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车轮数控加工中测头的定位与测量应用

返回列表 来源: 发布日期: 2022.06.21 浏览次数:2657
1前言

车轮数控加工中工件的装夹定位精度、尺寸测量精度和切削精度是保证产品质量的关键。如何在加工过程中保证这些重要的精度,检测技术是关键。目前数控加工正在向无人化、自动化方向发展,这就要求数控设备具有很高的加工精度。常见的车轮检测技术是在三坐标测量机上对成品车轮进行检测,不仅耗时,而且增加了生产成本。采用自动检测技术不仅可以节约成本,还可以有效提高生产效率。在我国,高速动车组和地铁车轮的数控加工正在走向自动化,自动检测技术的应用起到了关键的推动作用。

2自动检测系统的组成和工作原理

自动检测又称在线检测,是在数控加工过程中对工件进行实时检测,并根据检测结果做出相应处理的一种检测模式画面。自动检测是基于数控系统自动控制的检测技术,其检测路径由数控程序控制。自动检测的主要部件是工件探头。需要检测时,数控系统会从刀库中调出测头,按照测量循环路径装入主轴进行检测。根据检测结果,可以进一步切割工件。数控加工自动检测在加工具有复杂空间曲面的产品时具有明显的优势。数控机床自动检测技术实现了自动检测与加工的紧密结合,是检测技术最理想的应用之一。同时,该检测技术加工零件精度高、效率高。在更复杂零件的检测中,自动检测技术也有突出表现,可以有效减少零件的装夹次数,降低零件的生产工艺强度,缩短制造周期,大大降低零件的制造成本。

数控加工自动检测系统一般由三部分组成:数控机床、PC机和测头。数控机床完成加工和检测的一体化,即把测头和刀具同时安装在刀具库中,统一编号,通过程序随时自动测量,使数控机床不仅仅是加工设备,还具有测量机的一些功能。在实现数控机床的自动检测时,利用数控系统的标准测量循环指令编辑测量路径和标准,使测头沿着程序指定的路径运动。当测头接触工件时,发出触发信号,通过测头与CNC系统的专用接口传送到转换器,转换后再传送到机床的控制系统,并记录下该点的坐标进行拍照。收到信号后,机床停止运动,通过通讯接口将测量点的坐标传回计算机,然后进行下一次测量动作,从而实现对被加工工件的完整测量。

3检测车轮加工、夹紧和定位精度

夹紧精度是保证车轮加工质量的前提。自定心卡盘夹紧车轮后,通常用磁性百分表检测,以确定夹紧定位精度是否合格。这种检测方法往往会造成处理中断,制约处理效率的提高。但采用自动检测技术后,夹紧精度检测如图1所示。只需用圆周检测工件探头在车轮外圆上每隔120°取一点,测量圆周方向均匀分布的三个点即可。同时,对测量数据的偏差进行了比较。如果超过设定尺寸,测量程序会自动补偿偏差到设备工作台的数据补偿,补偿工作台偏差,实现车轮定位和夹紧的自动检测和补偿。同时,车轮在高度方向上的定位精度可以通过高度探头来检测。检测方法与外圆相同,但采用不同的测量循环程序。这个测量过程还可以测量被加工车轮的踏面尺寸,测量结果会反映在数控系统参数表中。

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4刀具尺寸的自动检测

刀具尺寸的自动检测实际上就是刀具对准。数控加工中使用的对刀方法一般有三种:试切对刀法、光学对刀法和机械对刀法。三种对刀方式的对刀效率都比较低,都需要人工操作来完成对刀。自动对刀规则是为车轮加工设备安装一个对刀探头,编辑对刀程序,对刀前只需要一个基准刀具对对刀探头进行校准,其他刀具触碰校准后的探头即可完成对刀。自动对刀的优点是精度高,各刀具基准相同,误差小,甚至零误差。在车轮加工过程中,如果需要两个或两个以上的刀具来完成对刀过程,可以有效避免对刀痕迹的出现。对刀效率高,每把刀具的对刀时间可缩短80%左右,从而提高车轮加工的整体效率。

5车轮加工工件坐标系的自动建立

建立工件坐标系的过程实际上也是确定工件加工零点的过程,利用自动测量系统也可以建立车轮加工的工件坐标系。在车轮加工中,通常将车轮的轮辋表面确定为工件在Z方向的零点,而在检测外圆时已经确定了车轮在X方向的零点,即车轮外圆的圆心。在采用自动测量系统之前,每个刀具都需要试切轮辋,以确定工件的零点。由于车轮加工的刀具很多,建立坐标系是一个漫长的过程。为解决这一问题,采用了自动测量系统。工件坐标系的建立如图2所示。只需用工件测头测量轮辋高度和尺寸,然后用加工程序调用测头测量的尺寸赋值参数并补偿到G54坐标系,就可以快速自动建立车轮加工的工件坐标系。
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6车轮加工中关键尺寸的测量和补偿

自动测量系统也可用于测量和补偿车轮的关键尺寸。自动测量循环具有比较和补偿编程理论值和探头测量值之间偏差的功能。比如加工轮毂孔时,在采用自动检测方案之前,通常采用试切法进行人工测量。最后,测量的偏差被手动输入并补偿到刀具补偿中。由于内径千分尺自定心能力差,无法保持恒定的测量力,测量尺寸往往与实际尺寸有偏差,手动输入刀具补偿有出错的风险,容易出现质量问题。自动测量系统可以很好地解决上述问题。如图3所示,用试切探针测量车轮内孔,使测量精度在0.002mm以内,偏差会自动输入刀具,彻底消除了手动输入错误值的风险。同时,自动测量可以有效提高测量效率,从而提高整体加工效率,保证加工过程的连续性,实现车轮真正的自动化加工。

7难以手动测量和定位的流程处理。

轮辐板孔和轮毂孔有反向倒角,它们的加工位置位于夹紧面和车轮加工面的下方,通常操作者看不到,难以测量。因为加工过程中每个轮子的尺寸都不一样,倒棱位置不是参考位置,所以加工难度大。即使加工完成后,也无法观察到倒角,所以只能在整个加工完成后拆卸观察。如果倒角有质量问题,需要二次加工,二次装夹很难找到正轮辐孔的位置。这个问题一直是车轮加工的难点。如果手工测量每个车轮的反倒角位置和尺寸,加工效率会很低,加工质量也无法保证。采用自动检测技术,车轮底部尺寸检测如图4所示。用十字测头入孔,深入到腹板孔或毂孔底部进行自动测量,就可以精确测量出反倒角加工位置的初始尺寸。使用加工程序,通过在加工过程中调用由变量分配的尺寸参数,可以精确地切割反向倒角。

8用于第二次夹紧的腹板孔的角度和位置被正确定位。

加工后的车轮可能存在缺陷,需要在机床上重新夹紧车轮进行二次加工。如果车轮的辐条孔有缺陷,需要进行二次加工。二次装夹时,在机床上手动操作无法找到辐条孔的初始加工位置。车轮拆卸后,腹板孔在机床上的相对位置发生了变化,腹板孔不在机床的回转中心上,无法对腹板孔进行二次加工。为了解决这个问题,自动检测技术可以提供一个很好的解决方案。如图5,探头探入腹板孔中心,正向移动机床C轴,使探头接触腹板孔壁的触发信号,然后反方向做同样的动作,测量两个角度尺寸。加工程序计算两点的中心,即该腹板孔的中心,并将该点设置为腹板孔加工的起点,即C轴加工腹板孔时的零度位置,以解决车轮加工时腹板孔的二次装夹定位。

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9结束语

自动检测技术的应用扩大了车轮加工的工艺范围。人工无法检测的几何数据可以通过自动检测技术高效检测出来,提高了车轮加工的加工精度、连续性和准确性。自动检测技术在车轮加工中的应用是车轮加工自动化和无人化的重要组成部分,具有很高的推广性。目前大多数数控机床还没有开发出自动检测的全部功能,只是用于简单的尺寸检测。后续的自动检测技术应广泛应用于工件的定位夹紧、刀具的自动测量、高难度测量定位工序的加工,并朝着提高生产效率和加工质量的方向发展。

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