一种数控加工中坐标系自动设置与在线测量方法与流程

本发明涉及数控机械加工技术领域，具体涉及一种数控加工中坐标系自动设置与在线测量方法。

背景技术：

如图1所示，在科德五轴立式加工中心上加工的某型号发动机燃烧室外壳组件中，在加工喷射座安装位置14处凸台需保证平面高度5.5±0.02mm，在安装位置9处设置的凹槽，凹槽底面j与零件已加工外圆平面k接平，其高度差不能超过0.04mm，外壳组件由零件扩压器外环与外壳通过焊接而成，焊接产生的变形量较大，且在2mm左右，导致后续加工余量不均匀。前期采用普通铣加工的方式进行外壳组件喷射座安装位置的机加工，由于要求其高度差不能超过0.04mm，导致操作者需要通过“沾刀”方式对每一个安装平面单独加工，加工时间非常长，单台铣床单独加工一件产品需要一天时间。

随着薄壁、铸造、焊接等零件越来越多的出现在航空航天发动机的结构中；薄壁、焊接零件易变形，铸造零件余量不均匀，一致性较差等问题日益突出，而现有的加工技术，控制加工基准突变能力比较有限，加工时必须通过反复修整加工基准，才能减小零件误差，保证零件加工质量，这样进一步导致加工效率低、人为影响因素大、人力成本及质量事故高等问题。随着国内外形势不断变换，对航空航天发动机稳定性、质量、效率和成本，都提出了更高的要求。因此，有必要提出一种能够实现产品既能低成本、低报废、高产率的生产,又能保证产品质量的数控加工中坐标系自动设置与在线测量方法。特别是在多品种大批量生产条件下,在线测量技术的意义尤其重大。

技术实现要素：

有鉴于此，为解决薄壁、铸造、焊接等加工效率低下、变形大、加工基准易变化的问题，更加高效的提高加工自动化水平，提高加工效率，降低成本，降低加工风险，本发明提供了一种数控加工中坐标系自动设置与在线测量方法，能够将找正、加工、检测和误差补偿集成在一起，实现加工前、加工中和加工后的高精度自动化，避免了由于多次装夹、人为干预过多而引起的误差及错误。

本发明的技术方案为：一种数控加工中坐标系自动设置与在线测量方法，包括以下步骤：

步骤一、根据工件所需加工面，确定刀具坐标轴的加工补偿方案，并确定加工该面时运动的轴为补偿轴；

步骤二、根据步骤一中的加工补偿方案，编制坐标系自动设置测量程序，通过数控加工中心测头对工件的零点基准进行在线测定，获得动态数据，并自动储存到机床的设定#变量里，得到动态#变量；

步骤三、根据步骤一中的加工补偿方案和步骤二中的动态#变量，编制可自动补偿数控加工程序；

步骤四、工件按照步骤三中的可自动补偿数控加工程序加工后，根据理论尺寸编制测头在线测量程序，对加工后的工件尺寸进行自动测量，并与理论尺寸进行比较，如果自动测量的尺寸与理论尺寸之间的误差在设定范围内，则零件加工合格，机床加工完成；如果自动测量的尺寸与理论尺寸之间的误差大于设定范围，则零件加工不合格，需要进行返修加工，自动补偿其与理论尺寸之间的差值。

优选地，所述步骤二中编制的坐标系自动设置测量程序的执行过程为：

第一步：确定在设定的坐标系下测量工件并调出测头；

第二步：确定工件内孔的直径，并将测头移动到工件的角向基准处；

第三步：在第一步确定的坐标系下，结合第二步中确定的工件内孔直径，测量工件在机床上的具体位置；

第四步：对第三步中具体位置的测量值进行计算，得到工件内孔的圆心坐标；

第五步：将第四步得到的工件内孔圆心坐标通过#变量写入到可自动补偿数控加工程序中。

优选地，所述步骤四中，编制的测头在线测量程序的执行过程为：

第一步：调出并开启测头，根据图纸中工件的点位将测头运行至需要测量的位置；

第二步：对工件需要测量的特征进行测量，将测量值锁存到设定#变量中；

第三步：根据第二步中测量的工件测量值进行计算，与图纸理论尺寸进行计算比较，如果二者的差值在设定范围内则合格，测量完成；如果二者的差值在不在设定范围内则报警，并弹出超差语句；

第四步：测量完成，将测头调回刀库。

优选地，所述第三步中，弹出超差语句的同时，将工件测量值和理论值之间的差值补偿到可自动补偿数控加工程序中，进行产品的返修加工。

优选地，所述步骤三中，可自动补偿数控加工程序使用动态#变量，形成能够自动调节零件加工的基准，达到随形就弯的目的。

优选地，所述步骤四中，将自动测量的结果打印在机床面板上。

有益效果：

本发明的方法能够将找正、加工、检测和误差补偿集成在一起，实现加工前、加工中和加工后的高精度自动化，避免了由于多次装夹、人为干预过多而引起的误差及错误，大大减少了辅助时间，保证了机床的工作状态及加工精度，且能够降低废品率等，除了可以测量工件形位公差，方便工件的安装调整，简化工装夹具，降低费用，缩短辅助时间，提高生产效率外，还可以根据测量结果自动修改加工程序，改善加工精度，进而数控机床既能加工，又兼具某些测量功能，从而更大程度上发挥了其使用效果。

附图说明

图1为现有技术中某型号发动机燃烧室外壳组件简图，(1)整体结构图，(2)加工喷射座示意图。

图2为箱体式工件的示意图。

图3为工件检测测头的示意图。

其中，1-表示探针，2-测头，3-主轴，4-刀柄，5-接口。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：

本实施例提供了一种数控加工中坐标系自动设置与在线测量方法，能够将找正、加工、检测和误差补偿集成在一起，实现加工前、加工中和加工后的高精度自动化，避免了由于多次装夹、人为干预过多而引起的误差及错误。

针对加工余量不均匀、立式加工中心需要反复人为调用测头、人为修改变形量的高度差等问题，利用机床gdef模块调用测量程序库的功能和##变量功能，开发了多点自动测量程序，该多点自动测量程序能够自动调用测头对不同高度的平面进行自动测量，并记录每次测量后的平面高度，且将测量值保存到多个#参数里(如下表2所示，以两件产品为例，将测量值保存到对应的#参数里)，通过逻辑判断语句对#参数进行二次运算，将二次运算结果写入工件的加工坐标系中，并利用#参数进行计算，来判断工件端面跳动量，再使用测头自动测量并反馈的测量数值(不同高度的平面所测得的平面高度)，来计算工件与工作台旋转轴c轴(即工作台主轴)的同轴度(即工件的圆周跳动量)，与多点自动测量程序给出的跳动量最大值进行对比，并将结果打印在机床面板的历史记录里，从而一目了然；

表2测量值与#参数的对应关系

具体包括以下步骤：

步骤一、分析工件结构，根据所需加工面，确定刀具坐标轴的加工补偿方案，并确定加工该面时运动的轴为补偿轴；

步骤二、根据步骤一中的加工补偿方案，编制坐标系自动设置测量程序，通过数控加工中心测头对工件的零点基准进行在线测定，获得动态数据，并自动储存到机床的设定#变量里，得到动态#变量；

步骤三、根据步骤一中的加工补偿方案和步骤二中的动态#变量，编制可自动补偿数控加工程序，所述可自动补偿数控加工程序使用动态#变量，形成能够自动调节零件加工的基准，达到随形就弯的目的，从而确保零件壁厚或者深度等尺寸特征符合零件加工要求；

步骤四、工件按照步骤三中的可自动补偿数控加工程序加工后，根据理论尺寸编制测头在线测量程序，对加工后的工件尺寸进行自动测量，并与理论尺寸进行比较，如果自动测量的尺寸与理论尺寸之间的误差在设定范围内，则零件加工合格，机床加工完成；如果自动测量的尺寸与理论尺寸之间的误差大于设定范围，则零件加工不合格，需要进行返修加工，自动补偿其与理论尺寸之间的差值；并且将自动测量的结果打印在机床面板上，方便做好尺寸记录；

同时，可以结合数控系统里刀具寿命管理以及刀具使用次数或时间的模块，对刀长、刀补、坐标系等数据进行调用、储存等，达到自动修正补偿，使程序带有自学习自补偿功能，更好的控制零件的实际尺寸区间范围，确保零件的加工质量；

这种方法能够将找正、加工、检测和误差补偿集成在一起，实现加工前、加工中和加工后的高精度自动化，避免了由于多次装夹、人为干预过多而引起的误差及错误(如下表2所示)，大大减少了辅助时间，保证了机床的工作状态及加工精度，且能够降低废品率等，除了可以测量工件形位公差，方便工件的安装调整，简化工装夹具，降低费用，缩短辅助时间，提高生产效率外，还可以根据测量结果自动修改加工程序，改善加工精度，进而数控机床既能加工，又兼具某些测量功能，从而更大程度上发挥了其使用效果。

表2在线测量和离线测量对比分析

实施例2：

以箱体式工件为例，该方法包括以下步骤：

步骤一、问题的提出

如图2所示，在五轴立式加工中心上加工铝质工件，其三个凸台上表面的高度分别为：其中，内孔和凸台两端的侧面(底边尺寸为400mm，记为400mm尺寸面)已经完成精加工，工件的上表面也已经过粗加工；如何进行有效地机械加工并保证各尺寸公差，并在保证加工精度要求的前提下尽可能的提高生产效率；

步骤二、工艺分析

工艺分析需要加工的阶梯面有三个尺寸精度要求，分别为：由于内孔和400mm尺寸面已经完成精加工，但是具体尺寸不能确定，现在可以考虑用400mm尺寸面或者内孔的中心作为定位基准或测量基准；

步骤三、问题的解决及程序编制

为了能够快速准确地得到内孔中心的准确位置，采用数控机床测头，该测头是伴随数控机床的发展而逐步在机械加工中被广泛采用的在机检测工具；其简要工作原理为：当工件上的被测量点和探针1接触时，探针1在工件的压力下倾斜，此时触发测头2(其一端安装有探针1，另一端通过刀柄4同轴安装在主轴3上)产生测量信号，测量信号再被测头2以红外线的方式传输到接口5中，并在接口5内进行信号转换后直接输入到数控系统的测量端口(或者跳转端口)；数控系统在接收到来自接口5的信号后，抓取当前坐标位置并保存当前位置的数据到相应的系统变量中；利用数控系统的这些功能，我们能够非常容易的对工件的一些特征进行快速准确的测量，如点、面、孔、圆柱及凸台等；

步骤四、编制坐标系自动设置测量程序

该坐标系自动设置测量程序的执行过程为：

第一步：确定在设定的坐标系下测量工件并调出测头；

第二步：确定工件内孔的直径，并将测头移动到工件的角向基准处；

第三步：在第一步确定的坐标系下，结合第二步中确定的工件内孔直径，测量工件在机床上的具体位置；

第四步：对第三步中具体位置的测量值进行计算，得到工件内孔的圆心坐标；

第五步：将第四步得到的工件内孔圆心坐标通过#变量写入到可自动补偿数控加工程序中。

步骤五、编制测头在线测量程序

该测头在线测量程序的执行过程为：

第一步：调出并开启测头，根据图纸中工件的点位将测头运行至需要测量的位置；

第二步：对工件需要测量的特征(图纸中工件的特征)进行测量，将测量值锁存到设定#变量中；

第三步：根据第二步中测量的工件测量值进行计算，与图纸理论尺寸进行计算比较，如果二者的差值在设定范围内则合格，测量完成；如果二者的差值在不在设定范围内则报警，并弹出超差语句；同时，可以加入自动补偿程序，具体为：将工件测量值和理论值之间的差值补偿到可自动补偿数控加工程序中，进行产品的返修加工；

第四步：测量完成，将测头调回刀库。

工件使用以上自动设置与在线测量方法后，整个原点设置过程使用时间约3min，与原来手动找正两个端面孔心所用时间15min相比，节省了80％(即12min的时间)，而生产节拍也由过去25min提高到现在的13min；并且工件上表面的加工误差只有±0.015mm(该误差主要取决于机床的重复定位精度)。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。