数控车床在线检测及偏差自动补偿的实现方法

吴义荣

中山迈雷特数控技术有限公司 广东中山 528437

1 序言

随着工业机器人、自动化技术的发展，数控机床单机、多机自动化生产线的实现已不再是技术难题。但若要真正实现数控机床自动化无人值守加工，必须解决加工过程的在线检测及偏差自动补偿问题。否则，在出现刀具磨损、机床“跑尺寸”等意外时，将可能导致大批零件尺寸出现偏差甚至报废[1-3]。本文以某客户轴套孔加工在线检测及自动补偿的实现过程为例，介绍一种数控车床的在线检测及偏差自动补偿的实现方法。

2 相关产品简介

本文介绍的数控车床在线检测及偏差自动补偿的方法，是基于车床数控系统TPK980Ta（见图1）及IRP60红外测量仪（见图2）而实现的。

图1 TPK980Ta

图2 IRP红外测量仪

TPK980Ta是拓普康自控公司研制的一款车床数控系统，最多可控制5个轴，最小分辨率0.1μm，内置式PLC，支持车铣复合加工。其支持宏程序功能，系统的模态、坐标和刀补数据都可以通过宏变量形式供用户读/写。另外，该款系统还具备界面组态功能，用户可以根据应用需求自定义专用界面。

IRP红外测量仪是海克斯康的一款几何尺寸测量仪器，能够测量工件边缘、孔、槽、平台、角度、拐角和圆弧等几何形状。其由IRP60.00红外线测头和IRR61.00红外线接收器组成，红外接收器接收来自红外线测头的测量信号，并且负责启动/关闭测量系统，控制整个测量系统与数控系统的通信。

3 方案设计及实现

某公司承接了一批轴套类零件的加工业务，受新冠疫情影响，难于招聘到合适的操作人员。为解决操作人员短缺问题，该公司提出了采用桁架机械手替代人工进行上下料的方案，可实现数控机床单机自动化加工。但在自动化加工过程中，由于没有人员参与检测，一旦零件的关键尺寸出现偏差，后果将可能是零件的批量报废。因此，必须解决自动化加工中的检测及偏差自动修正问题。

针对客户需求，笔者提出了加工过程在线检测及偏差自动补偿的方案。该方案主要包含：①设计专用梯形图（PLC），实现对测量系统的打开/关闭、电池电量低等异常情况的处理。②设计专用宏程序，实现在线测量及偏差自动补偿。③设计专用界面，方便操作人员设置，以应对不同尺寸规格的零件，并可直观显示自动测试的结果。

3.1 梯形图的改进设计

梯形图的改进设计主要是增加控制指令（M代码）实现对测量系统的打开/关闭，以及当测头出现电池电量不足等情况时向数控系统发出警告提示。由于梯形图控制较为简单，所以本文不做详述。

3.2 宏程序的设计

设计思路是将测量仪探头当作一把特殊的刀具，在本文案例中，刀具号为8，刀具偏置号为32。为实现在线测量及偏差补偿，设计了两个宏程序，一个完成测量仪的自动校准，另一个完成零件内孔尺寸的在线测量及自动补偿。

（1）测量仪自动校准 自动校准过程是通过测量仪对主轴上夹持的标准件进行检测，进而对探头中心相对主轴轴心X向的偏差进行自动校准设置。同时，通过对标准件的测量，可以判断探头与主轴轴心是否等高。为保证测量数据的准确性，在Z向不同位置分别测量，共测量3次，根据测量结果判断数据是否有效，当数据有效时，以3次测量的平均值作为偏差补偿值进行自动补偿。测量仪自动校准处理流程如图3所示，测量仪自动校准程序包括模态数据保存、标准件测量、恢复模态数据、探头偏差自动校正和异常处理5个模块。

图3 测量仪自动校准处理流程

1）模态数据保存模块程序代码及功能注释如下。

2）标准件测量模块程序代码及功能注释如下。

4）探头偏差自动校正程序代码及功能注释如下。

（2）在线测量及偏差补偿 在零件内孔Z向的不同位置进行3次测量，如果3次测量中有2次或2次以上的测量数据都在公差范围内，则判定此零件合格；如果有2次或2次以上的测量数据不在公差范围内，则进行出错提示并要求手动确认零件是否合格；同时，将3次测量数据的偏差平均值作为加工内孔刀具的补偿值，自动修正该刀具的偏置值。在线测量及偏差自动补偿处理流程如图4所示，其程序包括尺寸检测、测试不合格处理以及偏差自动补偿等模块。

图4 在线测量及偏差自动补偿处理流程

1）第一次检测的代码与第二、三次基本相同，只是检测的轴向位置不同。第一次检测模块程序代码及功能注释如下。

2）第一次测试不合格处理模块程序代码及功能注释如下。

3）测试不合格处理及偏差自动补偿模块程序代码及功能注释如下。

3.3 组态界面的设计

组态界面的主要目的是给操作人员提供方便，在针对不同尺寸规格的零件和使用不同规格的探头时，可以快捷、直观地设置相关数据。同时，对测量仪每一次的检测结果进行显示和判定提示。组态界面基于TPKDesigner软件进行设计，通过USB设备导入到TPK980Ta数控系统中。

TPKDesigner软件启动后的显示界面如图5所示，针对该需求设计的组态界面如图6所示。组态界面导入TPK980Ta数控系统后，实际加工测量中显示的效果如图7所示。

图5 TPKDesigner软件启动后的显示界面

图6 使用TPKDesigner设计的组态界面

图7 组态界面导入TPK980Ta后实际显示效果

4 结束语

基于本文方案设计的数控车床内孔加工在线检测、自动补偿功能，配合外部桁架机械手自动上下料装置，实现了数控机床单机自动化生产线的无人值守加工，已在用户现场稳定运行了半年，为生产效益提供了保障。