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廢[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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圖1 TPK980Ta
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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。
1）模態數據保存模塊程序代碼及功能注釋如下。
#100=#4001; 第1組G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。
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。
圖5 TPKDesigner軟件啟動后的顯示界面
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。
