刘宁
航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司
黑龙江省 哈尔滨市 150000
摘要：数控加工在线测量技术能大幅提升产品质量和生产效率，有效降低制造成本，实现数控加工、测量的自动化。由此可见，这一在线测量技术的应用及推广对我国现代制造业的发展具有现实意义。本文分析了复杂零件数控加工在线测量技术。
关键词：复杂零件；数控加工；在线测量
由于高精度、复杂大型零件需求在不断增多，由此对数控加工提出了更大的挑战。传统的手工检测或离线检测效率低、精度差。而且检测过程烦琐，造成零件需经多次加工、测量、修整，才能满足设计要求。可见，传统的加工及精度评价方式已不能满足生产过程对高精度、高效率的要求。因此，提高柔性生产制造质量和效率已成为当前迫切需解决的问题。而在线检测具有可靠性和精度高的优点，保证了零件经一次装夹便可完成加工与测量的一体化生产，并可尽早发现加工中出现的误差，尽快修正，从而有效提高加工精度和生产效率。
一、数控加工概述
数控加工是指由控制系统发出指令使刀具作符合要求的各种运动，以数字和字母形式表示工件的形状和尺寸等技术要求和加工工艺要求进行的加工。它泛指在数控机床上进行零件加工的工艺过程。
数控机床是一种用计算机来控制的机床，用来控制机床的计算机，不管是专用计算机、还是通用计算机都统称为数控系统。数控机床的运动和辅助动作均受控于数控系统发出的指令。而数控系统的指令由程序员根据工件材质、加工要求、机床特性和系统所规定的指令格式(数控语言或符号)编制。数控系统根据程序指令向伺服装置和其它功能部件发出运行或终断信息来控制机床的各种运动。当零件的加工程序结束时，机床便会自动停止。任何一种数控机床，在其数控系统中若未输入程序指令，数控机床就不能工作。机床的受控动作大致包括机床的起动、停止；主轴的启停、旋转方向和转速的变换；进给运动的方向、速度、方式；刀具的选择、长度和半径的补偿；刀具的更换，冷却液的开起、关闭等。
二、在线测量系统组成
通过在加工中心内配备工件在线测量系统，使加工中心具备加工测量一体化功能，从而提高加工中心的自动化程度。其中，工件在线测量系统组成分硬件和软件两部分。其中，硬件包括加工中心和测头系统。软件包括数控系统软件及加工中心在线测量应用程序。
数控加工在线测量系统的执行部件为数控测头，工作部件包括主轴、工作台等。数控系统读取在线测量程序后，通过伺服系统控制机床各运动轴运行，使数控测头与工件相对运动。当数控测头与被测工件接触时，触发信号传输至红外线接收器。红外线接收器将光信号转换为电信号，并传递至控制器。控制器接收当前各轴坐标位置后，将特征点位置传输至数控系统。通过这样的坐标测量方法，获得实时读取的所有特征位置数据，随后数控系统按在线测量程序对整个零件加工过程进行实时监控、修正，形成加工、检测、修正、再加工的闭环制造系统。
三、应用策略开发
为实现数控加工零件的高精度要求，对在线测量功能的实现进行了加工全过程的应用策略开发，其不仅能对零件数控加工前、加工中、加工后的几何误差进行在线监测，而且可基于测量结果自动修正工艺参数，从而实现整个加工过程质量的闭环控制，为高精度零件的稳定高效产出提供有力保障。
1、加工前状态监控。将夹具与零件固定在机床上，数控测头对夹具与零件上的加工基准面位置进行自动测量，并基于测量数据动态重建加工坐标系，进而实现快速自动找正。这一方法消除了由于基准传递引起的误差，从基准上提高了加工精度。
2、加工中状态监控。
基于数控加工在线测量技术，实时对每道工序加工中的尺寸进行检测，基于测量数据和工艺要求进行在线分析，同时进行加工中刀具磨损、切削余量、尺寸误差等工艺参数的自动修正，从而实现对加工过程的自动修正，使整个生产过程更加稳定高效。
3、加工后状态监控。在一道工序或所有工序都加工完成后，对加工后的尺寸实时进行在线检测。依据工艺要求和测量结果进行加工尺寸合格状态的自动评估。这一过程简化了质量检测过程，大幅缩短了脱机测量的辅助时间，降低了测量成本。
通过上述在线测量技术的应用策略开发，能实现高精度零件数控加工检测一体化，并实现对加工过程的自动修正。整个测量过程完全自动化，减少了人为干预，从而保证了数控加工质量。
四、在线测量技术的应用
制造业生产方式由单一品种、大批量生产转向多品种、小批量、个性化定制生产，导致产品结构越来越复杂，精度要求和成本越来越高，同时对数控加工提出了更高的精度和效率要求。
目前，在线测量功能已成为高端数控设备的标配。通过应用在线测量技术，能有效提高加工效果。以某发动机气缸体加工为例，采用在线测量技术对由干扰因素造成的误差进行主动检测、补偿，保证能稳定达到气缸体加工所需加工精度。
1、加工前状态监控。加工前，要将气缸体准确定位装夹在夹具上，这就要求夹具在机床上的位置必须满足工艺要求。装夹夹具至机床后，需通过人工进行拉平、找正，此过程对人的技能要求高，且费时费力。在夹具的日常使用，尤其是高频次使用中，由切削产生的作用力存在导致夹具移动的风险，需要人工定时检测，这会导致生产中断，从而影响生产连续性。
为消除上述问题对气缸体加工节拍造成的影响，通过引入在线测量技术来实时检测夹具状态，并自动找正。
当工作台置于机床加工工位时，对气缸体进行加工前状态监控，数控测头会自动探测夹具上基准面位置。机床控制器计算出基准面位置数据，并提供至数控系统，由数控系统通过在线测量程序实时计算，得出基准面实际位置与理论值偏差数据，驱动伺服系统进行自动摆正，整个过程无需人工干预。在之后的加工中，机床数控系统会通过获取的测量数据动态重建加工坐标系来提高加工质量。
2、加工中状态监控。在气缸体的加工过程中，由于刀具磨损、装夹变形、丝杠热伸长等原因，会导致加工原点位置漂移。依靠传统人工补偿方法，需大量数据记录、分析，并且无法实现准确的周期修正，需加大离线检测频次，同时又会造成生产辅助时间延长。可见，无法真正做到过程质量的实时监控。
在某灰铸铁材质气缸体上平面的铣削加工中，其位置尺寸精度受加工刀具磨损影响大，需对刀具磨损进行定期补偿。传统的人工补偿效率低，且无法正确预估补偿周期，易导致加工气缸体报废。因此，对数控刀具切削加工过程中或使用后的状态进行在线实时监控，有助于保证生产质量的稳定性。
在实际应用中，数控测头实时对当前铣削完的气缸体表面进行测量，并根据测量结果计算刀具磨损量，进而对下个工位铣削参数进行自动加工补偿，以保证加工精度。还可根据刀具不同磨损量来设置不同测量频次，如每10件检测1次，从而提高生产效率。
3、加工后状态监控。在一道工序或所有工序加工完成后，通常采用离线抽检方式对零件加工质量进行事后检测。考虑到生产节拍和测量成本，尤其是在大批量生产中，根本无法做到100％检测，由此造成极少部分存在加工缺陷的零件无法被及时发现，产生质量隐患。
为解决以上问题，使用在线测量技术对气缸体加工后的关键尺寸进行100％实时监控，并进行合格状态判定。这样能及时发现问题，并在气缸体下线前进行工艺处理，从而有效降低制造成本。
如在某气缸体总成止推面加工完成后，数控测头实时对止推面位置进行在线自动测量。并依据工艺要求对测量结果进行质量评估，合格品转入下道工序，不合格品做报废处理，这一过程有效缩短了脱机测量的辅助时间，保证了加工连续性。
参考文献：
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[2]薛凤举.数控加工中在线测量的应用探析[J].制造技术与机床，2015(05)．
[3]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(07).