機(jī)械加工智能生產(chǎn)線在機(jī)測(cè)量及仿真技術(shù)應(yīng)用

張永巖，方芳，陳鐵，王慶友

1. 航空工業(yè)哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 黑龍江哈爾濱 150066

2. 中航國(guó)際航空制造工藝應(yīng)用中心 北京 101300

1 序言

在新一輪工業(yè)革命背景下，制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)成為大勢(shì)所趨[1，2]。信息化、集成化和智能化已經(jīng)成為制造企業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段之一[3]。

我單位在推進(jìn)機(jī)械加工領(lǐng)域數(shù)智轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中，重點(diǎn)開展了機(jī)械加工柔性智能生產(chǎn)單元的建設(shè)，開展了柔性制造技術(shù)研究，取得了一定的建設(shè)和應(yīng)用效果。而在開展智能生產(chǎn)線建設(shè)和應(yīng)用的過(guò)程中，在機(jī)測(cè)量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)柔性智能化生產(chǎn)的強(qiáng)力技術(shù)支撐[4]。

本文探討了針對(duì)柔性智能生產(chǎn)線數(shù)控加工過(guò)程中在機(jī)測(cè)量技術(shù)工藝應(yīng)用的技術(shù)方案、應(yīng)用研究以及技術(shù)開發(fā)實(shí)現(xiàn)方法和途徑，主要包括在機(jī)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用總體架構(gòu)、在機(jī)測(cè)量程序編程和數(shù)控系統(tǒng)測(cè)量子程序開發(fā)實(shí)現(xiàn)以及在機(jī)測(cè)量后處理開發(fā)、仿真環(huán)境構(gòu)建等。

2 柔性智能機(jī)械加工生產(chǎn)線在機(jī)測(cè)量功能開發(fā)

數(shù)控機(jī)床在機(jī)測(cè)量技術(shù)是指在數(shù)控機(jī)床上通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)（一般為雷尼紹裝置）對(duì)零件進(jìn)行在機(jī)測(cè)量的技術(shù)。當(dāng)前主流數(shù)控系統(tǒng)均具備通用的測(cè)量應(yīng)用。在柔性智能化機(jī)械加工生產(chǎn)線中，在機(jī)測(cè)量技術(shù)主要用于零件加工基準(zhǔn)精確找正、加工過(guò)程中特征尺寸的監(jiān)測(cè)以及特征尺寸精確補(bǔ)償加工等場(chǎng)景，對(duì)實(shí)現(xiàn)零件加工過(guò)程中精準(zhǔn)定位、精準(zhǔn)確定加工余量以及精確補(bǔ)償加工起到重要作用。在柔性智能機(jī)械加工生產(chǎn)線建設(shè)時(shí)需根據(jù)使用的數(shù)控設(shè)備和數(shù)控系統(tǒng)類型、基準(zhǔn)找正、特征尺寸測(cè)量以及補(bǔ)償加工的工藝應(yīng)用需求，進(jìn)行在機(jī)測(cè)量程序的開發(fā)。

2.1 在機(jī)測(cè)量技術(shù)工藝應(yīng)用環(huán)境總體架構(gòu)

針對(duì)柔性生產(chǎn)線，在數(shù)控設(shè)備、控制系統(tǒng)測(cè)量功能以及測(cè)量系統(tǒng)軟硬件的基礎(chǔ)上，在機(jī)測(cè)量技術(shù)的工藝應(yīng)用技術(shù)主要由CAM測(cè)量編程功能環(huán)境、測(cè)量后處理功能、測(cè)量仿真環(huán)境以及數(shù)控系統(tǒng)測(cè)量子程序等部分組成，應(yīng)用環(huán)境總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 在機(jī)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用環(huán)境總體架構(gòu)

2.2 在機(jī)測(cè)量功能在數(shù)控系統(tǒng)中的開發(fā)實(shí)現(xiàn)

數(shù)控機(jī)床上在機(jī)測(cè)量程序的應(yīng)用通常通過(guò)測(cè)量宏程序?qū)崿F(xiàn)，測(cè)量宏程序是實(shí)現(xiàn)在機(jī)測(cè)量的基礎(chǔ)[5]。

在建設(shè)實(shí)踐中，生產(chǎn)線建設(shè)方針對(duì)發(fā)那科數(shù)控系統(tǒng)、海德漢數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了基準(zhǔn)找正測(cè)量（如測(cè)量?jī)煽桌狈较?、測(cè)量?jī)牲c(diǎn)拉直方向、測(cè)量單孔找正基準(zhǔn)、測(cè)量槽口拉直方向和測(cè)量平面單點(diǎn)找正Z向等）、特征尺寸測(cè)量監(jiān)控（如面平面度、點(diǎn)坐標(biāo)、槽寬、圓柱直徑尺寸和孔徑尺寸等）以及補(bǔ)償加工測(cè)量（如槽寬尺寸、面位置、孔尺寸和立筋尺寸）等多達(dá)30余種測(cè)量功能。

針對(duì)發(fā)那科系統(tǒng)，通過(guò)定制開發(fā)宏程序?qū)崿F(xiàn)在機(jī)測(cè)量特定功能，在具體零件加工前、加工時(shí)以及加工后在主程序中進(jìn)行該類宏程序的調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)具體的在機(jī)測(cè)量應(yīng)用。針對(duì)各類測(cè)量過(guò)程中測(cè)頭控制要求開發(fā)的多種測(cè)量宏程序如下。

在這些測(cè)量宏程序的基礎(chǔ)上，可通過(guò)定義各類的調(diào)用來(lái)生成特定特征元素的測(cè)量以及結(jié)果應(yīng)用測(cè)量程序。例如針對(duì)典型的孔找正，可以通過(guò)以下指令序列實(shí)現(xiàn)原點(diǎn)的測(cè)量和基準(zhǔn)孔的測(cè)量，最終結(jié)果存儲(chǔ)在#5241、#5242基準(zhǔn)變量中。

針對(duì)海德漢數(shù)控系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)用數(shù)控系統(tǒng)各類探測(cè)循環(huán)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)在機(jī)測(cè)量特定功能。例如針對(duì)具有轉(zhuǎn)臺(tái)的五坐標(biāo)加工設(shè)備，可以通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)循環(huán)403指令實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償找正（見圖2）。

圖2 基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償找正示意

實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)測(cè)量的控制指令序列如下，各參數(shù)依據(jù)實(shí)際測(cè)量應(yīng)用需求進(jìn)行定義。

2.3 在機(jī)測(cè)量功能在編程軟件中的開發(fā)實(shí)現(xiàn)

CATIA V5具備了通用的探針測(cè)量編程功能，能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量定義，比如孔/柱銷測(cè)量功能、槽/筋測(cè)量功能以及點(diǎn)位測(cè)量功能等。完成測(cè)量元素及測(cè)量參數(shù)定義后，即可生成圖形化的測(cè)量軌跡和動(dòng)作，通過(guò)軌跡和動(dòng)作對(duì)測(cè)量軌跡的正確性進(jìn)行初步確認(rèn)。同時(shí)，通過(guò)調(diào)用pptable表關(guān)鍵字文件，能夠按照定義好的測(cè)量循環(huán)語(yǔ)法在刀位中生成通用的測(cè)量循環(huán)控制語(yǔ)句（用于后處理軟件進(jìn)一步進(jìn)行解析和處理）。

以孔測(cè)量為例，通過(guò)定義測(cè)量元素、測(cè)量動(dòng)作參數(shù)等，生成孔的測(cè)量軌跡和測(cè)量控制參數(shù)，典型應(yīng)用如圖3所示。其生成的通用語(yǔ)法如圖4所示。

圖4 CATIA V5中孔測(cè)量通用語(yǔ)法示意

在應(yīng)用中，由于孔測(cè)量功能被用于基準(zhǔn)測(cè)量、加工孔尺寸測(cè)量評(píng)價(jià)、工序中孔徑測(cè)量及加工補(bǔ)償?shù)榷喾N孔的測(cè)量處理需求，因此，還需要通過(guò)定義輔助的關(guān)鍵字語(yǔ)句來(lái)區(qū)分不同的用途，用于后處理軟件生成不同的測(cè)量指令序列。關(guān)于孔的特殊關(guān)鍵字語(yǔ)法定義見表1，其在編程中的定義位置如圖3紅色標(biāo)識(shí)所示。

圖3 CATIA V5中針對(duì)孔測(cè)量的典型應(yīng)用示意

表1 孔的特殊關(guān)鍵字語(yǔ)法定義

對(duì)于其他如槽/筋、點(diǎn)測(cè)量等，其定義方式與孔的處理方式相似，在此不再詳述。

2.4 在機(jī)測(cè)量功能后處理開發(fā)實(shí)現(xiàn)

在CAM軟件編程獲得通用測(cè)量刀位數(shù)據(jù)后，必須進(jìn)行后處理，生成能夠用于特定數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的測(cè)量程序。因此，測(cè)量程序后處理功能的開發(fā)實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

后處理軟件通過(guò)讀取測(cè)量關(guān)鍵字控制語(yǔ)句來(lái)識(shí)別是否為測(cè)量功能，并區(qū)分是哪一種測(cè)量功能，通過(guò)對(duì)語(yǔ)句中各參數(shù)的解析分別獲得各項(xiàng)參數(shù)的定義值。在控制語(yǔ)句PROBE/START和PROBE/OFF之間是通用的測(cè)量路徑和參數(shù)，后處理將更加詳細(xì)地對(duì)通用參數(shù)進(jìn)行解析，并對(duì)測(cè)量GOTO點(diǎn)進(jìn)行解析，得到完整的測(cè)量軌跡和測(cè)量動(dòng)作控制參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，按照一定的處理邏輯，生成特定測(cè)量循環(huán)的測(cè)量控制指令語(yǔ)句。對(duì)于基準(zhǔn)找正測(cè)量，測(cè)量后將結(jié)果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到約定的測(cè)量基準(zhǔn)變量中；對(duì)于加工的尺寸評(píng)價(jià)驗(yàn)證，還要將測(cè)量結(jié)果與尺寸公差限定值進(jìn)行比較判斷，并進(jìn)行相應(yīng)的提示處理，此類功能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行開發(fā)。

孔原點(diǎn)找正的刀位文件和后處理生成的測(cè)量程序的對(duì)比見表2。

表2 刀位文件和后處理生成的測(cè)量程序?qū)Ρ?/p>

3 測(cè)量仿真技術(shù)的研究和環(huán)境開發(fā)應(yīng)用

由于在機(jī)測(cè)量的各類測(cè)量循環(huán)指令、子程序非常多，所以每一項(xiàng)測(cè)量功能的測(cè)量控制參數(shù)都較多，測(cè)量過(guò)程中動(dòng)作控制復(fù)雜，在我們的應(yīng)用案例中發(fā)那科系統(tǒng)和海德漢系統(tǒng)均定制開發(fā)了多達(dá)30余種測(cè)量循環(huán)子程序。如此數(shù)量的子程序應(yīng)用，極易出現(xiàn)編程過(guò)程中誤操作等問題，造成測(cè)量程序生成錯(cuò)誤。一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤將會(huì)對(duì)數(shù)控設(shè)備及測(cè)頭造成不可預(yù)測(cè)的損壞。另外，后處理開發(fā)要根據(jù)CAM編程的定義進(jìn)行這些測(cè)量程序的生成實(shí)現(xiàn)，后處理開發(fā)的結(jié)果是否正確也至關(guān)重要，完全通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行進(jìn)行檢驗(yàn)，既浪費(fèi)時(shí)間，又缺乏開發(fā)過(guò)程的靈活性和及時(shí)性。數(shù)控測(cè)量仿真技術(shù)是解決這些問題的有效途徑和技術(shù)保障措施[6]。

因此，建設(shè)一套完善的測(cè)量程序仿真環(huán)境，無(wú)論對(duì)后處理開發(fā)驗(yàn)證還是日常測(cè)量程序生成后檢查驗(yàn)證都至關(guān)重要。

3.1 在機(jī)測(cè)量仿真環(huán)境構(gòu)建開發(fā)

在機(jī)測(cè)量仿真環(huán)境構(gòu)建開發(fā)主要包括以下內(nèi)容。

1）常規(guī)機(jī)床運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)建、帶有支持測(cè)量指令和測(cè)量功能的控制系統(tǒng)文件構(gòu)建等。

2）海德漢系統(tǒng)驗(yàn)證其自帶測(cè)量指令循環(huán)能否充分支持各種測(cè)量應(yīng)用；發(fā)那科系統(tǒng)需將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的定制測(cè)量子程序加載到仿真環(huán)境中；在仿真環(huán)境建設(shè)中，需要配置仿真控制系統(tǒng)文件以支持各類標(biāo)準(zhǔn)的控制系統(tǒng)測(cè)量循環(huán)，另外自定義的測(cè)量宏程序是實(shí)現(xiàn)完備的測(cè)量仿真功能的重點(diǎn)[7]。

3）加工基準(zhǔn)定義防錯(cuò)控制、特殊語(yǔ)句識(shí)別以及測(cè)量數(shù)據(jù)比較邏輯等特殊的仿真控制。

4）其他仿真控制等。

3.2 工程應(yīng)用

在柔性生產(chǎn)線中的某型機(jī)叉形件數(shù)控測(cè)量程序上應(yīng)用了測(cè)量仿真的開發(fā)成果。在仿真針對(duì)槽特征的測(cè)量程序時(shí)，發(fā)現(xiàn)測(cè)頭的運(yùn)行軌跡嚴(yán)重偏離了測(cè)量位置，如圖5所示。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是后處理程序?qū)y(cè)量指令序列的解析生成有嚴(yán)重的錯(cuò)誤造成的，修改后處理的處理策略重新生成測(cè)量指令序列，再次進(jìn)行仿真，測(cè)量軌跡和測(cè)量動(dòng)作符合測(cè)量控制要求，結(jié)果如圖6所示。通過(guò)此次仿真，不但及時(shí)發(fā)現(xiàn)了測(cè)量程序錯(cuò)誤，而且發(fā)現(xiàn)了后處理功能的錯(cuò)誤，測(cè)量仿真應(yīng)用的作用明顯，后續(xù)將結(jié)合仿真能力建設(shè)持續(xù)推進(jìn)測(cè)量仿真技術(shù)的推廣應(yīng)用。

圖5 對(duì)測(cè)量程序進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)異常

圖6 修正后正確的測(cè)量仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了數(shù)控加工在機(jī)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用的總體架構(gòu)、發(fā)那科和海德漢數(shù)控系統(tǒng)測(cè)量子程序的實(shí)現(xiàn)以及在機(jī)測(cè)量后處理開發(fā)、在機(jī)測(cè)量仿真環(huán)境的構(gòu)建開發(fā)，形成了較完整的在機(jī)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用體系，開發(fā)建設(shè)成果已經(jīng)在我公司首條柔性智能生產(chǎn)線的零件編程及加工中得到應(yīng)用驗(yàn)證，為柔性智能生產(chǎn)線批產(chǎn)工藝應(yīng)用穩(wěn)定運(yùn)行提供了有效的技術(shù)手段。