樊建勋1 王 昭2 李京平2
1 中国人民解放军海军驻西安地区第六军事代表室
2 中航西安飞机工业集团有限责任公司
【摘要】航空结构件加工精度要求高，加工难度大，在线测量与补偿技术是实现航空结构件精准制造的一种先进技术方法。本文主要对在线测量与补偿技术进行了介绍，并对其适用范围与技术优势进行了探讨，开发了典型结构特征在线测量及补偿程序，对于在复杂工程环境下实现关键结构特征在线测量与补偿具有较为重要的参考价值。
【关键词】航空零件；在线测量；补偿；结构特征
1 引言
航空零件通常具有外形结构复杂、协调关系多、精度要求高等特点，在数控加工过程中，受切削力、残余应力释放等影响，加工变形往往较难控制，容易导致产品加工质量问题。机床在线测量系统能够对各阶段零件加工状态进行精确、快速检测，实现对零件加工过程质量的测量与评定，同时可以有效避免离线检测中二次装夹及变形带来的误差。特别是在适用于多品种、小批量航空结构件加工的智能化柔性生产线中，使用在线测量及自动补偿技术可以实现机床自动控制、数据自动分析、加工自动补偿，省时省力，对于提高航空结构件加工质量具有十分重要的意义。
2 在线测量与补偿技术
机床在线测量系统是集数控机床、数控系统及测量探头系统为一体的高度集成化系统[1]。在线测量与补偿技术是基于机床在线测量系统，通过测量探头采集零件加工过程关键结构特征尺寸数据信息，经与理论值进行对比，计算得到补偿值并写入数控系统相应位置，进一步开展补偿加工的先进制造技术，其主要实现思路如图1所示。
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2.1 适用范围
要实现机床误差的快速检测与补偿，主要有两种途径：（1）在数控系统直接执行测量与补偿程序；（2）借助外部商业软件，依靠独立计算机进行计算分析与补偿。其中，第一种方法简单易行，但受限于数控系统计算能力，对于复杂外形公差无法进行补偿，而第二种方法虽然功能强大，但实际操作过程较为繁琐，不利于现场实施，因此使用程序进行在线测量与补偿是实际工程应用的较优解。
航空结构件制造公差大体包括形状公差和位置公差两类，位置公差以点、直线、平面的位置或相互关系为主，测量点位较少，一般借助空间距离公式即可计算；而形状公差则以曲面、特征形状及相互关系为主，测量点位通常较多，需要采用拟合分析的方法计算，过程十分复杂。因此，综合考虑测量方法与数控系统运算能力，航空结构件常见形位公差适用于在线测量与补偿技术的情况如表1所示。
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2.2 技术优势
按照加工过程和测量过程是否在同一设备上进行，可以将测量方法分为在线测量和离线测量两种方式[2]。离线测量方式较为普遍，工件加工完成后，需要周转至专用设备进行测量操作与数据分析，适用于大批量、流水生产线作业方式，而航空结构件多品种、小批量特点十分显著，因此离线测量存在一定局限性。相比于离线测量，在线测量与补偿技术具有以下几点优势：
（1）节约制造资源。在线测量与补偿技术可以在同一台加工设备上完成产品的数控切削加工与质量检测优化，不再需要单独的专用测量设备，有效降低产品过程检测成本；
（2）提高产品质量。在线测量与补偿技术不需要对工件进行二次装夹，避免了零件装卸过程中带来的变形与定位误差，更好地保证了产品关键结构尺寸要求，同时，采用序中检测与补偿可以有效避免成品质量问题，降低废品率，避免加工质量损失。
（3）缩短生产周期。离线测量可能需要零件在加工设备和测量专用设备之间来回周转，制约生产效率的提高，甚至成为全制造链的瓶颈环节，而在线测量与补偿技术则可以显著提升检测效率，在同一台设备上对零件直接进行检测与补偿，并依据加工结果反馈进行再次优化，从而缩短零件整体制造周期。
3在线测量及补偿技术应用
3.1 技术原理
由于航空零件产品结构复杂、精度要求高，因此需针对不同的测量特征编写特定的NC测量程序进行测量，包括测量点位、测量路径、公差要求等。以西门子840Dsl系统为例，当需要测量的程序加工完成后直接调用相对应的测量NC程序，由NC程序控制测头完成特征测量，并将测量结果写入机床R变量中，并由机床数控完成分析并将误差进行自动补偿。
自动补偿后由NC程序调用加工该特征的加工NC程序再进行加工，加工完成后继续进行测量，当特征测量合格后则继续下一步加工。具体流程如图2所示：
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以某零件凹槽宽度测量补偿为例，基于西门子840Dsl系统和HEXAGON测量循环与补偿程序，结合Renishaw3D测头，代替人工使用量具测量，具体实现过程为：在机床端执行编写的凹槽宽度测量NC程序，调用测量探头按测量程序测量凹槽宽度，测量结果存入相应的机床R变量中，R215为凹槽宽度理论值，R216为凹槽宽度实际值，运用算术运算计算凹槽实际偏差值R220并进行自动补偿。
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程序示例：
T1 选择1 号刀；
M6选择测头；
D1激活刀沿偏置D1；
M27 打开测头；
L9933(-24.19,-57.,10,3000.,1) 测量起始位置；
L9934(1.000,26.,1,-24.19,-57.,-14.5,50.,9999,9999,13.5,9999,) 测量宽度为26的凹槽；
M28 关闭测头；
R215=26 凹槽宽度理论值；
R218=HEX105. 凹槽宽度实际值；
R220=R218-R215 计算凹槽宽度实际值与理论值偏差；
R216=.1 凹槽宽度上偏差为0.1；
R217=-.1凹槽宽度下偏差为-0.1；
IF(R220>R216) GOTOF BB_ERR520
ENDIF
IF R220<R216 GOTOF BB_ERR153 判断凹槽宽度是否合格、是否需要补偿；
ENDIF
BB_ERR153:
$TC_DP15[R999,1]=ABS(R220) 自动补偿；
GOTOF 跳转到相应加工程序。
4 结语
“质量是航空人的生命”，随着未来型号研制对产品加工要求在不断提高，在线测量与补偿技术对于航空产品加工的重要性不言而喻，通过该技术的应用，能够有效提高航空结构件加工质量，解决离线测量条件下的产品质量检测瓶颈问题，同时可以进一步通过测量数据结果的汇总分析，推动实现产品加工过程的自主决策，提高生产制造柔性，助力数控加工技术朝自动化、智能化方向发展，为我国实现由“制造大国”向“制造强国”奠定良好的基础。
参考文献
[1] 武迎迎，赵国强，秦涛，李苑玮. 复杂零件数控加工在线测量技术研究 [J]. 机械制造，2019,57(07):72～75.
[2] 马艳玲，谭本能，胡成海，陈雷. 数控在线测量的应用与误差分析 [J]. 航空精密制造技术，2012,48(04):55～57.