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      自動化線無人值守的關鍵:數控車床在線檢測及偏差自動補

      受新冠疫情影響,工廠招工難,很多工廠開始嘗試用自動化生產線來解放生產人員,以緩解無人可用的尷尬境地。


      隨著工業機器人、自動化技術的發展,數控機床單機、多機自動化生產線的實現已不再是技術難題。但若要真正實現數控機床自動化無人值守加工,必須解決加工過程的在線檢測及偏差自動補償問題。否則,在出現刀具磨損、機床“跑尺寸”等意外時,將可能導致大批零件尺寸出現偏差甚至報[1-3]。本文以某客戶軸套孔加工在線檢測及自動補償的實現過程為例,介紹一種數控車床的在線檢測及偏差自動補償的實現方法。






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      相關產品簡介

      本文介紹的數控車床在線檢測及偏差自動補償的方法,是基于車床數控系統TPK980Ta(見圖1) 及IRP60紅外測量儀(見圖2)而實現的。

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      1  TPK980Ta


      圖片
      圖2  IRP紅外測量儀


      TPK980Ta是拓普康自控公司研制的一款車床數控系統,最多可控制5個軸,最小分辨率0.1μm,內置式PLC,支持車銑復合加工。其支持宏程序功能,系統的模態、坐標和刀補數據都可以通過宏變量形式供用戶讀/寫。另外,該款系統還具備界面組態功能,用戶可以根據應用需求自定義專用界面。

      IRP紅外測量儀是??怂箍档囊豢顜缀纬叽鐪y量儀器,能夠測量工件邊緣、孔、槽、平臺、角度、拐角和圓弧等幾何形狀。其由IRP60.00紅外線測頭和IRR61.00紅外線接收器組成,紅外接收器接收來自紅外線測頭的測量信號,并且負責啟動/關閉測量系統,控制整個測量系統與數控系統的通信。




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      方案設計及實現


      某公司承接了一批軸套類零件的加工業務,受新冠疫情影響,難于招聘到合適的操作人員。為解決操作人員短缺問題,該公司提出了采用桁架機械手替代人工進行上下料的方案,可實現數控機床單機自動化加工。但在自動化加工過程中,由于沒有人員參與檢測,一旦零件的關鍵尺寸出現偏差,后果將可能是零件的批量報廢。因此,必須解決自動化加工中的檢測及偏差自動修正問題。


      針對客戶需求,筆者提出了加工過程在線檢測及偏差自動補償的方案。該方案主要包含:①設計專用梯形圖(PLC),實現對測量系統的打開/關閉、電池電量低等異常情況的處理。②設計專用宏程序,實現在線測量及偏差自動補償。③設計專用界面,方便操作人員設置,以應對不同尺寸規格的零件,并可直觀顯示自動測試的結果。


      2.1 梯形圖的改進設計


      梯形圖的改進設計主要是增加控制指令(M代碼)實現對測量系統的打開/關閉,以及當測頭出現電池電量不足等情況時向數控系統發出警告提示。由于梯形圖控制較為簡單,所以本文不做詳述。


      2.2 宏程序的設計


      設計思路是將測量儀探頭當作一把特殊的刀具,在本文案例中,刀具號為8,刀具偏置號為32。為實現在線測量及偏差補償,設計了兩個宏程序,一個完成測量儀的自動校準,另一個完成零件內孔尺寸的在線測量及自動補償。


      (1)測量儀自動校準 自動校準過程是通過測量儀對主軸上夾持的標準件進行檢測,進而對探頭中心相對主軸軸心X向的偏差進行自動校準設置。同時,通過對標準件的測量,可以判斷探頭與主軸軸心是否等高。為保證測量數據的準確性,在Z向不同位置分別測量,共測量3次,根據測量結果判斷數據是否有效,當數據有效時,以3次測量的平均值作為偏差補償值進行自動補償。測量儀自動校準處理流程如圖3所示,測量儀自動校準程序包括模態數據保存、標準件測量、恢復模態數據、探頭偏差自動校正和異常處理5個模塊。


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      3  測量儀自動校準處理流程

      1)模態數據保存模塊程序代碼及功能注釋如下。


      #100=#4001; 1G代碼模態保存

      #101=#4002; 第2組G代碼模態保存

      #103=#4005; 第3組G代碼模態保存

      #104=#4007; 第7組G代碼模態保存

      #105=#4014; 第14組G代碼模態保存

      #106=#4016; 第16組G代碼模態保存

      #107=#4109; F代碼模態保存

      #108=#4119; S代碼模態保存

      #109=#4120; T代碼模態保存


      2)標準件測量模塊程序代碼及功能注釋如下。


      G0 X#500 Z#501; 探頭定位到測量起點

      X0; 探頭定位到主軸軸心

      Z5; 探頭靠近標準件

      G31 Z-15 F500 P1 L1000; 探測標準件是否內空

      G31 X[#505+#503*COS[12.5]-1] F#504; 第1次X正向測量

      #111=#5041; X正向測量位置記錄

      G1 X0; 探頭定位到主軸軸心

      G31 X[-[#505+#503*COS[12.5]-1]] F#504; 第1次X負向測量

      #112=#5041; X負向測量位置記錄

      IF[[[ABS[#111-#112]+[2*#502]]/2] LT #131] GOTO1001; 標準件內孔尺寸上限判斷

      IF[[[ABS[#111-#112]+[2*#502]]/2] GT #130] GOTO1001; 標準件內孔尺寸下限判斷

      G0 X0; 探頭回退到主軸軸心

      Z-12; Z向定位至不同位置測量

      G31 X[#505+#503*COS[12.5]-1] F#504; 第2次X正向測量

      #113=#5041; X正向測量位置記錄

      ……


      3)恢復模態數據模塊程序代碼及功能注釋如下。


      G[FUP[#100]]; 第1組G代碼模態恢復

      G[FUP[#101]]; 第2組G代碼模態恢復

      G[FUP[#103]]; 第3組G代碼模態恢復

      G[FUP[#104]]; 第7組G代碼模態恢復

      G[FUP[#105]]; 第14組G代碼模態恢復

      G[FUP[#106]]; 第16組G代碼模態恢復

      F#107; F代碼模態恢復

      S#108; S代碼模態恢復

      T[FUP[#109]]; T代碼模態恢復


      4)探頭偏差自動校正程序代碼及功能注釋如下。


      #140=#2732-#505+[[#111+#113+#115]/3+#502]; 3次測量正向偏差均值

      #141=#2732-#505-[[#112+#114+#116]/3-#502]; 3次測量負向偏差均值

      #2732=#2732+[[#140-#141]/2]; 偏差自動校正


      5)異常處理模塊程序代碼及功能注釋如下。


      N1000; 標準件非內孔狀處理程序模塊

      G0 Z#501; Z向快速回退至測量安全位置

      X#500; X向快速回退至測量安全位置

      G65 H99 P0(/校準件有異常,請確認后再進行校準操作); 報警提示

      GOTO2000; 跳轉至程序結束處理

      N1001; 測量數據異常處理程序模塊

      G0 Z#501; Z向快速回退至測量安全位置

      X#500; X向快速回退至測量安全位置

      G65 H99 P1(/校準件有誤,或測量儀測頭與主軸中心不等高,請確認后再進行校準操作); 報警提示GOTO2000; 跳轉至程序結束處理


      (2)在線測量及偏差補償 在零件內孔Z向的不同位置進行3次測量,如果3次測量中有2次或2次以上的測量數據都在公差范圍內,則判定此零件合格;如果有2次或2次以上的測量數據不在公差范圍內,則進行出錯提示并要求手動確認零件是否合格;同時,將3次測量數據的偏差平均值作為加工內孔刀具的補償值,自動修正該刀具的偏置值。在線測量及偏差自動補償處理流程如圖4所示,其程序包括尺寸檢測、測試不合格處理以及偏差自動補償等模塊。


      圖片
      4  在線測量及偏差自動補償處理流程

      1)第一次檢測的代碼與第二、三次基本相同,只是檢測的軸向位置不同。第一次檢測模塊程序代碼及功能注釋如下。


      G98; 進入分進給模式

      M5 S0; 主軸停轉

      M9; 關冷卻

      G28 U0 W0; 回參考點

      T0832; 調用探頭

      #130=#505+#506; 尺寸最大值

      #131=#505+#507; 尺寸最小值

      G0 X#500 Z#501; 探頭定位到測試起點

      X0; 探頭定位到主軸軸心

      M55; 打開測試系統

      Z5; 探頭靠近工件

      G31 Z-15 F500 P1 L999; 檢測工件是否是內孔類工件,若不是,則跳轉至N999程序段做異常處理

      G31 X[#505+#503*COS[12.5]-1] F#504; 進行第一次內孔尺寸檢測

      #2 = #5041; 保存當前絕對坐標值

      #510 = #2+#502; 第一次內孔實測值

      IF[#510 GT #130] GOTO1000; 若實測值大于最大尺寸,則跳轉至N1000程序段

      IF[#510 LT #131] GOTO1000; 若實測值小于最小尺寸,則跳轉至N1000程序段

      #121=1; 第一次測試置合格標志


      2)第一次測試不合格處理模塊程序代碼及功能注釋如下。


      N1000

      #121=0; 第一次測試置不合格標志

      #513=#513+1; 累加不合格次數

      GOTO1003; 跳轉至N1003程序段進行第2次測試


      3)測試不合格處理及偏差自動補償模塊程序代碼及功能注釋如下。


      N1005

      G0 X0; 探頭X向回主軸軸心

      Z#501; 探頭Z向快速退回至測試安全點

      G0 X#500; 探頭X向快速退回至測試安全點

      #[2700+#1]=#[2700+#1]+[[#505+[#506+#507]/2]-[#510+#511+#512]/3]; 根據3次的測試數據,自動補償偏差值

      G[FUP[#100]]

      G[FUP[#101]]

      G[FUP[#103]]

      G[FUP[#104]]

      F#107

      S#108

      T[FUP[#109]]; 恢復模態值

      G65 H99 P0(/對零件的3次檢測中至少有2次不合格,請手動測量確認); 報警提示


      3.3 組態界面的設計


      組態界面的主要目的是給操作人員提供方便,在針對不同尺寸規格的零件和使用不同規格的探頭時,可以快捷、直觀地設置相關數據。同時,對測量儀每一次的檢測結果進行顯示和判定提示。組態界面基于TPKDesigner軟件進行設計,通過USB設備導入到TPK980Ta數控系統中。


      TPKDesigner軟件啟動后的顯示界面如圖5所示,針對該需求設計的組態界面如圖6所示。組態界面導入TPK980Ta數控系統后,實際加工測量中顯示的效果如圖7所示。


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      5 TPKDesigner軟件啟動后的顯示界面


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      圖6  使用TPKDesigner設計的組態界面

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      圖7  組態界面導入TPK980Ta后實際顯示效果




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      結束語


      基于本文方案設計的數控車床內孔加工在線檢測、自動補償功能,配合外部桁架機械手自動上下料裝置,實現了數控機床單機自動化生產線的無人值守加工,已在用戶現場穩定運行了半年,為生產效益提供了保障。


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