陸程翔，沈久花，王蔚鴻，陳 琳

（1.安慶中船動力配套有限公司，安徽 安慶 246008；2.安慶中船柴油機有限公司，安徽 安慶 246008；3.安慶師范大學 電子工程與智能制造學院，安徽 安慶 246133）

0 引言

龍門式五面加工中心是目前大型船用柴油機機體等零部件加工制造的主要設(shè)備，利用五面加工機配置的各類附件頭，可以實現(xiàn)工件一次裝夾，加工五個方向的面、孔。通過特殊訂制的附件頭還可以伸向工件內(nèi)部，加工用其他手段無法涉及的要素。

五面加工中心是多頭設(shè)備，加工不同的方位、部位需要更換不同的附件頭，各附件頭之間存在差異，需要對偏移量進行檢測，存入數(shù)控系統(tǒng)非易失性存儲器中，并提供補償功能。當更換不同的附件頭、或附件頭旋轉(zhuǎn)不同的角度時，將存儲的偏移量值調(diào)出，進行計算補償，使主軸端部參考點在工件坐標系中的坐標位置與實際情況吻合。目前，絕大多數(shù)機床制造商在安裝調(diào)試完成后，并沒有提供再次檢測、修正補償值的功能，使后期使用過程中產(chǎn)生的偏移量誤差得不到修正，導致系統(tǒng)性加工誤差。因此探討誤差機理，并提出一套快捷的檢測與補償手段非常必要。

1 附件頭參考點偏移量

五面加工中心與普通單軸立式、臥式加工中心在使用上的最大不同之處，是在更換附件頭后、或者附件頭旋轉(zhuǎn)一定角度后，其主軸中心點（也就是編程參考點）位置相對于工件原始基準發(fā)生變化。為了便于編程，機床制造商一般會以這些偏移量為依據(jù)，通過坐標系偏移的方式使機床在新的狀態(tài)下附件頭參考點與工件之間的相對位置關(guān)系不變。這個偏移量反映的是各附件頭參考點之間的幾何位置差異。如圖1 所示。

圖1 附件頭參考點的偏移量示意圖

附件頭的偏移量是由機床設(shè)計制造及安裝調(diào)試過程產(chǎn)生的固定偏移值，主要由以下幾方面因素產(chǎn)生。

1.1 設(shè)計偏移

附件頭是根據(jù)機床用途而設(shè)計的，特別是針對特定工件而訂制的特殊附件頭，其形狀、尺寸需要適應(yīng)工件圖紙并滿足加工要求。因此各附件頭參考點相對于基準點（一般取機床上基準主軸的端面中心點）有固定的偏移量，稱為設(shè)計偏移。

1.2 制造偏移

附件頭在加工制造過程中會產(chǎn)生誤差，從而偏離圖紙上的理論位置，如為加工氣缸孔而特制的延伸附件頭，在設(shè)計上應(yīng)與基準附件頭主軸同心，但由于制造誤差，此中心會有偏移，此偏移量稱為制造偏移。

1.3 安裝偏移

附件頭在調(diào)試安裝過程中因緊固方式，或因調(diào)整幾何精度而對安裝表面進行刮研等原因而產(chǎn)生的參考點偏離理論位置，稱為安裝偏移。

附件頭的偏移量是上述各種偏移量的矢量和。

2 附件頭偏移量的誤差分析

附件頭的偏移量在機床安裝調(diào)試完成后并非一成不變，隨著時間的推移，其實際偏移量會產(chǎn)生變化，偏離了原理論位置，產(chǎn)生誤差。這些誤差可能由以下幾方面原因造成。

2.1 溫度的變化產(chǎn)生的誤差

因季節(jié)更替，環(huán)境溫度產(chǎn)生變化，在沒有恒溫條件的車間里，機床的運行環(huán)境在一年內(nèi)可能存在40 ℃以上的溫差。因溫差產(chǎn)生熱脹冷縮使各附件頭參考點相對于基準點產(chǎn)生位置偏移，即為溫度變形誤差。特別是作為大型機床，溫度變化引起的偏移量可能達到幾十、甚至上百微米。

2.2 內(nèi)應(yīng)力變化產(chǎn)生的誤差

機床零部件在出廠前雖經(jīng)過去應(yīng)力處理，但仍無法徹底消除內(nèi)應(yīng)力。殘余應(yīng)力隨著時間推移，以及振動等外部因素的催化，會慢慢釋放，引起變形，導致主軸中心點偏離原位置，從而產(chǎn)生應(yīng)力變形誤差。

2.3 保養(yǎng)與維修產(chǎn)生的誤差

當機床維護保養(yǎng)及維修需要拆卸附件頭后，重新裝復過程中，因緊固方式、緊固力的大小等因素，導致主軸中心點位置無法與拆卸前完全重合，產(chǎn)生拆裝誤差。

另外，當主軸軸承（特別是承載推力的前軸承）使用較長時間后會產(chǎn)生磨損，造成軸向間隙過大。在對軸承重新預(yù)緊或更換新的軸承后，其主軸端面中心點位置發(fā)生變化，產(chǎn)生誤差。

2.4 較大外力造成的附件頭變形誤差

附件頭在使用過程中，因切削力過大，或者與工件發(fā)生碰撞等原因，導致受力變形，使主軸中心點偏離原來的位置，產(chǎn)生誤差。

以上誤差導致機床在進行偏移量補償后，實際位置與理論位置不重合，產(chǎn)生位置誤差，若不及時修正，會影響加工精度。

3 附件頭偏移量誤差測量設(shè)計

附件頭偏移量誤差的測量，是在利用原偏移量對機床參考點進行補償后的基礎(chǔ)上，重新校驗各附件頭參考點的一致性，并將X、Y、Z三個方向的位置誤差檢測出來，以便修正原偏移量數(shù)值。

由于五面加工機主要加工對象為大型箱體類零件，以正交面、孔為主，故對于附件頭偏移量的測量與補償也以X、Y、Z三個軸的平行方向進行。當需要進行坐標放置時，可以正交方向的偏移量值為基準、以旋轉(zhuǎn)中心為原點、按照角度值為比例進行分配與換算，得到傾斜點的偏移量。

3.1 測量方法

附件頭偏移誤差的測量方法，可分為手動法與自動法兩種：

自動測量：自動測量需要借助于專用測量裝置，該裝置是一個包含五個精密微動開關(guān)傳感器的觸頭，各觸頭工作原理與工件找正探頭相同。圖2 是針對FANUC 系統(tǒng)機床的信號連接示意圖。該裝置利用數(shù)控系統(tǒng)提供的G31 跳轉(zhuǎn)功能，將傳感器連接到PMC的X4.7 輸入端，當芯棒以給定速度向測量觸頭移動并接觸后，觸點閉合，X4.7 信號通過PMC 梯形圖程序接通G006#6，傳遞至CNC 觸發(fā)SKIP 功能，CNC 將當前X、Y、Z三個方向的工件絕對坐標值寫入系統(tǒng)宏變量#5061～#5063 中，用戶程序讀取此變量值即可計算出誤差。

自動測量方式可將結(jié)合機床自身的更換附件頭、建立工件坐標系、附件頭旋轉(zhuǎn)角度、自動換刀等功能，將整個測量過程編寫成NC 程序，以便全自動執(zhí)行。

手動測量：制作如圖3 所示的簡易測量裝置，該裝置實際上就是將反映五面方向的五只百分表固定在一起，用于測量各附件頭X、Y、Z三個坐標軸的誤差。由于部分位置受限，須在X、Y方向分別設(shè)置正、負裝置。

圖3 手動測量裝置

手動測量方法可借助程序先將芯棒至要測量的位置附近，再以手動方式移動芯棒，將其側(cè)母線或端部球面最高點與百分表頭接觸，至表針到0，讀取相應(yīng)的工作坐標數(shù)值，即可作為偏移量誤差。

手動測量雖然無法像自動測量那樣做到全自動，但仍可將坐標移動、附件頭更換、附件旋轉(zhuǎn)、刀具（芯棒更換）、誤差計算等工作編寫成NC 代碼，以最大限度改換數(shù)控機床的自動化功能，提高檢測效率。

3.2 檢測工藝

附件頭偏移量誤差的檢測，是利用機床制造商提供的補償功能對當前附件頭、當前方位的偏移量進行補償后，利用芯棒或其他檢測工具，將當前實際位置坐標與理論坐標進行比較，從而計算偏移誤差值。按以下過程測量：

數(shù)據(jù)的備份：測量前須首先將系統(tǒng)中當前生效的偏移量數(shù)據(jù)（一般存儲于系統(tǒng)宏變量中）進行備份，以免不正確的修正造成數(shù)據(jù)錯誤。

準備檢測芯棒：根據(jù)機床附件頭錐孔形式與尺寸，準備一個或若干個能安裝在機床附件頭主軸錐孔中的檢測芯棒，如圖4 所示。

圖4 檢測用芯棒

芯棒的末端須鑲嵌鋼球，或制作成一個大的球形，以此球體作為檢測面。芯棒首次使用前須在刀具預(yù)調(diào)儀上精確地檢測出端部最高點的長度值，此值作為刀具長度補償值存入相應(yīng)的存儲器中。

檢測芯棒自身的幾何精度必要要求很高，一般應(yīng)要求芯棒末端的徑向跳動須≤0.002 mm，以免因幾何誤差影響檢測精度。

安裝測量裝置：將上述手動或自動測量所用的測量裝置固定于工作臺上，使其測量方向與坐標系對齊。對于自動測量裝置，須精確校調(diào)基準面與坐標軸平行。

選擇基準附件頭、安裝芯棒：選擇原補償功能所依賴的基準附件頭作為檢測基準，將芯棒裝入該附件頭。

建立工作坐標系：以芯棒的末端為參考點，將其移動至測量裝置指示器或觸頭位置，以手動或自動方式建立工件坐標系統(tǒng)，使芯棒接觸測量裝置時的位置為坐標系零點。由于涉及五個方向的測量值，故應(yīng)建立至少兩個坐標系。

實施檢測：更換要檢測的附件頭，將芯棒安裝于主軸上，調(diào)用機床補償功能后，將芯棒移動至檢測裝置附件，按上述手動或自動方式檢測芯棒與測量裝置的相對位置，每次測量一個方向的數(shù)據(jù)。如此反復將所有附件頭及附件頭的各方向全部檢測完成。

誤差的計算與存儲：每檢測完一個方向的數(shù)據(jù)，即可通過讀取當前工件坐標系下的絕對坐標值#5041～#5043，作為該方向的偏移量誤差數(shù)值，暫存儲于宏變量中。也可立即對該方向的偏移量值進行修正。

4 基于FANUC 數(shù)控系統(tǒng)的附件頭偏移量的修正

附件頭偏移量的誤差測量出來后，便可對原來的偏移量數(shù)值進行修正。修正的方法需要根據(jù)原補償程序針對偏移量數(shù)值的使用方式而定，基于FANUC 數(shù)控系統(tǒng)，對附件頭偏移量進行測量和修正。

當補償程序中針對偏移量修正坐標的方式是“正補償”時，即存儲在宏變量中的偏移量數(shù)值正負方向與附件頭偏移量矢量方向相同時，則應(yīng)將誤差值取反后與原偏移量數(shù)值合并；反之，若補償方式為“負補償”，即存儲的變量數(shù)值方向與實際偏移方向相反時，則直接將誤差值與原偏移數(shù)值求和后重新寫入。

其中：M′t為新的偏移數(shù)值；Mt為原偏移量數(shù)值；δt為本次測量誤差。

為防止誤差修正方向錯誤導致誤差越來越大，實際操作中可采用“試探法”，即在檢測完畢機床絕對坐標顯示有誤差的情況下，先任意采用+或者-方式對誤差進行修正，調(diào)用并運行一次補償程序，看補償后的工件絕對坐標數(shù)值的變化情況判斷正識誤：若絕對坐標數(shù)值歸零，則修正正確；若坐標絕對值增大（翻倍），則表示修正反了，應(yīng)改正。

所有附件頭偏移量修正后，應(yīng)及時將修正后的偏移量值備份，并與上次數(shù)值一起制作成對照表，以便掌握機床狀態(tài)。

以某FANUC16iMB 系統(tǒng)的龍門五面加工中心為例，該設(shè)備主要用于大型船舶柴油機機體的加工，配有六個附件頭ATT1～ATT6，分別用于機體不同部位的切削，如圖5 所示。其中ATT1 為基準附件頭，其他附件頭以此為基準校準偏移量。

圖5 某五面加工中心附件頭示意圖

由于該機床未配置自動測量裝置，需要按圖6 所示，借助于手動裝置來測量偏移誤差。

圖6 用ATT1 建立工件坐標系

先將圖4 所示的測量芯棒裝于ATT1 主軸錐孔中，精準設(shè)置刀補參數(shù)并使各補償生效，分別校準5只百分表與芯棒的X+、X-、Y+、Y-方向側(cè)母線，以及芯棒末端球面對齊，分別使百分表示值為0，在此狀態(tài)下建立G54、G55 兩個坐標系，使其X、Y、Z原點位于芯棒與百分表對齊的位置，如圖6 所示。程序片段見圖7。

圖7 根據(jù)ATT1 附件頭校準G54 X 向坐標原點程序片段

分別更換ATT2～ATT6 附件頭，并裝上相應(yīng)的芯棒。由于該設(shè)備ATT1～ATT3 主軸錐孔尺寸為BT50，而ATT4～ATT6 主軸錐孔尺寸為BT45，因此配置了兩種規(guī)格芯棒，芯棒在訂制時已精確測得半徑與長度尺寸，作為補償值輸入系統(tǒng)中。按3.2 所述的方法，在ATT2～ATT6 附件頭的不同角度方位分別調(diào)用機床自身的補償指令，再用芯棒的側(cè)母線或端面去對齊相應(yīng)百分表測頭，觀察并記錄機床絕對坐標值，該值即為該附件頭在該方位與ATT1 之間的偏移誤差，用系統(tǒng)宏變量#5041、#5042、#5043 可讀取該值。圖8 為ATT2 附件頭0°方位X向的半自動補償操作程序。

圖8 測量并更新ATT2 附件頭0°方位X 向補償值程序片段

重復上述操作，如圖9 所示，將5 個附件頭各方向的補償值全部更新一遍，得到修正后的附件頭偏移量補償值。

圖9 測量其他附件頭偏移量

5 應(yīng)用及效果分析

上述案例中的龍門五面加工中心，按操作規(guī)程規(guī)定每三個月進行一次定期偏移量補償修正，以消除因季節(jié)溫度變化引起的偏移量誤差；若發(fā)生質(zhì)量問題或因設(shè)備事故進行維修后，則隨時修正。對方法進行測量與補償操作，由于將基本操作全部編寫在宏程序中，最大限度實現(xiàn)自動化運行，特別是ATT2～ATT6 五個附件頭的動作，只需在芯棒與百分表自動對齊后手動小范圍移動一下芯棒使百分表讀數(shù)為0 即可，六個附件頭全部執(zhí)行完成總耗時大約30 min。

表1 是將近一次補償數(shù)值與上次數(shù)值制作成的對比數(shù)據(jù)表。從該表可以明顯看出，該設(shè)備ATT2 附件頭在0°與180°兩個角度方位的X向偏移值發(fā)生了較大變化，如不及時修正，會導致工件超差，若未按本文所述的方法進行檢測，則無法及時發(fā)現(xiàn)這些潛在質(zhì)量風險。對比數(shù)值也可作為后續(xù)設(shè)備事故調(diào)查、質(zhì)量問題追溯的依據(jù)。

表1 附件頭偏移數(shù)據(jù)對比表

6 結(jié)語

附件頭偏移誤差是多附件頭類機床使用過程中面臨的共同問題，本文設(shè)計了檢測和修正工藝，并以FANUC 數(shù)控系統(tǒng)進行驗證，效果良好。該方法不僅適應(yīng)于龍門式五面加工中心，對于其他多附件頭機床同樣可以借鑒和應(yīng)用。