数控加工中心附件精度检测与验证方法的研究
2020-11-19陈怀山金亮培李立华
陈怀山 金亮培 李立华
摘要：数控加工中心附件铣头用于扩展机床的加工范围，可实现五面体加工，由机床滑枕自动抓取。在实际生产过程中，机床附件由于长期使用自损或人为操作等因素，导致附件精度与主轴基准产生偏差，常规的附件精度检测及误差值修复方法，其效率及精准度受制于人工采点与计算。本文以加工中心附件精度误差自动检测与验证作为研究方向，在实际操作中结合加工中心系统功能与编程的特点，达到提高原有附件误差补偿精度，解决人工采点周期长、计算繁琐、验证风险大的问题。
关键词：加工中心附件;精度;误差;效率
在生产过程中，数控加工中心附件精度存在误差，直接影响产品加工部位尺寸、形状精度、位置精度，而定期的附件精度检测及误差值测定及修复就显得尤为重要。制定一套完善的精度误差检测和验证方案，实现操作系统和程序进行自动检测与验证，是加工中心维修与维护的必然趋势。本文以三菱加工中心历年来的附件精度誤差补偿方式为切入点，通过人工操作与自动检测两种方法对比，验证了操作系统和程序自动检测进行误差补偿的可靠性与准确性，并在实际运用中取得良好的效果。
1、加工中心附件种类
三菱加工中心设备安装的各种附属装置，目前附件种类有5种，其代码分别为：主轴隔板T1000、加长铣头T1200、小型直角铣头T1300、直角铣头T1100、万向铣头T1500。其中除主轴隔板外，其余四种附件角度转位可实现360度旋转，并与主轴的X、Y、Z有对应的补偿值，以确保加工五面体的各个位置与尺寸的正确性 。
2、加工中心附件精度检测与验证方案
在附件精度误差补偿的操作中，以往操作者采用的是利用工装加工五面采点的方式（图一a、b），由于附件本身尺寸的原因，受制于工作台上的工装。其次人为误操作导致设备碰撞后，所有附件需重新校正，采用人工打点核算周期长，数据偏差量不可控，校正后数据产品验证等待时间长，结合此特点，采用千分表（百分表）为主要工具取代工装五面加工的方式，通过操作方法与程序编制相结合的方式，达到采点灵活性强，测量精准性高，是完成精度自动检测与验证的关键。
（1）附件精度自动检测的操作方法
现场实际生产受制于工装的位置，对于千分表的摆放要求就必须具有灵活性，通常采用两种摆放方式，本文以常规操作的其中一种进行实际分析举例，如图二所示。
量具：千分表或百分表 5个，钢尺或卷尺 1个
表座摆放要求：以中心为原点，分别等距离摆放，表头指尖近似水平且垂直。采用钢尺或卷尺尺寸进行初步尺寸确认。
表座摆放尺寸调整：主轴安装标准芯棒，打点Z向以及X、Y四个方向实际距离，以压表零位以及相对坐标测量的设定方式，统一四个方向表最大点的0位数值。并记录相关数值如图四。
相关计算：Z向坐标系计算将表压在零位的机械坐标值进行记录后计算坐标系，如：-（750.+250.）=-1000.其中750MM为机床机械坐标，250MM为芯棒长度。
（2）附件精度自动检测的编程方法
结合上述步骤1，总结程序编制前的两个要素，第一：间距尺寸与压表0位的实际关系一致性和准确性。第二：四个表座Z向高度误差距离决定加长头、直角铣头、小型窄铣头、万能头的打点过程中最大点的有效范围。在两个要素满足的条件下，程序的编制与自动运行方显检测精度的可靠性。以主轴基准与加长头和直角铣头检测为例，进行编程思路的分析如下：
编程方式：主程序与子程序结合。
主程序编制如下：
M95T1000（ 主轴百分表零位确认 ）
M0
（T185 XIN BANG ）（刀具Φ50的芯棒 刀号185）
M01
N100（T1000 主轴）
G90G0G56X0Y0
G90G0G56G43Z50. H185
刀具长度补偿号
M01
G65 P0001 M100 X500. Y500. Z0. D185. F30
子程序号 子程序段号 X向间距 Y向间距 Z向基准 刀具补偿号
M01
M0（主轴五块百分表零位基准确认结束）
*直角铣头T1100举例B0角度编程 其余B90、B180 、 B270程序验证与补偿相同。
M95T1100（更换直角铣头，其余附件铣头程序编制相同）
M01
N200（T1100 B0 ）
M55B0（直角铣头角度0度分度）
M01
G65P9710C56.
G65P9711B0（B90/B180/B270）X0Y0Z0 （直角铣头附件参数B0/B90/B180/B270位置补偿代入）
G90G0G56X0Y0
G90G0G56G43Z50.H185
M01
G65P0002M200X500.Y500.Z0.D185.F300
M01
M98P8100
M0 （直角铣头B0参数验证与补偿确认结束）
结合上述直角铣头T1100的程序编制方法，采用宏程序模块化的编制简单易懂，利于操作和修改，对于小型窄铣头、万能铣头的在主程序编制中道理相同。
子程序编制如下：
N100（ 主轴各方向校对表零位子程序 ）
IF[#7EQ#0]GOTO9000 （刀补报警设定）
#33=#[13000+#7]+#[12000+#7]（芯棒半径补偿与磨损补偿计算）
G90G0G56X10.Y[0+#33-5.]（芯棒中心量偏移利于采点）
G90G0Z20.
G01Z0.F#9（Z向百分表零位确认）
G04X5.（时间暂停5秒确认表针0位）
M0
G90G0Z90.
M01
G90G0X[#24+#33]（X向距离与芯棒半径补偿）
G90G0Z-50.
G01Y10.F#9（芯棒X向最大点的数值采样变动距离）
G01Y-10.F#9
M0
G90G0Z100.
M0
G90G0X[-#24-#33]（X向距离与芯棒半径补偿）
G90G0Z-50.
G01Y10.F#9（芯棒-X向最大点的数值采样变动距离）
G01Y-10.F#9
M0
G90G0Z100.
M0
G90G0X0Y[#25+#33]（Y向距离与芯棒半径补偿）
G90G0Z-50.
G01X10.F#9（芯棒Y向最大点的数值采样变动距离）
G01X-10.F#9
M0
G90G0Z100.
M0
G90G0X0Y[-#25-#33] （Y向距离与芯棒半径补偿）
G90G0Z-50.
G01X10.F#9（芯棒-Y向最大点的数值采样变动距离）
G01X-10.F#9
M0
G90G0Z100.
M0
N200（T1100 T1300 T1500 X Y Z ）（直角铣头 、小型直角铣头、万能铣头X Y Z精度检测子程序，坐标系转换后编程）
IF[#7EQ#0]GOTO9000
#33=#[13000+#7]+#[12000+#7]
（铣头高度Z方向精度检测子程序）
G90G0G56X0
G90G0Z20.
G0Z-150.（芯棒定位在安全位置點）
G01Y[0+#33]F#9（芯棒半径在高度方向偏移编程）
G04X5.（时间暂停后确认零位基准）
M0
G90G01Y100.F1600 （安全退出距离）
M01
（铣头长度X方向精度检测子程序）
G0Z0.（长度方向零位程序确认）
G90G0X[#24-#33+5.]（芯棒端头有效采点区域）
G90G0Y10.
G01Y0.F#9
G04X5.
M0
G90G01Y100.F1600
（铣头中心在右侧Y方向精度检测子程序）
G0Z-50.（芯棒外径有效采点区域任一点）
G90G0X[#24+#33]（芯棒半径在右侧方向编程）
G90G0Y10.
G01Y-10.F#9
M0
G90G01Y100.F1600
M0
（铣头中心在左侧Y方向精度检测子程序）
G0Z-50.
G90G0X[#24-#33]（芯棒半径在左侧方向编程）
G90G0Y10.
G01Y-10.F#9
M0
G90G01Y100.F1600
M0
G90G0Y100.
M99
在子程序的编制中，综合考虑机床各个附件对于精度检测的一致性与特殊性的特点，简化主程序与子程序的关系，充分考虑子程序在编制过程中利于检测的操作与调整的要求。
（3）附件精度自动检测补偿与验证方法
完成上述二个步骤后，对操作方法与程序编制进行实际的补偿与验证，在补偿与验证的过程中，需满足两方面：（1）程序自动运行，安全稳定可靠，除自动程序运行外考虑细节处可人工操作，自动与人工操作可互相切换。（2）机床设备各项附件精度验证的准确性，达到与主轴基准相关尺寸的最小误差，以获得加工过程最高精度要求。结合两方面的要求，验证方法如下：
1.直角铣头的检测，在直角铣头检测环节，分为4个位置，每个位置4个检测点，补偿量进行系统修改之后，同时进行验证，已确保补偿的正确性如图四。其余附件检测与验证操作同上。
2.系统附件补偿前拍照留存之前参数值，在修改过程中，注意铣头的三个尺寸与四个方向的数值位置，避免出错。在数值出现偏差较多时，需要多次验证。
3.以动力集中转向架为例，在三菱二号加工中心出现碰撞修复主轴与小型直角铣头后，各附件进行此检测程序与操作方法的验证，构架加工后经3D检测相关位置度以及各个附件相关的加工尺寸精度满足工艺要求。由此为依据，避免因补偿量的偏差导致的构架加工质量问题，以及过度依赖3D检测等待周期长等不利因素。
3、附件精度自动检测与验证取得效益
多方面综合对比，附件误差人工检测及补偿（辅助3D检测）与程序自动检测与验证得出以下结论，见表1：
通过上述数据对比，设备附件误差的补偿采用自动程序编制与验证的方法，经现场实际运用从各方面取得了可观的效益，体现了操作方式从人工向自动化运行的趋势，更为后续设备日常维修与维护的验证提供了有力保障。
4、附件精度自动检测与验证的结论
（1）减少操作者人工操作的劳动强度，体现精益生产理念。
（2）避免人工操作与计算误差，提升附件补偿精度。
（3）缩短整体附件维护与维修精度检测与验证时间，提升总体生产效率。
（4）提高设备维护与维修后的首件产品质量。
（5）程序化的自动检测与验证有效降低人工误操作概率。
参考文献：
[1]冯志刚.数控宏程序编程方法、技巧与实例[M].北京：机械工业出版社，2007.
[2]周维泉.数控车/铣宏程序的开发与应用[M].北京：机械工业出版社，2012.
[3]郭士义.数控机床故障诊断与维修[M].北京：北京机械工业出版社，2005.
[4]朱仕学.数控机床故障诊断与维修[M].北京：清华大学出版社，2007.
作者简介：陈怀山，男，高级技师，中车南京浦镇车辆有限公司转向架车间，从事转向架程序编制与加工;
李立华，女，高级工程师，中车南京浦镇车辆有限公司转向架车间，从事转向架加工工艺;
金亮培，男，技师，中车南京浦镇车辆有限公司转向架车间，从事转向架程序编制与加工。
