田輝,賈保國,王昭
西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司 陜西西安 710089
在數(shù)字化加工領(lǐng)域,一切加工運(yùn)動的數(shù)字化控制都是以加工坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的。對于在數(shù)控機(jī)床上加工的每一項(xiàng)零件,首先必須建立特定的加工坐標(biāo)系以及其與機(jī)床原始坐標(biāo)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(jī)床加工及物流過程都是無人化運(yùn)行狀態(tài),因此,傳統(tǒng)的人機(jī)交互數(shù)控機(jī)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(biāo)系等準(zhǔn)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(biāo)系一直是研制的難點(diǎn)。通常的解決辦法是針對每項(xiàng)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(jī)床上的固定位置,并分配固定的加工坐標(biāo)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(jìn)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(jī)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(jī)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(diǎn),也是其優(yōu)勢所在,而這種固化的坐標(biāo)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(jī)床上建立加工坐標(biāo)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(jì)一種快速精確自動生成所有上線產(chǎn)品加工坐標(biāo)系的方法,對于更廣泛地推廣柔性生產(chǎn)線先進(jìn)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。
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(jìn)行機(jī)外換裝,實(shí)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(jī)床上以無人化方式進(jìn)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(jī)床上動態(tài)生成工件數(shù)控加工坐標(biāo)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(xiàng)產(chǎn)品在任意一臺數(shù)控機(jī)床內(nèi)以無人化方式自動生成對應(yīng)的加工坐標(biāo)系,并實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)精度補(bǔ)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(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系的自動生成技術(shù),即為生產(chǎn)線內(nèi)每臺機(jī)床自動創(chuàng)建一個基準(zhǔn)點(diǎn),作為產(chǎn)品加工坐標(biāo)系的參考點(diǎn)。
2)柔性生產(chǎn)線待加工產(chǎn)品的初始加工坐標(biāo)系的動態(tài)生成技術(shù),即在產(chǎn)品所在的機(jī)床上動態(tài)生成該產(chǎn)品的初始加工坐標(biāo)系。
3)待加工產(chǎn)品最終加工坐標(biāo)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(biāo)系,并通過自適應(yīng)測量和補(bǔ)償,消除工裝、裝夾等誤差。
生產(chǎn)線內(nèi)機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系,是建立生產(chǎn)線內(nèi)所有產(chǎn)品族加工坐標(biāo)系的基準(zhǔn)點(diǎn),也是CAM編程坐標(biāo)系與實(shí)體機(jī)床加工坐標(biāo)系相對應(yīng)的基準(zhǔn)點(diǎn),因此,需要選擇一個相對固定且便于測量的位置點(diǎn)作為其原點(diǎn)。
圖2 機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系生成示意
機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)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(jī)床上,選定一個標(biāo)準(zhǔn)托盤上的固定位置作為基準(zhǔn)點(diǎn),該托盤在數(shù)控機(jī)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(jī)床,預(yù)先測定該基準(zhǔn)點(diǎn)在機(jī)床原始坐標(biāo)系下的機(jī)械坐標(biāo),并以系統(tǒng)用戶變量形式存儲于機(jī)床控制系統(tǒng)的用戶變量文件中。③在產(chǎn)品進(jìn)行自動化加工前,通過系統(tǒng)宏程序方式調(diào)用包含基準(zhǔn)點(diǎn)機(jī)械坐標(biāo)的系統(tǒng)用戶變量,自動生成該機(jī)床的基準(zhǔn)坐標(biāo)系。
產(chǎn)品的初始加工坐標(biāo)系,是產(chǎn)品進(jìn)入機(jī)床后所有后續(xù)程序的基準(zhǔn),不同的產(chǎn)品可以擁有不同的初始加工坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)系的建立步驟如下。
1)在包含待加工產(chǎn)品、工裝和標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際加工保持一致。
圖3 產(chǎn)品初始加工坐標(biāo)系示意
2)在托盤基準(zhǔn)點(diǎn)建立機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系,同時在產(chǎn)品的定位點(diǎn)建立編程環(huán)境下的產(chǎn)品初始加工坐標(biāo)系,該初始加工坐標(biāo)系與機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)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(biāo)系與機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系坐標(biāo)位置關(guān)系的數(shù)控系統(tǒng)宏程序,該宏程序能通過機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系與產(chǎn)品初始加工坐標(biāo)系的坐標(biāo)位置關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算,自動生成機(jī)床環(huán)境下的產(chǎn)品初始加工坐標(biāo)系。
當(dāng)初始加工坐標(biāo)系與機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系是平移關(guān)系時,坐標(biāo)位置運(yùn)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(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo),(X2,Y2,Z2)是機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo),(δX,δY,δZ)是兩坐標(biāo)系原點(diǎn)X、Y、Z方向的坐標(biāo)差值。
當(dāng)初始加工坐標(biāo)系與機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系是平移+旋轉(zhuǎn)關(guān)系時,由于初始加工坐標(biāo)系Z軸與機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)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(biāo)位置運(yùn)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(biāo)系角偏置,C2是機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系角偏置,δC是兩坐標(biāo)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(jī)床原始坐標(biāo)。
圖4 坐標(biāo)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(jìn)行自動化加工前,通過系統(tǒng)自動運(yùn)行該宏程序,自動生成產(chǎn)品所在機(jī)床上的產(chǎn)品初始加工坐標(biāo)系。
待加工產(chǎn)品進(jìn)入機(jī)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(jìn)行加工坐標(biāo)系的再次修正是必要的。產(chǎn)品最終加工坐標(biāo)系的生成如圖5所示,其實(shí)現(xiàn)方法如下。
圖5 產(chǎn)品最終加工坐標(biāo)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(biāo)系為基準(zhǔn),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(zhǔn)邊上距離較遠(yuǎn)的兩點(diǎn)或產(chǎn)品兩個定位孔心的坐標(biāo),計(jì)算兩點(diǎn)連線與初始加工坐標(biāo)系的角度偏差,通過數(shù)控系統(tǒng)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)功能繞Z軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)品初始加工坐標(biāo)系,自動補(bǔ)償產(chǎn)品角度偏差,生成過渡加工坐標(biāo)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(jì)算X、Y、Z三個方向上實(shí)際產(chǎn)品的位置與過渡加工坐標(biāo)系的位置偏差,通過數(shù)控系統(tǒng)坐標(biāo)平移功能分別修正過渡加工坐標(biāo)系,生成最終加工坐標(biāo)系。
4)在柔性生產(chǎn)線環(huán)境下,產(chǎn)品進(jìn)行自動化加工前,通過系統(tǒng)自動運(yùn)行該自動測量找正程序,自動生成產(chǎn)品所在機(jī)床的最終加工坐標(biāo)系。
本文以由若干臺DMU160P數(shù)控機(jī)床組成的托盤交換式柔性生產(chǎn)線加工坐標(biāo)系的動態(tài)生成過程為例進(jìn)行說明。其中,柔性生產(chǎn)線中的數(shù)控機(jī)床為轉(zhuǎn)臺式五坐標(biāo)數(shù)控加工中心DMU160P,對于三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床、四坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床或六坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床同樣適用,數(shù)控系統(tǒng)為Sinumerik 840D。產(chǎn)品進(jìn)出機(jī)床方式為托盤自動交換,托盤在工作臺上采用零點(diǎn)定位系統(tǒng)或其他類似方式自動定位裝夾。產(chǎn)品的基準(zhǔn)找正方式可以是基準(zhǔn)邊找正、兩孔找正或孔邊找正,機(jī)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(jī)床。
首先是完成生產(chǎn)線內(nèi)機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)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(jī)床上,通過自動交換送入一個標(biāo)準(zhǔn)托盤;標(biāo)準(zhǔn)托盤通過零點(diǎn)定位系統(tǒng)自動定位裝夾到機(jī)床工作臺上;選定一個標(biāo)準(zhǔn)托盤上的基準(zhǔn)孔的中心作為托盤基準(zhǔn)點(diǎn)。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(jī)床,預(yù)先測定該基準(zhǔn)點(diǎn)在機(jī)床原始坐標(biāo)系下的機(jī)械坐標(biāo)(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(jī)床控制系統(tǒng)的用戶變量文件中。③在產(chǎn)品進(jìn)行自動化加工前,通過系統(tǒng)宏程序方式調(diào)用包含基準(zhǔn)點(diǎn)機(jī)械坐標(biāo)的系統(tǒng)用戶變量,通過控制系統(tǒng)的坐標(biāo)系創(chuàng)建指令自動生成該機(jī)床的基準(zhǔn)坐標(biāo)系。宏程序示例如下。
N26 $P_UIFR[1,X,TR]=CSZUOBIAOXI_X;設(shè)置托盤基準(zhǔn)點(diǎn)G54的X偏置
N27 $P_UIFR[1,Y,TR]=CSZUOBIAOXI_Y;設(shè)置托盤基準(zhǔn)點(diǎn)G54的Y偏置
N28 $P_UIFR[1,Z,TR]=CSZUOBIAOXI_Z;設(shè)置托盤基準(zhǔn)點(diǎn)G54的Z偏置
如機(jī)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(zhǔn)點(diǎn)G54的C角偏置
第二步需要在機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上動態(tài)生成產(chǎn)品初始加工坐標(biāo)系,具體宏程序示例如下。
N20 R282=-385;讀取機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系下編程坐標(biāo)原點(diǎn)X偏置,存入R變量
N21 R283=-285;讀取機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系下編程坐標(biāo)原點(diǎn)Y偏置,存入R變量
N22 R284=369.5;讀取機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系下編程坐標(biāo)原點(diǎn)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(biāo)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(biāo)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(biāo)系G54的Z偏置
對于機(jī)床工作臺為帶C軸旋轉(zhuǎn)的工作臺,且產(chǎn)品加工坐標(biāo)系與機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系存在旋轉(zhuǎn)角度的情況,宏程序示例如下。
N20 R282=-385;讀取機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系下編程坐標(biāo)原點(diǎn)X偏置
N21 R283=-285;讀取機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系下編程坐標(biāo)原點(diǎn)Y偏置
N22 R284=369.5;讀取機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系下編程坐標(biāo)原點(diǎn)Z偏置
N23 R285=90;讀取機(jī)床基準(zhǔn)坐標(biāo)系下編程坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度
N24 R275=$TC_CARR15[1];讀取旋轉(zhuǎn)工作臺中心X方向機(jī)床原始坐標(biāo)
N25 R276=$TC_CARR16[1];讀取旋轉(zhuǎn)工作臺中心Y方向機(jī)床原始坐標(biāo)
N30 $P_UIFR[1,X,TR]=$P_UIFR[1,X,TR]+R282;設(shè)置產(chǎn)品初始加工坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)系G54的C角偏置
N34 R277=$P_UIFR[1,X,TR]-R275;計(jì)算X偏置與轉(zhuǎn)臺中心差值
N35 R278=$P_UIFR[1,Y,TR]-R276;計(jì)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(jì)算帶C角旋轉(zhuǎn)的X偏置修正量
N38 R281=R278-R278*COS(R279)-R277*SIN(R279);計(jì)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(biāo)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(biāo)系G54的Y偏置
最后是產(chǎn)品最終加工坐標(biāo)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(diǎn)位置測量
N37 R80=POS_Y;第一點(diǎn)Y坐標(biāo)
N38 R81=$AA_IW[X];第一點(diǎn)X坐標(biāo)
……
;POINT:2位置測量
N45 G0 X-146.056Y70.Z355.362;位置接近
N45 G1 X-146.056Y70.Z325.362F3000.;位置接近
N46 L9632(1,270,-146,47,325,50,9999,9999) ;第二點(diǎn)位置測量
N47 R82=POS_Y;第二點(diǎn)Y坐標(biāo)
N48 R83=$AA_IW[X] ;第二點(diǎn)X坐標(biāo)
……
N49 R85=R82-R80;Y坐標(biāo)差值
N50 R84=R83-R81;X坐標(biāo)差值
N51 R86=ATAN2(R85,R84) ;計(jì)算角度偏差
N52 $P_UIFR[1,C,TR]=$P_UIFR[1,C,TR]+(R86+180);補(bǔ)償產(chǎn)品加工坐標(biāo)系角度偏差
;X基準(zhǔn)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(zhǔn)位置測量
N37 R87=POS_X;X基準(zhǔn)位置
N30 $P_UIFR[1,X,TR]= R87;設(shè)置產(chǎn)品加工坐標(biāo)系G54的X偏置
;Y基準(zhǔn)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(zhǔn)位置測量
N37 R87=POS_Y;Y基準(zhǔn)位置
N30 $P_UIFR[1,Y,TR]= R87;設(shè)置產(chǎn)品加工坐標(biāo)系G54的Y偏置
;Z基準(zhǔn)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(zhǔn)位置測量
N37 R87=POS_Z;Z基準(zhǔn)位置
N30 $P_UIFR[1,Z,TR]= R87;設(shè)置產(chǎn)品加工坐標(biāo)系G54的Z偏置
柔性生產(chǎn)線方箱式多工位加工坐標(biāo)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(biāo)系動態(tài)生成仿真模擬
圖7 方箱式多工位加工坐標(biāo)系動態(tài)生成現(xiàn)場應(yīng)用
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(zhǔn)是無人化精準(zhǔn)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(jī)床的加工基準(zhǔn)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(shí)意義。