-cetou-waiyuan)

#831=0.05 (设定圆跳动最大公差值0.05)

#850=134. (设定测量外圆的安全点直径134)

#851=129.5 (设定测量外圆的测量点直径129.5)

G28U0.W0. (回换刀安全点)

G98G00

M19 (主轴定位停止)

T1214 (换位于12号刀位的测头，使用14号刀具参数)

M75(PROBE ON) (测头测量功能启动)

M89 (开启主轴定角度旋转)

G4X0.5 (暂停0.5 s)

B0 (C轴旋转到0°)

G98G54G0X140.Z20. (快速移动到安全点)

G65P9810Z-8.F1000 (Z方向安全移动)

G65P9810X#850 (X方向安全移动)

G65P9811X#851 (测量理论直径)

#610=#138 (将0°位置的测量直径暂存#610参数)

G65P9810X#850 (X方向安全移动)

B45 (C轴旋转到45°，并重复测量)

…… (共测量8个角度，此处省略重复语句)

#810=610 (开始宏参数计算)

#811=#[#810]

#812=#[#810]

#821=1

WHILE[#821LT8]DO1

IF[#811LT#[#810+#821]]GOTO2

#811=#[#810+#821]

N2

IF[#812GT#[#810+#821]]GOTO3

#812=#[#810+#821]

N3

#821=#821+1

END1

(上述宏参数计算，找到#610～#617的最大值赋给#811，最小值赋给#812)

#830=ABS[#812-#811]/2 (计算圆跳动为最大直径减最小直径的一半)

#832=[#610+#611+#612+#613+#614+#615+#616+#617]/8 (计算平均直径)

M74(PROBE OFF) (测头测量功能关闭)

IF[ABS[#830]GT#831]GOTO92 (判断如果圆跳动大于圆跳动公差值则报警)

G5.1Q1

G28U0.W0.

M99 (如果圆跳动检测合格则返回主程序)

N92

G4X1.

IF[#1003EQ0]GOTO94 (通过#1003的状态来判断机床是否处于自动化联机状态。如果是，则向控制系统反馈报警信息；如果不是，则在跳转到N94行，机床系统内产生报警信息)

G28U0.W0. (回换刀安全点)

M19 (主轴定位停止)

M66 (向控制系统反馈报警信息)

G4X2.

M61 (机床门打开)

M30 (程序结束，等待机械手二次装夹)

N94

G28U0.W0.

#3000=81(CIRCULAR JUMP NG) (系统报警：圆跳动超差)

M30

%

端面跳动、内孔圆跳动的自动测量程序与外圆圆跳动的程序非常相似，只需要改动一下测量方向即可。

2.2.3 自动化应用效果

通过OLP40工件测量系统，在数控车削机床上实现了圆跳动自动测量，每次圆跳动测量仅需不到20 s的时间，解决了机械臂自动化装夹过程中有时会装不正的风险，极大地提高了自动化生产的加工效率和机床利用率。但是，需要指出的是，通过圆跳动自动测量程序可以发现装夹不正的问题，但无法解决该问题。目前，机械臂的一次装夹正确率约在80%以上。笔者采取的方案是一次装夹后圆跳动超差，呼叫机械手二次装夹，如果二次装夹圆跳动还是超差，则在总控台显示机床异常信息，呼叫人工方式解决。因此，需要人工干预的装夹问题可能性压缩到4%以下。

2.3 实现自动找正Z轴零点

2.3.1 原有方式分析

在一些数控车削工序中，零件的Z轴零点不是以三爪自定心卡盘装夹底面为基准，而是以零件的右端端面为基准，或是以某个已加工面的相对距离为基准。在这种情况下，因为零件长度误差的关系，零件Z轴零点可能每件都不一样，需要件件找正。

在单人单机的操作模式下，这种Z轴零件的找正需要通过人工每件试切来找正。具体做法是：每件零件先小余量试切一个见光面，再测量这个端面到基准面的距离，然后将这个距离值输入到对应刀具号的刀具参数表中。有时甚至需要多把车刀分别参与试切和刀具参数调整。这样的方式不仅找正效率非常低，而且这个过程完全依靠操作者手工测量和输入数值，还极易量错或改错参数，造成零件加工不合格。

2.3.2 现有解决方案

在自动化生产中，不可能接受零件每件都靠人工试切找正的方式。为此，笔者采用OLP40工件测量系统来解决自动找正Z轴零点的问题。

自动找正Z轴零点的工作原理是利用OLP40工件测量系统测量Z轴长度的功能，测量零件某个基准端面(不一定是理论0平面)，找到实际测量值与理论值之间的差值，然后将这个差值补正到坐标系中去。每个零件只需测量1次，刀具参数无需改变，所有刀具都无需重新对刀[8-9]。

自动找正Z轴零点的典型程序示例如下：

%

O7011(110xu-cetou-1-duanmian)

G28U0.W0.

G98G00

M19 (主轴定位)

T1214 (换位于12号刀位的测头，使用14号刀具参数)

M75(PROBE ON) (测头测量功能打开)

M89

G4X0.5

G98G54G0X160.Z20.

G65P9810X135.F1000 (X轴安全移动)

G65P9810Z10. (Z轴安全移动)

G65P9811Z2. (测量有2 mm理论加工余量的端面)

#5242=#5242+#142 (将测量误差#142值补正到G55坐标系Z轴零点参数中)

G0Z20.

M74(PROBE OFF) (测头测量功能关闭)

G28U0.W0.

G99

M99

%

2.3.3 自动化应用效果

通过OLP40工件测量系统，在数控车削机床上实现了自动找正零件Z轴零点，每个零件在长度误差不超过10 mm的情况下，均可以自动找正。每次测量时间<10 s，极大地提高了自动化生产的加工效率和机床利用率。

3 应用经验

因为数控车削机床操作时人工干预的情况更多，因此通过数控车削机床组建自动化生产线，其难度要比用数控铣削机床实现自动化生产线更难。即使采用雷尼绍公司OLP40工件测量系统和HPMA对刀臂，从理论上代替了人工装夹找正的动作，但在实际应用中，每种零件每个工序加工的实际情况都不一样，都需要进行有针对性的工艺调整。笔者团队在实践过程中，总结出了一些应用经验，分享如下。

3.1 HPMA对刀臂的应用经验

1)雷尼绍公司提供的数控车削对刀臂，常用的有HPMA型和HPPA型2种，区别在于HPMA型内置旋转电动机，可以通过M代码控制展开和收拢，而HPPA型只能人工展开和收拢。因此，在实施自动化生产线中，一定要选择HPMA型，才能实现远程自动控制。

2)HPMA对刀臂在展开工作时，测头要通过车床旋转轴，因此稍微长一点的零件都要干涉，所以必须在不装夹零件的状态下执行刀具自动对刀程序。

3)HPMA对刀臂的展开和收拢的运动会扫过卡盘前一段圆弧区域，应注意避免与卡盘及卡爪的干涉，必要时需要镗修卡爪外缘(见图5)。

图5 因卡爪与对刀臂干涉而镗修卡爪的示例

4)数控车削机床的刀具参数，有“偏置/形状”和“偏置/磨损”2个参数表。通过测刀臂获得的刀具参数需要统一放在一个参数表内，如果混淆就会出错。以FANUC系统的数控车削机床为例，如果宏参数#509=1时，测量后的刀具参数会记录到“偏置/形状”参数表中；如果#509=0时，测量后的刀具参数就会记录到“偏置/磨损”参数表中。如果参数不统一，就会发生半自动对刀程序将刀具参数存放到“偏置/磨损”参数表中，自动对刀程序运行时又从“偏置/形状”参数表中获得错误数据，导致撞刀的情况。

3.2 OLP40工件测量系统的应用经验

1)要合理选择测针。OLP40工件测量系统标配的是一根φ6 mm的单针(见图6)，而提供的安装方式是安装在φ25 mm的内孔刀座上。这种情况下，测头就只能测量零件右端面附近的外圆及端面，功能十分有限。因此，建议更改成φ2 mm十字针形式(见图7)，测量功能就能大幅加强。

图6 测头标配φ6 mm单针示例

图7 测头选配φ2 mm十字测针示例

2)采用十字测针之后，3个测头均可用于测量，但3个测头的刀具参数是不一样的，需要分别标定。一般1个刀号只能记录1组刀具参数，因此十字测针会占用其他空刀刀号的刀具参数。例如，用“T1212、T1213、T1214”来定义3根测针的刀具参数。

3)HPMA对刀臂不能用于测量OLP40工件测量系统的刀具参数，因为两者是通过检测触碰位移来实现检测的，相互接触时不能肯定哪边会先发生位移。这样测量出来的刀具参数会有较大误差，导致后期测头测不准。

4)使用OLP40工件测量系统时应注意测头的干涉。车床内空间有限，测头运动比刀具运动更复杂，要注意与车床内其他部件之间的干涉(见图8和图9)。比如测头座与尾顶的干涉、测头尖端与卡盘的干涉、测针与测座的干涉等。

图8 测头拆卸前端测针，避免与卡爪干涉的示例

5)测头除了使用时可能发生干涉外，在换刀时也有可能与机床钣金发生干涉。上文提到十字测针的横针如果长度短于测头座的大小，就会在测量时发生干涉。此时应在十字测针的横针上加装延长杆，但延长杆又不能太长，太长在换刀时会和机床钣金干涉。例如，在十字测针的横针上加装20 mm的延长杆，在刀座干涉与钣金干涉之间达到平衡(见图10)。

图9 测头不装延长杆，避免测头座与尾顶干涉示例

图10 刀座干涉与钣金干涉之间达到平衡示例

6)在部分机床上，采用内孔刀座横装测头的方式会带来无法避免的干涉，笔者自制测头座工装，将测头竖过来安装(见图11)。在竖装测头时应注意测针长度，如果测针过长，极易在换刀时与机床内侧护板发生碰撞。

图11 通过自制工装竖装测头示例

7)圆跳动自动找正程序的工作原理是在零件周圈多个角度测量零件半径，找出最大值与最小值的差。这就要求数控车削机床具备分度旋转的功能，在FANUC系统中，该功能受K3.4参数控制。如果有些数控车削机床不具备定角度旋转功能，也可采用任意低速旋转一定时间后停止再测量直径的方式。这种方式的测量点分布比较随机，不如定角度旋转测量点分布均匀，因此建议多测几个点。

8)自动找正Z轴零点程序的工作原理是：每次装夹后，在前一个零件定义的坐标系下，测出零件基准面实测值与理论值的差值，然后以此修正坐标系的Z轴参数，使该零件的基准面与理论基准面重合。因为测头默认的测量越程距离是10 mm，也就是说，当不同零件间基准面误差<10 mm时，都可以用这个程序自动修正Z轴零点。如果零件间误差过大，则需要在测量语句中增加一个Q参数值，例“G65 P9811 Z2. Q20”可以将各零件间的允许误差扩大到20 mm。

4 建设成果

在这条数控车削自动化生产线建设中，通过在机测量系统的大量应用，让数控车削机床、在机测量系统与六轴机械臂有机地结合在一起，成功解决了自动化生产线中数控车削机床零件装夹找正的关键问题，弥补了数控车削加工从单人单机操作到自动化操作中的关键一环，使得该条数控车削自动化生产线能够高效而稳定地运行，在生产效率、人力成本、加工质量方面都比单人单机操作有大幅提高。这套在机测量系统的应用方案在所有数控车床上都具有普遍的推广意义[10]。