数控加工中自动找正和在线测量技术的应用

付敏

摘要： 在传统的生产加工方案中，批量零件的生产过程中存在连续装夹、校正和精确定位、CNC刀片损坏、检查和离线检查等问题，效率低，矫正偏差大，生产加工一致性差，存在一定的人为因素安全隐患。针对以上问题，本文结合实际零件，根据机床设备系统软件的特点，开发设计了数控车床的计算机操作系统，并利用宏程序和测头完成产品工件的自动测量和自动生产加工，从而降低员工劳动强度，提高生产加工的高效率，提高零件加工质量，为批量零件的生产加工提供了合理的途径和参考。

Abstract： In the traditional production and processing plan， there are some problems in the production process of batch parts， such as continuous clamping， calibration and precise positioning， CNC blade damage， inspection and

0  引言

在中国，优秀的智能生产技术受到各个领域的高度重视，尤其是航空航天企业、航空公司及其汽车工业企业，以机械作业为主，正逐步向智能生产装备和生产迈进。流水线已成为企业重组和提高制造能力的一种方式。卓越智能制造系统生产线紧紧围绕零部件生产加工制造主题活动，将加工工艺的设计开发、生产加工、产品质量操控等紧密联系起来，完成产品质量的转移、实时产品生产加工信息内容和资源共享。随着数控加工中心等大中型数控机械的广泛应用，制造的柔性生产得到进一步提高。随着大中型、复杂、高精度零件的加工不断增加，这显然对数控车床加工提出了更高的挑战。

1  制造零件

在传统制造中，特别是小批量生产的零件，其加工方式是在一个产品生产加工完成后，下一个零件的生产加工必须以专门的定位工装或者重新找正精确定位为基础。加工坐标的起点，在车铣加工的整个过程中必须不停地停机，然后员工检查生产加工的零件的规格，并与最终规格进行比较，并计算必要的数控刀片补偿量，并继续手动设定补偿值，直至产品规格达到设计方案的尺寸公差，大大增加了生产加工时间。同时，由于数控刀片在生产过程中损坏，很容易造成重要规格不可用，导致生产效率低下，质量可预测性差，时间消耗尤为明显，不能满足生产和智能生产模式下的加工要求。考虑到上述生产加工中存在的不足，将数控车床加工技术与自动测量技术充分结合，按照自动化技术的检验方法，达到减少人为因素的实际操作。结合实际零件，根据机床和设备系统软件的特点，开发设计数控车床计算机操作系统，利用宏程序和测头完成产品零件的自动对中、在线监测和自动补偿生产加工。能很好地处理产品工件装夹精度，提高零件装夹对准速度，减少精确测量时间，进而大大降低操作人员的操作难度，完成小批量生产，快速自动化工艺生产加工复杂零件，提高公司生产率，降低产品成本，同时保证生产加工的零件具有较高的质量和规格精度，为批量零件的生产加工提供了合理的途径和参考。

2  工作原理

2.1 自动找正设置坐标系

原来的对中方法是将产品工件放在十字滑台上，油脂数据透析台对中产品工件的一侧，将产品工件对正整平，然后根据对刀仪设定坐标起点。对中方法耗时长，对中偏差大，生产率低，工作人员劳动强度高。自动对中的原理是将产品工件和夹具随意放置在十字滑台上，数控测头对夹具和零件上的加工基准面上进行自动测控，根据测头精确测量的A、B两点，自动测控系统软件可自动测量出产品工件AB面与X轴的交角，并根据精确测量得到动态信息数据。可重构生产加工平面坐标，进而自动调整平面坐标，达到“对位”產品工件的目的。产品工件设置好后，根据测头自动测控系统的A、C、D点坐标，得到X、Y、Z轴的起点。这种接入方式消除了标准传输造成的生产加工偏差。自动对位提高了产品生产加工的质量。

2.2 自动对中坐标系模块

全自动平面坐标控制模块：第一，两条直边加一条为平面坐标;第二，平面坐标二孔加一;第三，平面坐标一孔加一;第四，对称中心加一为平面坐标平面坐标。零件全自动对中后，执行生产加工平面坐标设置程序流程。CNC车床根据测头对零件进行精密测量，完成生产加工平面坐标G54的全自动设定。根据精确的测量程序启用零件的自动对中和起点的设置，大大提高了生产制造步骤的自动化技术水平，减少了生产现场的管理时间，降低了员工的劳动强度，并且避免了操作员每次都进行搜索的需要找正时的偏差，提高了零件加工的一致性和稳定性。

2.3 在线加工自动测量补偿

目前商品的深加工往往选择提刀预埋生产加工边角料，人工准确测量规格，手动调整CNC刀片或平面坐标以补偿生产加工规格。这不仅切断了生产加工步骤，危及工艺流程的定量分析，而且更容易造成误操作，导致产品质量问题。针对这种开发设计，自动测量补偿生产加工技术，根据机器内头完成产品的起点设置和精确测量，同时将精确的测量数据信息与产品进行比对测量值，并按照交互方式将数据信息读取到数控车床的自变量中，利用采集到的数据驱动数控机床程序流程完成全自动补偿生产过程，防止人工控制造成误生产和加工，合理提高数控车床的响应补偿生产能力。当探头准确测量零件的特性时，检测系统会输出特定的准确测量值。采集系统满足要求后，将数据信息存储在一个临时的二维自变量数组中，并恢复到原来的状态，为准时接受下一次准确的测量数据信息做好提前准备;在整个采集过程中，如果准确的测量数据信息不符合检测范围，且用于临时记录数据信息的二维数组自变量中有数据信息，则机器内头完成产品的准确测量，收集并计算数据信息，利用计算出的数据驱动数控车床升级数控刀片数据信息，在线测量关键分为产品零件的精确测量、生产中的零件规格操纵、生产后的零件和加工完成后零件尺寸检查。工件位置的精确测量是在产品工件准确定位装夹后，使用测头准确测量产品工件位置，可以补偿夹具在产品工件精确定位中的偏差，提高精度批量生产部分的水平。在数控车床加工的全过程中，通过探头准确测量和监督重要规格的生产加工是否符合标准公差要求，实时监控系统产品质量，完善生产过程质量管理，提高产品质量。商品生产加工的加工精度。零件加工完成后，对生产加工部位进行尺寸检查，区分规格是否符合要求，进一步提高生产加工的可靠性。

3  在线测量的应用

3.1 在线测量

在线测量，简单来说就是在同一台机器和设备上进行生产加工和精确测量的一种测量方法。例如，在安装了测头系统的加工中心上，一次装卡即可生产并精确测量产品工件，节约成本，降低精确测量成本，防止二次装夹偏差。可降低不合格率，尽早发现废品，防止生产加工消耗。尤其是在各种大小不一的生产标准下，自动化测量的优势体现在生产加工、检验、偏差补偿一体化，完成生产加工前后高精度的自动测量，避免由于多次装夹造成的跑偏，大大减少辅助时间，保证数控车床的运行状态和加工精度，降低故障率。

3.2 测量过程

精确测量的全过程是在数控车床上选择探头进行精确测量时，先将探头安装在数控车床的主轴轴承上，然后工作人员手动操作机床移动，使测头测针的前端接触到工件表面，数控车床的数控机床实时记录并指示主轴轴承的平面坐标。进一步地，可以将触针的断路器与产品工件的具体地址相关联，利用车床主轴的平面坐标可以计算出产品工件被测点的相关平面坐标。得到产品工件各测点的相关平面坐标后，再根据各坐标点的几何位置关系进行相关计算，即可得到最终的精确测量结果。

3.3 测量结果误差

在所有的精密测量中，由于诸多元素的影响，得到的精密测量值总会存在偏差。为了使结果接近于真实值，必须对准确的测量结果进行补偿。因此，准确测量的整个过程中准确度测量精度的偏差是从具体的分析和考虑中得出的。因此，数控车床生产过程中的偏差，在整个精确测量的过程中也会损害测量的准确性。造成数控车床自动测量数据误差的关键包括测头系统的偏差、数控车床配合运动部件精确定位的偏差、不科学的精确测量方法造成的偏差。测头系统的偏差分为测头静态数据的偏差和测头动态数据的偏差以及测头在数控车床上的安装偏差等。测头静态数据偏差包括过流保护偏差和测头重复精度定位偏差，随测杆长度的变化而变化，弯曲刚度和接触应力。过流保护偏差是指探头接触产品工件后测量杆的弯曲变形。探头的重复精度定位偏差与过流保护的偏差相比较小，因此探头的静态数据偏差主要由过流保护的偏差决定。测头动态偏差的关键与测头检测时的接触率和数控机床的取样距离有关。测头按数控车床配套设施的夹头安装在车床主轴上。由于测头中心线与主轴轴承中心线不完全对齐，导致测头安装存在偏差，造成多方位精確测量中的数据误差。测头与主轴轴承的安装偏差可在精确测量前根据测头轴力校准进行部分补偿。

由于数控车床零件的制造、安装偏差，伺服控制系统的跟踪误差及其间隙、摩擦等因素，数控车床各部件在进行测量时，会造成准确定位偏差。另外，测头的半翘曲偏差也是一个关键的偏差来源，可以根据数据处理方法中测头的半翘曲补偿来去除。但是在具体的精密测量中，情况比较复杂，探头的半翘曲偏差会引入精密测量结果。这种偏差在随机斜面精确测量的整个过程中更为明显。针对精确测量全过程中存在的诸多偏差，高效、高精度的偏差补偿优化算法是有待解决的重要问题。在特定的应用中，可以通过多次精确测量和偏差补偿来减少数据误差，提高测量精度。在线监测系统利用探头与被测物体的碰撞来澄清点接触的位置信息。

4  结论

由测头系统软件和数控车床组成的数控加工中心自动测量技术，可减少生产辅助时间，提高生产效率。同时也减少了离线数据错误导致的不合格率，充分利用数控车床的特点。保证加工精度，提高数控车床的生产能力，提高数控加工中心的使用水平，在线测量技术将得到越来越广泛的应用。

参考文献：

[1]房明.数控加工中在线测量技术[J].电子技术与软件工程，2021（13）：117-118.

[2]运金芬.数控磨齿机在线测量系统测量过程控制技术研究[J].工业计量，2020，30（06）：9-11.

[3]林云川，程志远.数控机床在线测量系统校准技术研究[J].计测技术，2020，40（04）：19-22.