刀具自動補償在泵配件機(jī)加生產(chǎn)線中的應(yīng)用

廖 敏，公茂震，栗 強(qiáng)，程者軍，高云鵬

（中國航天科工集團(tuán) 第二研究院706 所，北京 100854）

0 引 言

我國“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃中明確指出：“智能制造是制造強(qiáng)國建設(shè)的主攻方向，其發(fā)展程度直接關(guān)乎我國制造業(yè)質(zhì)量水平；發(fā)展智能制造對于鞏固實體經(jīng)濟(jì)根基、建成現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系、實現(xiàn)新型工業(yè)化具有重要作用。”機(jī)械加工不僅是我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，也是增強(qiáng)國家競爭力的基礎(chǔ)。發(fā)展機(jī)械加工對促進(jìn)我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和增強(qiáng)國家競爭力具有重要意義。順應(yīng)我國“十四五”智能制造的發(fā)展潮流，提升機(jī)加行業(yè)的自動化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化水平是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的必經(jīng)之路，也是增強(qiáng)企業(yè)核心競爭力的終極武器。

近年來，得益于我國裝備智能制造技術(shù)的迅猛發(fā)展和相關(guān)新技術(shù)的層出不窮，機(jī)加行業(yè)的智能制造水平不斷提升。然而，制約機(jī)加行業(yè)智能制造快速且高質(zhì)量發(fā)展的突出矛盾和問題依然存在，機(jī)加自動線如何保證機(jī)加產(chǎn)品的合格率和一定的過程能力指數(shù)是一個較為突出的問題，同時也是制約柔性智能機(jī)加生產(chǎn)線廣泛應(yīng)用的主要原因。

實踐經(jīng)驗表明，刀具磨損是影響機(jī)加產(chǎn)品合格率的一個主要因素。刀具磨損是指刀具摩擦面上刀具材料逐漸損失的現(xiàn)象。在機(jī)械加工中，刀具磨損在不干預(yù)的情況下會導(dǎo)致被加工零件的尺寸發(fā)生改變，一般是欠加工，欠加工會導(dǎo)致零件尺寸變差，甚至是超差。當(dāng)被加工工件的尺寸超差時，需要對刀具磨損進(jìn)行補償。常見的刀具補償方式主要有兩種：刀具位置補償（也叫刀具偏移補償）和刀尖圓弧半徑補償。傳統(tǒng)的機(jī)械加工中，由操作工觀察切削狀態(tài)和零件加工情況，憑借經(jīng)驗判斷刀具是否磨損。判定刀具磨損后，需要修改整個加工程序來消除刀具磨損帶來的加工誤差，提高加工質(zhì)量，此操作會導(dǎo)致操作工人的工作量增加，極大地影響加工效率。傳統(tǒng)的刀具補償方法在自動機(jī)加生產(chǎn)線中不再適用，因此研究一種適用于自動機(jī)加生產(chǎn)線的刀具補償方法顯得尤為重要，既能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量和一致性，同時也能降低工人的工作量。

顏建等人[1]對基于在線檢測技術(shù)的批量裝夾加工精度控制進(jìn)行了較為深入的研究，發(fā)現(xiàn)使用在線檢測方法能快速從檢測零件的結(jié)果反向推算獲得刀具磨損的具體變化值，然后根據(jù)刀具磨損值直接在機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)中修改刀具半徑補償值，進(jìn)行補正加工，從而修正因刀具磨損帶來的加工誤差。該方法能夠?qū)崟r監(jiān)控特征尺寸質(zhì)量和刀具磨損情況，及時調(diào)整刀具半徑補償值，對提高制造過程質(zhì)量控制能力具有重要意義。但該方法的在線檢測方式采用機(jī)內(nèi)檢測，檢測精度受限于機(jī)床的精度，實際使用時需經(jīng)常檢驗機(jī)床導(dǎo)軌等部件的精度，以減少測量誤差，增加了工作量。此外，測頭在機(jī)床內(nèi)使用，受機(jī)床內(nèi)部惡劣加工環(huán)境的影響，需定期保養(yǎng)測頭，增加了維護(hù)保養(yǎng)的工作量。

張臣等人[2]以球頭刀具為研究對象，提出了一種球頭銑刀刀具磨損的度量方式，并進(jìn)行建模分析；在此基礎(chǔ)上還提出了一種離線仿真誤差補償算法，并對球頭刀具磨損度量方式的合理性和所建立刀具磨損模型的正確性進(jìn)行了試驗驗證；通過建立刀具磨損引起的加工誤差模型來仿真獲得加工走刀步的誤差，對于誤差超差的走刀步，通過預(yù)先修改數(shù)控加工程序的方式保證實際加工零件滿足精度要求。雖然該方法所建立的球頭銑刀刀具磨損模型和提出的離線誤差補償方法為刀具更換及零件加工精度的改善提供了一種有效的方法和工具，但實際實現(xiàn)起來相對比較復(fù)雜，需要更改NC 程序，不具備大規(guī)模工程應(yīng)用的條件。

本文針對泵配件自動機(jī)加生產(chǎn)線提出了一種在線間接測量刀具磨損并自動補償?shù)姆椒ā５毒吣p最終反映在工件加工情況上，即工件尺寸位置偏差，檢測加工完成的工件尺寸即可間接獲取刀具磨損量。通過引入在線檢測設(shè)備，實時在線檢測精加工刀具的最終加工位置尺寸，與標(biāo)準(zhǔn)工件相應(yīng)位置尺寸進(jìn)行比較，根據(jù)一定的控制策略得出刀具補償值并寫入數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)刀具磨損的在線補償。編程方便，一次性編程實現(xiàn)并調(diào)試完成后，在實際生產(chǎn)期間無需反復(fù)編程修改，維護(hù)也十分方便，比較適合于大規(guī)模工程應(yīng)用。

1 刀具補償原理

1.1 刀具磨損分析

在實際的金屬車削加工過程中，由于機(jī)械力、熱量、化學(xué)反應(yīng)、研磨以及金屬硬度等因素的影響，刀片刀尖材料不斷損失，導(dǎo)致加工不到位，使得實際加工的刀具位置偏離設(shè)計的刀具位置，產(chǎn)生了加工誤差，在不干預(yù)的情況下嚴(yán)重時會導(dǎo)致尺寸超差。車刀刀具磨損主要發(fā)生在車刀的前刀面和后刀面。在前刀面上一般出現(xiàn)月牙洼磨損，在持續(xù)使用過程中，隨著月牙洼寬度的不斷擴(kuò)大，切削刃的強(qiáng)度逐漸減弱，如不及時更換，最終會導(dǎo)致崩刃現(xiàn)象發(fā)生；發(fā)生在后刀面的磨損，由于車刀的后刀面與工件間存在著強(qiáng)烈摩擦，尤其是在工件較硬的情況下，在切削刃的下方很快會磨出后角為零的小棱面，使切削力增大（刀具變鈍）和切削熱增加，甚至產(chǎn)生切削振動，造成刀具失效和加工表面品質(zhì)惡化（尺寸超差、表面粗糙度不符合要求），嚴(yán)重影響加工品質(zhì)和生產(chǎn)效率[3-15]。在刀具失效前，可以通過一定的算法補償該加工誤差，最終達(dá)到刀具磨損補償效果。為補償該加工誤差，需通過建立刀具磨損的數(shù)學(xué)模型來分析刀具磨損與產(chǎn)生的加工誤差之間的關(guān)系，獲得刀具磨損情況，從而根據(jù)刀具磨損情況對產(chǎn)生的加工誤差進(jìn)行補償，此種方法不適用于刀具崩裂情況，刀具崩裂的情況下，機(jī)床報警停機(jī)。用刀具長度方向的磨損量ΔWZ(Δt)和刀尖圓弧磨損量ΔWr(Δt)表示切削過程中在刀具長度方向和刀尖圓弧半徑方向的誤差，進(jìn)而表征刀具磨損對加工精度的影響。刀具磨損示意如圖1 所示。

圖1 刀具磨損示意圖

切削加工過程中刀具磨損與眾多因素有關(guān)，為簡化分析，只考慮幾個影響較大的因素，包括主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削深度、加工材質(zhì)等。泵配件硬度較高，在硬車加工過程中，刀具磨損情況更為明顯，主要是因為加工材質(zhì)的影響。

1.2 刀具補償分析

在數(shù)控編程過程中，為使編程工作更加方便，通常將刀具的刀尖假想成一個點（該點又稱為刀位點或刀尖點）。

刀具補償指數(shù)控機(jī)床根據(jù)刀具實際尺寸，自動改變機(jī)床坐標(biāo)軸或刀具刀位點位置，使實際加工輪廓和編程軌跡完全一致的功能。數(shù)控車床的刀具補償分為刀具長度補償和刀尖圓弧半徑補償兩種。

（1）刀具長度補償：又叫刀具偏移補償，是用來補償假定刀具長度與基準(zhǔn)刀具長度之差的功能。在車床數(shù)控系統(tǒng)中，X軸與Z軸可同時實現(xiàn)刀具偏移。

（2）刀尖圓弧半徑補償：在實際工件加工過程中，考慮到刀具磨損及精加工的需要，通常將車刀的刀尖修磨成半徑較小的圓弧，此時刀位點（刀尖點）為刀尖圓弧的圓心。

為確保被加工工件的輪廓形狀，加工時不允許刀具刀尖圓弧的圓心運動軌跡與被加工工件的輪廓完全重合，而應(yīng)與工件輪廓偏移一個半徑值，該偏移稱為刀尖圓弧半徑補償。圓弧形車刀的刀刃半徑偏移也與上述描述相同。

1.3 刀具磨損的在線檢測方法

目前，國內(nèi)外研究刀具磨損的在線檢測方法主要分為直接檢測法和間接檢測法。

（1）直接檢測法：包括光學(xué)法、接觸電阻法、光導(dǎo)纖維法和電視攝像法等，能夠直接檢測出刀具磨損后的尺寸。

（2）間接檢測法：包括工件尺寸法、切削力法、扭矩法、切削振動法和工件表面粗糙度法等，通過這些方法能夠間接反映刀具磨損情況。

上述方法各有各的優(yōu)缺點，根據(jù)被加工零件的形狀和材質(zhì)的不同，各種方法都有其應(yīng)用的局限性。

通過分析應(yīng)用環(huán)境和泵配件加工情況，本文采用工件尺寸法這種間接檢測法，即測量刀具加工過的工件的相應(yīng)位置尺寸，從測量結(jié)果反向推算刀具磨損情況?？紤]到機(jī)內(nèi)檢測的檢測精度會受到機(jī)床精度的影響以及檢測過程對工件加工效率的影響，本文采用機(jī)外在線檢測的方式，一方面能夠保證測量精度，另一方面能夠保證產(chǎn)線的加工效率。機(jī)外在線檢測設(shè)備采用雷尼紹的Equator 300（加高型）比對儀，如圖2 所示。

圖2 在線機(jī)外檢測示意圖

該比對儀固定安裝在泵配件柔性智能機(jī)加生產(chǎn)線的機(jī)加終檢工序位置。每個加工完成的泵配件通過比對儀測量相應(yīng)刀號刀具加工的位置尺寸，生產(chǎn)線集中管控系統(tǒng)自動獲取測量結(jié)果，追溯車床編號及刀具編號，并根據(jù)補償算法將補償值自動寫入相應(yīng)的機(jī)床，實現(xiàn)自動補償；當(dāng)?shù)毒吣p嚴(yán)重或崩刀時，系統(tǒng)報警提醒。

1.4 基于在線檢測的實時磨損補償原理

首先，設(shè)定的工件尺寸（以下簡稱設(shè)定值）一般取最大極限尺寸和最小極限尺寸的平均值。利用間接檢測法檢測出工件的實際尺寸（以下簡稱測量值），與設(shè)定值進(jìn)行比較；通過閉環(huán)控制算法獲得輸出值，該輸出值自動寫入CNC；每次啟動加工新工件時，先使該補償值生效，數(shù)控系統(tǒng)通過該補償值調(diào)整X軸與Z軸實現(xiàn)刀具偏移，對刀具的磨損進(jìn)行補償，保證加工后的工件尺寸在公差允許的范圍內(nèi)，實現(xiàn)整個加工過程的閉環(huán)控制，確保加工過程的可靠性?；谠诰€檢測的車刀實時磨損補償原理如圖3所示。

圖3 補償原理

當(dāng)車刀加工的工件流轉(zhuǎn)至在線檢測設(shè)備后，在線檢測設(shè)備自動檢測出相應(yīng)尺寸。將測量值Df與設(shè)定值Dr進(jìn)行比較，若有偏差，通過比例運算和輸出限幅得到補償信號，將補償信號與數(shù)控系統(tǒng)給定的脈沖信號進(jìn)行比較，得到的輸出值通過CNC 系統(tǒng)控制伺服驅(qū)動器，伺服電機(jī)在伺服驅(qū)動器的驅(qū)動下帶動刀塔工作，實現(xiàn)刀具補償。以外圓車刀為例，補償策略如下。

補償值給定方法：

當(dāng)Uout>Uoutmax時，則有：

當(dāng)Uout

式中：Kp為比例系數(shù)；Uout為輸出的補償值；Uoutmax為補償值上限；Uoutmin為補償值下限。設(shè)emax為公差帶的平均值，emin為根據(jù)經(jīng)驗確定的數(shù)值，則有如下情況：

（1）當(dāng)Dr-Df=0 時，說明加工尺寸剛剛合適，無須對刀具進(jìn)行補償。

（2）當(dāng)Dr-Df=e時，即所加工的外圓實際尺寸小于工件標(biāo)準(zhǔn)尺寸時，對刀具進(jìn)行負(fù)補償。

（3）當(dāng)Dr-Df=-e時，即所加工的外圓實際尺寸大于工件標(biāo)準(zhǔn)尺寸時，此種情況說明刀具出現(xiàn)磨損，需對刀具進(jìn)行正補償。

（4）當(dāng)Dr-Df>emax時，即零件為不合格品，有可能刀具對錯，刀頭松動，此時要求機(jī)床停機(jī)，并且需要人工進(jìn)行排故。

（5）當(dāng)Dr-Df

補償流程如圖4 所示。

圖4 補償流程

（1）機(jī)加完成的泵配件由工業(yè)機(jī)器人搬運至比對儀檢測工位，比對儀自動根據(jù)泵配件生產(chǎn)線集中管控系統(tǒng)下發(fā)的物料編號調(diào)取相應(yīng)的檢測程序完成相應(yīng)尺寸檢測，將尺寸檢測結(jié)果存儲在本地文件中。

（2）將給定值Dr提前錄入泵配件生產(chǎn)線集中管控系統(tǒng)，管控系統(tǒng)讀取檢測結(jié)果并判斷是否超差，即Dr-Df是否大于emax，如果超差，系統(tǒng)報警提醒，此時需要人工干預(yù)，人工檢查超差原因并進(jìn)行處理，工件報廢。如果未超差，則判斷上一次的補償是否有效，當(dāng)前的Dr-Df值小于上一次的Dr-Df值時，系統(tǒng)判定上一次的補償有效；當(dāng)前的Dr-Df值大于上一次的Dr-Df值時，系統(tǒng)判定上一次的補償無效。當(dāng)判定結(jié)果為補償有效時，運行補償算法，參照式（1）～（3）得出補償值，在實驗過程中可根據(jù)補償效果進(jìn)行調(diào)整；如果補償無效，則系統(tǒng)報警提醒，需人工分析無效原因并進(jìn)行處理。

（3）泵配件生產(chǎn)線集中管控系統(tǒng)運行補償算法，與機(jī)床通信，將步驟2 得到的補償值更新至CNC 的補償子程序，補償子程序為宏程序，主要實現(xiàn)下述功能：①接收步驟2 得到的補償值；②方便CNC 調(diào)用，使補償值生效。

（4）主加工程序啟動加工時，自動調(diào)用補償宏程序，更新后的補償值生效，通過調(diào)整X軸與Z軸進(jìn)給實現(xiàn)刀具偏移，進(jìn)而實現(xiàn)刀具磨損補償，保證工件尺寸在公差允許范圍內(nèi)，提高機(jī)加的過程能力指數(shù)。

2 應(yīng)用實例

以一種泵配件零件為加工對象，該零件材料為鉻鎳鉬合金，滲碳淬火后精加工，硬度在59 ～65 HRC 之間，硬度較高，工件外形示意圖如圖5 所示。機(jī)床選用紐威的NL322HA 型臥式數(shù)控車床，選用韓國特固克的CBN 硬質(zhì)合金刀具，實際加工場景如圖6 所示。由于工件經(jīng)過熱處理后硬度較高，在實際機(jī)加工過程中，刀具磨損十分嚴(yán)重，極易產(chǎn)生工件尺寸超差現(xiàn)象。該生產(chǎn)線以“黑燈工廠”為理念建設(shè)，正常工作時，操作人員無法進(jìn)入產(chǎn)線內(nèi)，因此人工手動調(diào)整刀具補償值不太現(xiàn)實。為保證產(chǎn)品加工質(zhì)量和制程穩(wěn)定能力，需要頻繁更換刀片，這樣就會影響生產(chǎn)效率，同時還增加了生產(chǎn)成本。引入上述刀具補償方法，補償子程序如圖7 所示，加工結(jié)果對比見表1 所列。從表1 可以看出，工件加工質(zhì)量得到有效提高，CPK 值穩(wěn)定在1.67 以上，適用于批量生產(chǎn)，在機(jī)加領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

表1 加工結(jié)果對比

圖5 工件外形示意圖

圖6 實際加工場景

圖7 補償子程序

3 結(jié) 語

本文主要針對全自動機(jī)加生產(chǎn)線在加工硬質(zhì)合金工件時刀具的磨損帶來的工件加工誤差，設(shè)計了一種全自動刀具補償方法。本文技術(shù)方案帶來的有益效果如下：

（1）利用間接檢測法檢測出工件的實際尺寸，與設(shè)定的工件尺寸（公差帶中間值）進(jìn)行比較。通過閉環(huán)控制算法，將輸出值寫入CNC，每次新加工工件時，先使該補償值生效，通過調(diào)整X軸與Z軸實現(xiàn)刀具偏移，對刀具的磨損進(jìn)行補償，保證了工件尺寸在公差允許的范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)整個加工過程的閉環(huán)控制，確保加工可靠性。

（2）具有一定的柔性，能夠兼容多個規(guī)格工件的在線補償，通過每個工件的唯一編碼，能夠保證調(diào)用正確的檢測程序和補償程序，從而實現(xiàn)相應(yīng)機(jī)床相應(yīng)刀號的刀具自動補償。

（3）能夠驗證補償?shù)挠行?，?dāng)補償未達(dá)到預(yù)期時，報警提醒人工介入分析。

（4）能夠追溯工件的加工質(zhì)量。

（5）適用于全自動機(jī)加生產(chǎn)線，能夠顯著地提高生產(chǎn)效率和降低刀具成本。