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[分享] 影响高速、高精度在线测量的因素

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发表于 2015-10-24 09:13:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
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影响高速、高精度在线测量的因素

影响高速、高精度在线测量的因素

        在汽车零部件加工领域,在线测量技术具有很好的优势。掌握在线测量技术,并且了解影响测量效果的因素,从而给出行之有效的解决方案,能够为实现快速、高精度的生产提供帮助。
        经过近十几年的发展,国内在线测量技术已经广泛应用于模具、汽车零部件等质量要求高、供货周期短的行业。近几年国内汽车行业的快速发展,带动了在线测量技术的普及与应用。目前的在线测量产品主要有MARPOSS、RENISHAW、BLUM及M&H等品牌。在线测量分为两个方向:一个是刀具测量与监控,另一个是工件测量。本文只讨论实现产品快速、高精度加工的工件在线测量。在发动机、变速器零部件加工过程中主要有两种形式的工件在线测量:加工中心、车削中心上使用的测头用于加工前、后的测量;磨床、抛光机上使用的测头用于加工过程中的随动测量。经实践验证,使用在线测量可保证高精度、高可靠性的快速加工。但在实际应用过程中,会有一些因素影响着高精度测量的实现,下面主要针对这些因素进行分析。
        在线测量原理
        在线测量主要实现工件在机床加工过程中工件的定位、尺寸控制与质量确认。测量设备主要是测头,与工件直接接触。测量信号通过电缆或者接收器传输给机床或者测量软件。测头安装有几种方式:第一种,与普通刀具一样,使用时装在机床主轴上,用后放在刀库,主要用于加工中心。第二种,安装在刀塔上,用于车削中心,测量时测头被调用。第三种,安装在专用的测量臂或者测量桥上,用于一些专用机床,如滚压机、抛光机和凸轮磨床等。在随动测量时,测头与工件在加工过程中始终接触,如曲轴轴颈精磨和抛光,工件尺寸变化导致测头的测量电压变化,测量信号将该变化传输给测量软件进行计算,达到设定值后,测头退出,加工完成。在非随动测量时,测头只在加工前和加工后进行测量,刀具切削时不参与测量,如加工中心和车削中心。测量时测头与工件接触后触发,触发信号传给机床后,机床记录触发时的机床坐标,通过编制测量程序计算测量值,实现工件的定位和尺寸确认。
        影响测头测量精度的因素
        在实际生产中,在线测量的使用确保了加工质量的稳定性,大大减少了人工抽检频次,但是也存在测头报警及尺寸不稳定的情况。其影响因素主要有三类:测量设备本身的因素、测量策略及外部干涉。
       

影响高速、高精度在线测量的因素

影响高速、高精度在线测量的因素

        1. 测量设备本身的因素
        在测量设备方面,影响测量精度的因素主要有测头精度、机床精度及反馈延时等。
        (1)测头精度。是指测头本身存在的测量误差和安装误差。测头本身的测量精度一般都较高,达到微米级以上,但是在安装时,测杆会有跳动,测杆对中性不好等都会引起测量偏差。所以在新安装测头或者更换测杆后需要检查测杆的跳动,一般控制在10umm以内。其他误差可在校准后利用校准值进行补偿。在有接收器的无线信号传输时,接收器的接收范围一般在120°左右,超过这个范围后会出现测量误差甚至无法测量。举例来说,曲轴键槽和法信盘螺纹孔加工工位的加工中心配有测头,用于确保曲轴旋转角度的精度。机床投入生产后,偶尔出现角度超差误报警,后来报警增多,影响生产,测量值不稳定,有时测量同样部位相差达0.5 mm。开始以为是测头的问题,更换测头后报警并没有消除,清洁接收器后报警会减少。由于接收器安装在换刀门里侧,调整角度效果不好,于是就更换了安装位置,使得其接收范围完全覆盖加工区域,之后误报警基本消除。
        (2)机床精度。机床的重复精度也对测头的测量精度起到很大影响,所以在机床使用到一定时间后需要对机床精度进行确认,并进行记录跟踪。定期检查丝杠、联轴器及导轨,并进行跟踪记录。前期误差比较小时,可通过背隙补偿、螺距补偿等软件调整。误差较大时则需要更换丝杠、导轨等。设备精度维持主要依靠平时的维护与保养,关于机床方面,这里不做赘述。
        (3)反馈延时。在测量时,测量信号经电缆或者接收器传输给机床,期间机床并没有停止运动,所以信号的反馈延时会导致测量误差。如,测头测量速度为100 mm/min,延时量为16 ms,那么在测头已经触发后还至少运动0.027 mm后,机床才会得到触发信号而记录机床坐标,所以就会出现很大的测量偏差。解决该问题的方法主要是依靠测头校准,在校准过程中,反馈延时量会被作为补偿值在测量时进行使用。为避免反馈延时过大,尽量选用机床的高速跳转功能,避免反馈电路中使用继电器、接触器等元件,以防止增加反馈延时。举例来说,车削中心在加工曲轴止推面后,利用测头进行尺寸确认。机床在测量过程中出现“未发现测量点”报警,但实际上测头测杆已经发生偏折,测头也发出了测量触发信号。更换测头和接收器后报警没有消除,检查电路发现在接收器与机床主控制器之间使用了一个接触器,怀疑是接触器动作不良导致信号接收过晚,更换接触器后报警消除。因信号兼容、限流保护等原因需要用到信号转换的场合,可使用光电耦合器,不使用触点,动作灵敏,减少反馈延时。
        2. 测量策略
        从测量策略上看,测头的校准、测量速度选择对测量精度影响较大。
        (1)测头的校准,测头在测量时需要发生偏折,测量信号有反馈延时等导致测量得出的点并不是实际测量点,所以必须对测头进行校准。校准分为机械校准和电气校准:机械校准是指将测头调整到规定的状态,如测杆跳动、测头位置等;电气校准是指根据测量标准量规得出偏差值,作为补偿值进行保存,用于测量时调用。在加工中心上,校准时一般用标准环和标准量块作为校准X、Y和Z轴的标准;在车削中心上一般用已知位置的标准槽作为标定Z轴的标准;而在凸轮磨床和抛光机等专用机床上,一般使用特制的标准棒对测头的零点进行校准。在使用时,也有不需要校准的测头,如用于滚压机上滚压完毕后测量曲轴跳动的测头不需要校准,因为它只是测量了一个相对量。那在什么时候需要对测头进行校准呢?在更换测头测杆、调整位置及加工出现尺寸超差时都需要进行校准。为确保精磨精度,我厂对凸轮磨床上的测头都会进行定期校准,以确保测量精度。
       

影响高速、高精度在线测量的因素

影响高速、高精度在线测量的因素

        (2)测量速度,因反馈延时误差的存在,测量速度成了影响测量精度的关键因素之一,主要是针对与加工中心和车削中心使用的测头。测量速度越高,测量精度越差。但是在实际生产中,要求测量速度越快越好。为了解决这一矛盾,需要改善测量过程。由于测量本身需要的距离非常小,所以如果测头能在测量过程中快速定位到测量点附近,然后再转化为较慢的测量速度,就实现了快速、高精度测量的需要。对出于安全考虑不宜实行快速定位的场合,可以先快速测量出测量点的大体位置,然后测头回退一个很小的距离,离开触发点,再以慢速进行测量,得出精确测量值,这种方式也可以实现快速、高精度的测量。
        3. 外围干涉
        外围干涉主要会引起测量的突变,从而造成较大的测量偏差。
        (1)接收器污染。接收器一般安装在加工仓内,在加工过程中切削液和切屑颗粒会混合粘在接收器表面,影响信号接收,所以需要定期清理。也可以通过给接收器加防护装置或者将接收器放在换刀门后减少污染来解决此问题。
        (2)日光灯影响。一般在加工仓内都有日光灯,而测头与接收器的通信目前主要是红外线方式,日光灯如果正对着接收器也会影响红外线的接收。所以在安装时,要尽量避开日光灯的影响。无法避开时,可以采取对接收器加遮板的方式减少日光灯的影响,但会影响接收器的接收范围。
        (3)切屑及切削液的影响。在随动测量中,切削液中的切屑对测量是有威胁的,会造成尺寸突变,工件报废。在磨床中,切削液颗粒物含量超标后会很大程度地影响加工尺寸,所以对有随动测量的机床,切削液过滤要求较高,需要定期清理切削液箱,更换过滤材料并记录。在生产中,曾多次出现因切削液脏导致的尺寸超差现象。
        (4)测头电缆干涉。随动测量的测头一般是用电缆直接与机床连接。经过长期使用后,因电缆固定出现松动,会导致在加工测量过程中电缆对测头有拉力,影响测量精度,出现尺寸不稳定的现象,而这种情况排查起来往往比较难。举例来说,我厂抛光机各单元抛光臂装有测头,在抛光过程中控制尺寸。某次换型后,有个单元尺寸一直不稳定,对测头进行多次校准后无效,观察加工过程,发现该单元测头反馈电缆在加工时与旁边单元的抛光臂有摩擦。整理电缆,重新校准后,尺寸变得稳定。类似的情况还出现在磨床中。在曲轴加工过程中,右侧砂轮加工的尺寸出现不稳定的现象,通过校准测头,标定砂轮等都无效。之后,进入机床检查发现右侧测头反馈线一固定点脱落,重新固定后,尺寸变得稳定。
        结语
        在汽车零部件加工行业,在线测量的优势越来越多地体现出来。同时,在线测量在质量控制方面开始起到主导作用。因此,作为工艺人员、质量人员和设备维修人员都应该了解在线测量技术,为快速、高精度的生产提供帮助。以上内容大体概括了在实际生产中影响在线测量精度的各种因素,经过不断的总结与培训,在线测量技术在我厂已被大多数相关技术人员掌握,在生产中发挥着很大的作用。
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