柔性生產(chǎn)線加工坐標系動態(tài)生成技術(shù)

田輝，賈保國，王昭

西安飛機工業(yè)集團股份有限公司 陜西西安 710089

1 序言

在數(shù)字化加工領(lǐng)域，一切加工運動的數(shù)字化控制都是以加工坐標系為基準的。對于在數(shù)控機床上加工的每一項零件，首先必須建立特定的加工坐標系以及其與機床原始坐標系的映射關(guān)系。

隨著加工技術(shù)逐漸向智能化方向發(fā)展，以數(shù)字化加工為基礎(chǔ)、融合智能控制技術(shù)的柔性生產(chǎn)線制造模式越來越多地應(yīng)用到加工制造領(lǐng)域。由于在柔性生產(chǎn)線制造模式下，所有的機床加工及物流過程都是無人化運行狀態(tài)，因此，傳統(tǒng)的人機交互數(shù)控機床操作方式不再可行，數(shù)控加工前的對刀、找正以及設(shè)定加工坐標系等準備工作不能再依靠人來完成[1-3]。

對于面向“小批量、多品種”產(chǎn)品制造的柔性生產(chǎn)線來說，快速精確地自動生成成百上千類不斷變化的產(chǎn)品的加工坐標系一直是研制的難點。通常的解決辦法是針對每項產(chǎn)品，盡可能地提高其工裝夾具的精度，預(yù)先調(diào)整好產(chǎn)品在加工機床上的固定位置，并分配固定的加工坐標系（見圖1）。但這種傳統(tǒng)的解決辦法存在的不足也是明顯的：產(chǎn)品裝夾的精度大大提高，加大了自動化裝夾系統(tǒng)的制造難度；裝夾系統(tǒng)帶來的誤差難以消除，導(dǎo)致一定的產(chǎn)品精度損失，并且隨著裝夾系統(tǒng)的長期使用，進一步增加了誤差波動的范圍。特別是對于采用自動交換托盤加工的柔性生產(chǎn)線來說，托盤在機床間的分配調(diào)度具有不確定性，也再次增加了產(chǎn)品在不同機床上加工的誤差累積。此外，對于柔性生產(chǎn)線來說，產(chǎn)品類型變化大、數(shù)量多是其主要特點，也是其優(yōu)勢所在，而這種固化的坐標系建立方式對于成百上千類不斷變化的產(chǎn)品來說，也降低了生產(chǎn)線的柔性。

圖1 在柔性生產(chǎn)線機床上建立加工坐標系示意

因此，在保證生產(chǎn)線產(chǎn)品柔性化加工的前提下，設(shè)計一種快速精確自動生成所有上線產(chǎn)品加工坐標系的方法，對于更廣泛地推廣柔性生產(chǎn)線先進制造模式、提升零件加工技術(shù)的智能化水平具有重要價值。

2 面向柔性生產(chǎn)線的加工坐標系動態(tài)生成技術(shù)開發(fā)總體思路

采用自動交換托盤的數(shù)控加工柔性生產(chǎn)線是一種廣泛應(yīng)用的柔性生產(chǎn)線開發(fā)模式，其通過托盤自動交換進行機外換裝，實現(xiàn)生產(chǎn)線內(nèi)任意產(chǎn)品能夠在任意一臺生產(chǎn)線內(nèi)數(shù)控機床上以無人化方式進行加工。

本文針對這種自動交換托盤的數(shù)控加工柔性生產(chǎn)線，研發(fā)了一種在柔性生產(chǎn)線多臺數(shù)控加工機床上動態(tài)生成工件數(shù)控加工坐標系的技術(shù)。通過技術(shù)開發(fā)，使柔性生產(chǎn)線上任意一項產(chǎn)品在任意一臺數(shù)控機床內(nèi)以無人化方式自動生成對應(yīng)的加工坐標系，并實現(xiàn)自適應(yīng)精度補償，以消除托盤交換、工裝制造和工件裝夾帶來的誤差。該技術(shù)由以下三部分內(nèi)容構(gòu)成。

1）柔性生產(chǎn)線內(nèi)機床基準坐標系的自動生成技術(shù)，即為生產(chǎn)線內(nèi)每臺機床自動創(chuàng)建一個基準點，作為產(chǎn)品加工坐標系的參考點。

2）柔性生產(chǎn)線待加工產(chǎn)品的初始加工坐標系的動態(tài)生成技術(shù)，即在產(chǎn)品所在的機床上動態(tài)生成該產(chǎn)品的初始加工坐標系。

3）待加工產(chǎn)品最終加工坐標系的自適應(yīng)生成技術(shù)，即自動創(chuàng)建待加工產(chǎn)品最終加工坐標系，并通過自適應(yīng)測量和補償，消除工裝、裝夾等誤差。

3 加工坐標系動態(tài)生成技術(shù)開發(fā)原理

3.1 生產(chǎn)線內(nèi)機床基準坐標系的自動生成

生產(chǎn)線內(nèi)機床基準坐標系，是建立生產(chǎn)線內(nèi)所有產(chǎn)品族加工坐標系的基準點，也是CAM編程坐標系與實體機床加工坐標系相對應(yīng)的基準點，因此，需要選擇一個相對固定且便于測量的位置點作為其原點。

圖2 機床基準坐標系生成示意

機床基準坐標系的生成如圖2所示，其建立步驟為：①在柔性生產(chǎn)線內(nèi)任意一臺數(shù)控機床上，選定一個標準托盤上的固定位置作為基準點，該托盤在數(shù)控機床工作臺上的位置是相對固定的。②在柔性生產(chǎn)線內(nèi)調(diào)試階段，針對生產(chǎn)線內(nèi)每臺數(shù)控機床，預(yù)先測定該基準點在機床原始坐標系下的機械坐標，并以系統(tǒng)用戶變量形式存儲于機床控制系統(tǒng)的用戶變量文件中。③在產(chǎn)品進行自動化加工前，通過系統(tǒng)宏程序方式調(diào)用包含基準點機械坐標的系統(tǒng)用戶變量，自動生成該機床的基準坐標系。

3.2 產(chǎn)品初始加工坐標系的動態(tài)生成

產(chǎn)品的初始加工坐標系，是產(chǎn)品進入機床后所有后續(xù)程序的基準，不同的產(chǎn)品可以擁有不同的初始加工坐標系。為了使大量生產(chǎn)線上的產(chǎn)品可以靈活獲得自己的加工坐標系，適應(yīng)多變的柔性加工需求，需要采用動態(tài)生成的方法為每個產(chǎn)品創(chuàng)建初始加工坐標系（見圖3），并且不受產(chǎn)品數(shù)量限制。

產(chǎn)品初始加工坐標系的建立步驟如下。

1）在包含待加工產(chǎn)品、工裝和標準托盤的數(shù)控編程環(huán)境下，建立三者之間的理論位置關(guān)系并與實際加工保持一致。

圖3 產(chǎn)品初始加工坐標系示意

2）在托盤基準點建立機床基準坐標系，同時在產(chǎn)品的定位點建立編程環(huán)境下的產(chǎn)品初始加工坐標系，該初始加工坐標系與機床基準坐標系可以是平移關(guān)系，也可以是平移＋旋轉(zhuǎn)關(guān)系。

3）在數(shù)控編程環(huán)境下，創(chuàng)建一個包含產(chǎn)品初始加工坐標系與機床基準坐標系坐標位置關(guān)系的數(shù)控系統(tǒng)宏程序，該宏程序能通過機床基準坐標系與產(chǎn)品初始加工坐標系的坐標位置關(guān)系進行運算，自動生成機床環(huán)境下的產(chǎn)品初始加工坐標系。

當初始加工坐標系與機床基準坐標系是平移關(guān)系時，坐標位置運算關(guān)系為X3＝X2＋δX，Y3＝Y(jié)2＋δY，Z3＝Z2＋δZ，其中，（X3，Y3，Z3）是初始加工坐標系原點坐標，（X2，Y2，Z2）是機床基準坐標系原點坐標，（δX，δY，δZ）是兩坐標系原點X、Y、Z方向的坐標差值。

當初始加工坐標系與機床基準坐標系是平移＋旋轉(zhuǎn)關(guān)系時，由于初始加工坐標系Z軸與機床基準坐標系Z軸一般情況下都是平行的，故旋轉(zhuǎn)關(guān)系只考慮繞Z軸旋轉(zhuǎn)，如圖4所示。因此坐標位置運算關(guān)系為X3＝X2＋δX－Xe，Y3＝Y(jié)2＋δY－Ye，Z3＝Z2＋δZ，C3＝C2＋δC。其中，C3是初始加工坐標系角偏置，C2是機床基準坐標系角偏置，δC是兩坐標系旋轉(zhuǎn)角度差值；Xe＝（X2＋δX－X0）－（X2＋δX－X0）cos（－δC）＋（Y2＋δY－Y0）sin（－δC），Ye＝（Y2＋δY－Y0）－（Y2＋δY－Y0）cos（－δC）－（X2＋δX－X0）sin（－δC）；X0、Y0分別是旋轉(zhuǎn)工作臺中心X軸、Y軸方向的機床原始坐標。

圖4 坐標系平移＋旋轉(zhuǎn)關(guān)系示意

4）在柔性生產(chǎn)線環(huán)境下，產(chǎn)品進行自動化加工前，通過系統(tǒng)自動運行該宏程序，自動生成產(chǎn)品所在機床上的產(chǎn)品初始加工坐標系。

3.3 產(chǎn)品最終加工坐標系的自適應(yīng)生成

待加工產(chǎn)品進入機床定位后，由于仍然存在托盤重復(fù)定位誤差、工裝制造誤差和裝夾誤差等誤差累積，因此，進行加工坐標系的再次修正是必要的。產(chǎn)品最終加工坐標系的生成如圖5所示，其實現(xiàn)方法如下。

圖5 產(chǎn)品最終加工坐標系的生成示意

1）在數(shù)控編程環(huán)境下，以產(chǎn)品初始加工坐標系為基準，創(chuàng)建測頭自動測量找正程序。

2）先利用測頭測量產(chǎn)品的一個基準邊上距離較遠的兩點或產(chǎn)品兩個定位孔心的坐標，計算兩點連線與初始加工坐標系的角度偏差，通過數(shù)控系統(tǒng)坐標旋轉(zhuǎn)功能繞Z軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)品初始加工坐標系，自動補償產(chǎn)品角度偏差，生成過渡加工坐標系。

3）再利用測頭分別測量產(chǎn)品的X、Y、Z三個方向的定位面，分別計算X、Y、Z三個方向上實際產(chǎn)品的位置與過渡加工坐標系的位置偏差，通過數(shù)控系統(tǒng)坐標平移功能分別修正過渡加工坐標系，生成最終加工坐標系。

4）在柔性生產(chǎn)線環(huán)境下，產(chǎn)品進行自動化加工前，通過系統(tǒng)自動運行該自動測量找正程序，自動生成產(chǎn)品所在機床的最終加工坐標系。

4 柔性生產(chǎn)線加工坐標系動態(tài)生成技術(shù)開發(fā)范例

4.1 實施應(yīng)用環(huán)境

本文以由若干臺DMU160P數(shù)控機床組成的托盤交換式柔性生產(chǎn)線加工坐標系的動態(tài)生成過程為例進行說明。其中，柔性生產(chǎn)線中的數(shù)控機床為轉(zhuǎn)臺式五坐標數(shù)控加工中心DMU160P，對于三坐標數(shù)控機床、四坐標數(shù)控機床或六坐標數(shù)控機床同樣適用，數(shù)控系統(tǒng)為Sinumerik 840D。產(chǎn)品進出機床方式為托盤自動交換，托盤在工作臺上采用零點定位系統(tǒng)或其他類似方式自動定位裝夾。產(chǎn)品的基準找正方式可以是基準邊找正、兩孔找正或孔邊找正，機床內(nèi)測量方式為RMP60測頭測量。產(chǎn)品在柔性生產(chǎn)線內(nèi)的調(diào)度分配策略為按最小等待時間分配加工機床。

4.2 生產(chǎn)線內(nèi)機床基準坐標系的自動生成開發(fā)范例

首先是完成生產(chǎn)線內(nèi)機床基準坐標系的自動生成，具體步驟為：①在柔性生產(chǎn)線內(nèi)任意一臺數(shù)控機床上，通過自動交換送入一個標準托盤；標準托盤通過零點定位系統(tǒng)自動定位裝夾到機床工作臺上；選定一個標準托盤上的基準孔的中心作為托盤基準點。②在柔性生產(chǎn)線內(nèi)調(diào)試階段，針對生產(chǎn)線內(nèi)每臺數(shù)控機床，預(yù)先測定該基準點在機床原始坐標系下的機械坐標（X，Y，Z），并以系統(tǒng)用戶變量（如CSZUOBIAOXI_X，CSZUOBIAOXI_Y，CSZUOBIAOXI_Z）形式存儲于每臺機床控制系統(tǒng)的用戶變量文件中。③在產(chǎn)品進行自動化加工前，通過系統(tǒng)宏程序方式調(diào)用包含基準點機械坐標的系統(tǒng)用戶變量，通過控制系統(tǒng)的坐標系創(chuàng)建指令自動生成該機床的基準坐標系。宏程序示例如下。

N26 $P_UIFR[1,X,TR]=CSZUOBIAOXI_X；設(shè)置托盤基準點G54的X偏置

N27 $P_UIFR[1,Y,TR]=CSZUOBIAOXI_Y；設(shè)置托盤基準點G54的Y偏置

N28 $P_UIFR[1,Z,TR]=CSZUOBIAOXI_Z；設(shè)置托盤基準點G54的Z偏置

如機床工作臺為帶C軸旋轉(zhuǎn)的工作臺，增加指令如下。

N29 $P_UIFR[1,C,TR]=CSZUOBIAOXI_C；設(shè)置托盤基準點G54的C角偏置

4.3 產(chǎn)品初始加工坐標系動態(tài)生成開發(fā)范例

第二步需要在機床基準坐標系的基礎(chǔ)上動態(tài)生成產(chǎn)品初始加工坐標系，具體宏程序示例如下。

N20 R282=-385；讀取機床基準坐標系下編程坐標原點X偏置，存入R變量

N21 R283=-285；讀取機床基準坐標系下編程坐標原點Y偏置，存入R變量

N22 R284=369.5；讀取機床基準坐標系下編程坐標原點Z偏置，存入R變量

N30 $P_UIFR[1,X,TR]=$P_UIFR[1,X,TR]+R282；設(shè)置初始加工坐標系G54的X偏置

N31 $P_UIFR[1,Y,TR]=$P_UIFR[1,Y,TR]+R283；設(shè)置初始加工坐標系G54的Y偏置

N32 $P_UIFR[1,Z,TR]=$P_UIFR[1,Z,TR]+R284；設(shè)置初始加工坐標系G54的Z偏置

對于機床工作臺為帶C軸旋轉(zhuǎn)的工作臺，且產(chǎn)品加工坐標系與機床基準坐標系存在旋轉(zhuǎn)角度的情況，宏程序示例如下。

N20 R282=-385；讀取機床基準坐標系下編程坐標原點X偏置

N21 R283=-285；讀取機床基準坐標系下編程坐標原點Y偏置

N22 R284=369.5；讀取機床基準坐標系下編程坐標原點Z偏置

N23 R285=90；讀取機床基準坐標系下編程坐標旋轉(zhuǎn)角度

N24 R275=$TC_CARR15[1]；讀取旋轉(zhuǎn)工作臺中心X方向機床原始坐標

N25 R276=$TC_CARR16[1]；讀取旋轉(zhuǎn)工作臺中心Y方向機床原始坐標

N30 $P_UIFR[1,X,TR]=$P_UIFR[1,X,TR]+R282；設(shè)置產(chǎn)品初始加工坐標系G54的X偏置

N31 $P_UIFR[1,Y,TR]=$P_UIFR[1,Y,TR]+R283；設(shè)置產(chǎn)品初始加工坐標系G54的Y偏置

N32 $P_UIFR[1,Z,TR]=$P_UIFR[1,Z,TR]+R284；設(shè)置產(chǎn)品初始加工坐標系G54的Z偏置

N33 $P_UIFR[1,C,TR]=$P_UIFR[1,C,TR]+R285；設(shè)置產(chǎn)品初始加工坐標系G54的C角偏置

N34 R277=$P_UIFR[1,X,TR]-R275；計算X偏置與轉(zhuǎn)臺中心差值

N35 R278=$P_UIFR[1,Y,TR]-R276；計算Y偏置與轉(zhuǎn)臺中心差值

N36 R279=-R285；角度反向

N37 R280=R277-R277*COS(R279)+R278*SIN(R279)；計算帶C角旋轉(zhuǎn)的X偏置修正量

N38 R281=R278-R278*COS(R279)-R277*SIN(R279)；計算帶C角旋轉(zhuǎn)的Y偏置修正量

N39 $P_UIFR[1,X,TR]=$P_UIFR[1,X,TR]-R280；旋轉(zhuǎn)修正后的產(chǎn)品初始加工坐標系G54的X偏置

N40 $P_UIFR[1,Y,TR]=$P_UIFR[1,Y,TR]-R281；旋轉(zhuǎn)修正后的產(chǎn)品初始加工坐標系G54的Y偏置

4.4 加工產(chǎn)品最終加工坐標系自適應(yīng)生成開發(fā)范例

最后是產(chǎn)品最終加工坐標系的自適應(yīng)生成，宏程序示例如下。

……

；POINT:1位置測量

N35 G0 X215.197Y70.Z355.654；位置接近

N35 G1 X215.197Y70. Z325.654F3000.；位置接近

N36 L9632(1,270,215.,47.,325.,50,9999,9999)；第一點位置測量

N37 R80=POS_Y；第一點Y坐標

N38 R81=$AA_IW[X]；第一點X坐標

……

；POINT:2位置測量

N45 G0 X-146.056Y70.Z355.362；位置接近

N45 G1 X-146.056Y70.Z325.362F3000.；位置接近

N46 L9632(1,270,-146,47,325,50,9999,9999) ；第二點位置測量

N47 R82=POS_Y；第二點Y坐標

N48 R83=$AA_IW[X] ；第二點X坐標

……

N49 R85=R82-R80；Y坐標差值

N50 R84=R83-R81；X坐標差值

N51 R86=ATAN2(R85,R84) ；計算角度偏差

N52 $P_UIFR[1,C,TR]=$P_UIFR[1,C,TR]+(R86+180)；補償產(chǎn)品加工坐標系角度偏差

；X基準位置測量

……

N35 G0 X-146.056Y70.Z355.654；位置接近

N35 G1 X-146.056Y70.Z325.654F3000.；位置接近

N36 L9632(1,270, -146,47,325,50,9999,9999)；X基準位置測量

N37 R87=POS_X；X基準位置

N30 $P_UIFR[1,X,TR]= R87；設(shè)置產(chǎn)品加工坐標系G54的X偏置

；Y基準位置測量

……

N35 G0 X215.197Y70.Z355.654；位置接近

N35 G1 X215.197Y70.Z325.654F3000.；位置接近

N36 L9632(1,270,215,47,325,50,9999,9999)；Y基準位置測量

N37 R87=POS_Y；Y基準位置

N30 $P_UIFR[1,Y,TR]= R87；設(shè)置產(chǎn)品加工坐標系G54的Y偏置

；Z基準位置測量

……

N35 G0 X215.197Y70.Z355.654；位置接近

N35 G1 X215.197Y70.Z305.654F3000.；位置接近

N36 L9632(1,270,215,47,305,50,9999,9999)；Z基準位置測量

N37 R87=POS_Z；Z基準位置

N30 $P_UIFR[1,Z,TR]= R87；設(shè)置產(chǎn)品加工坐標系G54的Z偏置

柔性生產(chǎn)線方箱式多工位加工坐標系動態(tài)生成的仿真及現(xiàn)場應(yīng)用案例分別如圖6、圖7所示。

圖6 方箱式多工位加工坐標系動態(tài)生成仿真模擬

圖7 方箱式多工位加工坐標系動態(tài)生成現(xiàn)場應(yīng)用

5 結(jié)束語

柔性生產(chǎn)線制造模式是離散式生產(chǎn)發(fā)展的重要方向，快速精確地建立柔性生產(chǎn)模式下的加工基準是無人化精準生產(chǎn)的基礎(chǔ)。本文闡述的方案較好地解決了柔性生產(chǎn)線上任意產(chǎn)品與任意數(shù)控機床的加工基準匹配問題，保證了無人化加工的可靠性，保持了柔性生產(chǎn)線的柔性特征，具有現(xiàn)實意義。