高速動車組側(cè)墻受焊接變形及自身預(yù)制撓度影響，側(cè)墻整體輪廓發(fā)生變形，造成實際加工軌跡與理論軌跡存在偏差，影響側(cè)墻加工精度。通過RMP60測頭測量循環(huán)功能，結(jié)合函數(shù)運算及Cip中間點圓弧插補功能，可實現(xiàn)對側(cè)墻直線度、角度和圓弧輪廓度等變形量的自動測量、計算并自動補償加工。
1 序言
高速動車組側(cè)墻是車體關(guān)鍵大部件之一，為鋁合金結(jié)構(gòu)，采用整體加工方式，加工精度要求高。受焊接變形及側(cè)墻自身預(yù)制撓度影響，側(cè)墻整體輪廓會產(chǎn)生變形，導(dǎo)致側(cè)墻車窗、車燈口和外輪廓加工出現(xiàn)尺寸偏差，需對變形量進行補償加工[1]。通過RMP60測頭定義相應(yīng)測量程序，對側(cè)墻變形特征進行自動測量，獲取測量值，對測量值進行R參數(shù)編程，構(gòu)建三角函數(shù)運算關(guān)系并進行函數(shù)運算，獲取變形量，同時引入Cip圓弧加工，可對側(cè)墻進行適應(yīng)性加工。
2 動車組側(cè)墻變形因素
2.1 側(cè)墻基本結(jié)構(gòu)
動車組側(cè)墻由長、大且中空的鋁合金型材通過IGM焊接機器人拼組焊接而成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要加工內(nèi)容有窗口加工、車燈口加工和側(cè)墻輪廓加工。按照側(cè)墻圖樣加工要求，窗口橫軸線應(yīng)與窗下滑槽平行，縱軸線與窗下滑槽垂直，且窗口整體呈長方形。車燈口橫軸線與燈下滑槽平行，縱向軸線與燈下滑槽垂直，且車燈口成形面與側(cè)墻表面平行。由于側(cè)墻整體結(jié)構(gòu)為中空鋁合金結(jié)構(gòu)，受焊接變形影響較大[2]，因此側(cè)墻加工前需考慮側(cè)墻焊接變形對窗口、車燈口及側(cè)墻外輪廓加工尺寸的影響。
圖1 側(cè)墻結(jié)構(gòu)
2.2 側(cè)墻直線度變化
側(cè)墻窗口加工時，理想狀態(tài)下窗口應(yīng)水平分布于側(cè)墻上，窗口橫向軸線與側(cè)墻橫向軸線平行，即窗橫軸線與窗下滑槽平行。實際加工中，受預(yù)制撓度影響，側(cè)墻拼組焊接后，整個側(cè)墻軸線為一條弧線，如圖2所示。撓度會造成各窗口橫向軸線形成高度差，即窗口加工坐標(biāo)系Y向零點偏移，同時窗口橫向軸線與機床X軸存在一個夾角θ，該夾角大小會隨窗口位置不同而不斷變化，因此操作人員在對側(cè)墻窗口加工時需同時考慮零點變化和夾角變化。
圖2 撓度影響下的側(cè)墻示意
2.3 側(cè)墻外輪廓傾斜角度變化
受側(cè)墻焊接變形影響，側(cè)墻拼組焊接后其外輪廓的實際傾斜角度與原角度存在一個偏差角度α（見圖3），在側(cè)墻傾斜面上進行車燈口加工時，要求車燈口縱向軸線與側(cè)墻上表面垂直。受偏差角度α影響，車燈口的實際加工輪廓與圖樣要求輪廓會出現(xiàn)偏差，車燈口實際加工縱軸線與理論加工縱軸線存在夾角α。因此操作人員在對車燈口進行加工時，若不考慮偏差角度α的影響，加工過程中會造成車燈口加工位置偏離（見圖4），且實際加工成形面與側(cè)墻上表面存在夾角α，導(dǎo)致后工序車燈口安圖2撓度影響下的側(cè)墻示意裝件與安裝口角度不匹配。
圖3 側(cè)墻傾斜角度變形示意
圖4 車燈口加工位置偏離
2.4 側(cè)墻外輪廓圓弧半徑R變化
受側(cè)墻焊接變形及裝夾定位誤差影響，側(cè)墻外輪廓圓弧半徑R實際值與圖樣理論值存在差值（見圖5），主要表現(xiàn)為圓弧輪廓R值大小變化造成的圓弧位置高度改變。編制側(cè)墻圓弧輪廓加工程序時編程者往往只能按照圖樣設(shè)計要求給出標(biāo)注理論值，當(dāng)側(cè)墻實際圓弧輪廓R小于圖樣設(shè)計要求時，即程序給定R值過大，會造成加工輪廓部位型材欠切，需二次加工才能滿足圖樣要求；當(dāng)側(cè)墻實際圓弧輪廓R大于圖樣設(shè)計要求時，即程序給定R值過小，會導(dǎo)致加工輪廓部位型材過切，造成質(zhì)量問題。需注意的是，側(cè)墻圓弧輪廓加工出現(xiàn)欠切時，由于每個側(cè)墻部件的R值均不一樣，從程序穩(wěn)定性考慮，操作者不會直接去修改加工程序中的R值，且R值修改后無法準(zhǔn)確判定其走刀軌跡，所以一般采取修改加工坐標(biāo)系Z值或調(diào)整刀補的方式來控制加工余量。
圖5 側(cè)墻外輪廓變形示意
因此刀具加工行走軌跡輪廓與側(cè)墻實際輪廓總會存在一個偏差值，造成加工余量偏高（見圖6），導(dǎo)致后續(xù)工序打磨量增加，時間和工具成本會因此上升。
圖6 變形導(dǎo)致加工余量偏高
3 RMP60測頭
3.1 RMP60測頭簡介
RMP60測頭是RENISHAW新一代無線電工件測量系統(tǒng)，采用無線電信號傳輸方式，可在加工中心上對工件進行自動找正和序中測量。我司承接動車組側(cè)墻加工任務(wù)的設(shè)備為FOOKE60m龍門加工中心，采用SIEMENS840D系統(tǒng)，機床配備RENISHAW公司的RMP60測頭（見圖7）。RMP60是一個集成的測頭模塊，主要由測頭刀柄、測頭和測針構(gòu)成。RMP60可根據(jù)需要配備不同型號的測針，使用PS3-4C型測針作為標(biāo)準(zhǔn)測針，總長為50mm，球徑為6mm，球頭材料為寶石，測針桿體材料為瓷。
圖7 RMP60測頭
3.2 測量過程
首先將測頭定位在實際平面或工件邊緣前，然后激活測頭朝工件邊緣靠近，并選擇測量坐標(biāo)系、測量坐標(biāo)及測量方向。在接觸到工件邊緣時，測針擺動構(gòu)成觸發(fā)動作，獲得被測點坐標(biāo)數(shù)據(jù)[3]，同時清除觸頭觸發(fā)時的剩余距離，并且執(zhí)行下一個NC數(shù)組（通常為回程）。相應(yīng)的軸在信號時間點所到達的實際位置（機床坐標(biāo)點）將被存儲在系統(tǒng)變量中，一般以MP值“[,]”存儲，可在進行其他加工時讀取調(diào)用。SIEMENS840D系統(tǒng)通過指令M84激活RMP60測量探測器，通過指令M85關(guān)閉測量探測器，可使用其控制系統(tǒng)上所安裝的SIEMENS測量循環(huán)來執(zhí)行各種測量任務(wù)。
3.3 測量循環(huán)Cycle730
FOOKE測量循環(huán)Cycle730是一種通用測量循環(huán)，將其與用來識別CNC控制的加工中心工件位置的測頭結(jié)合使用，即可執(zhí)行各種測量任務(wù)，測量參數(shù)定義如圖8所示。其可選擇將測量結(jié)果作為設(shè)定位置偏差或者絕對尺寸輸出給相應(yīng)設(shè)定變量，并且可以用于繼續(xù)處理下一測量任務(wù)。
圖8測量參數(shù)定義
該循環(huán)適用于主平面中的測量任務(wù)，也可用于斜面上的測量。Cycle730探頭測點循環(huán)格式如下。Setval[0]=SET（60,0,30）；X、Y、Z軸目標(biāo)坐標(biāo)TcD[0]=SET（0,1,0）；1表示在對應(yīng)軸方向上運動，0則表示不運動。其正負表示探測方向，探測方向為包括X、Y、Z軸分量的單位矢量，該矢量從目標(biāo)點指向測頭尖。若該矢量指向軸的正方向，即實際操作中測量方向從軸的正方向指向負方向，則值應(yīng)寫為正，否則值寫為負。
DEFRealSetval[3]
DEFRealTcD[3]
DEFRealStO=25；表示目標(biāo)點前的距離，測量應(yīng)從這里開始
DEFReaDeO=25；表示越過目標(biāo)點的超程距離，在該距離內(nèi)等待測頭偏轉(zhuǎn)
DEFRealRtp=50；完成測量之后移動至返回平面
CYCLE730(Setval,TcD,StO,DeO,Rtp)；調(diào)用Cycle730
MP[R10,0]=R1MP[R10,1]=R2MP[R10,2]=R3；
MP[R10,0]為存儲位置，R1～R3為存儲值方式，1、2、3表示測得結(jié)果為工件坐標(biāo)系絕對值。在參數(shù)界面中可通過“用戶數(shù)據(jù)”軟鍵顯示結(jié)果參數(shù)，在MP[Nr,axis]參數(shù)中顯示測量結(jié)果，0表示X軸，1表示Y軸，2表示Z軸STOPRE；程序預(yù)讀結(jié)束，單個循環(huán)執(zhí)行完成。
以上就是一個測量循環(huán)的整體格式，其中代碼為固定格式，無需更改，操作者可根據(jù)測量要求修改其中相應(yīng)數(shù)值進行多次調(diào)用，完成測量任務(wù)。
3.4 Cycle730測量應(yīng)用
對側(cè)墻窗口某一目標(biāo)點的Z、Y坐標(biāo)值進行測量探點，其測量程序如下。
DEFRealSetval[3]；定義循環(huán)參數(shù)
DEFRealTcD[3]
DEFRealStO
DEFRealDeO
DEFRealRtp
T14；選擇探頭
M6；換刀，將探頭抓取到主軸上
D1；讀取探頭長度、測針球體大小
G0G54X0Y30；探頭快速移動到設(shè)定位置
A0C0；探針垂直于工作臺面
M84；激活探頭
R10=50；測得的數(shù)據(jù)存儲在用戶數(shù)據(jù)界面中的MP[50,2]
X-600Y30；運動到指定點
Setval[0]=SET(-600,30,0)；定義測量目標(biāo)點坐標(biāo)為（－600，30，0）
TcD[0]=SET(0,0,1)；定義測量方向為Z負方向探測
StO=20；定義從目標(biāo)點上方20mm處開始測量
DeO=20；定義超程距離為20mm
Rtp=50；定義返回平面高度為Z50mm
CYCLE730(Setval,TcD,StO,DeO,Rtp)；調(diào)用Cycle730
MP[R10,0]=R1MP[R10,1]=R2MP[R10,2]=R3；存儲數(shù)據(jù)為絕對值
STOPRE；測量循環(huán)結(jié)束
G54X-600Y30；運動到指定點
R10=1；重新定義數(shù)據(jù)存儲點為MP[50,1]
R20=50；定義存儲點
Setval[0]=SET(-600,0,MP[R20,2+10])；測量目標(biāo)點坐標(biāo)
TcD[0]=SET(0,1,0)；定義測量方向為Y負方向探測
StO=15；定義從目標(biāo)點前方15mm處開始測量
DeO=15；定義超程距離為15mm
Rtp=30；定義返回平面位置為Y50mm
CYCLE730(Setval,TcD,StO,DeO,Rtp)；調(diào)用Cycle730
MP[R10,0]=R1MP[R10,1]=R2MP[R10,2]=R3；存儲數(shù)據(jù)為絕對值
STOPRE；測量循環(huán)結(jié)束
上述對窗口目標(biāo)點測量的程序中，考慮到側(cè)墻Z向變形影響，采用了先獲取目標(biāo)點Z坐標(biāo)，再根據(jù)Z坐標(biāo)測得目標(biāo)點Y坐標(biāo)的測量方式，以補償因側(cè)墻變形引起的測量高度不同而造成的測量偏差。
4 RMP60測頭在側(cè)墻加工中應(yīng)用
4.1 對側(cè)墻直線度變形的測量計算
側(cè)墻窗口加工中，受側(cè)墻撓度影響，窗口橫軸線與機床X軸會形成一個夾角θ（見圖9）。根據(jù)窗口橫軸線與窗下滑槽平行的加工要求，需保證窗高定位尺寸h，同時保證窗口輪廓為正方形，綜上所述考慮通過偏移坐標(biāo)零點同時旋轉(zhuǎn)工件坐標(biāo)系Z軸來補償撓度變量θ。根據(jù)圖中尺寸關(guān)系，H2－H1、L1和EF三者間可構(gòu)建一個三角函數(shù)模型，利用三者間函數(shù)關(guān)系可進行R參數(shù)編程并對變量θ進行三角函數(shù)運算[4]。使用RMP60測頭探點，測得E點坐標(biāo)MP[E,1]和F點坐標(biāo)MP[F,1]，定義R50=H2－H1=MP[F,1]－MP[E,1]，R51=L1，則tanθ=R50/R51，θ=arctan（R50/R51)。另外，需考慮到坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)對窗口尺寸加工的影響，需將工件坐標(biāo)Y向零點補償至（MP[F,1]+MP[E,1]）/2位置處，否則會導(dǎo)致坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)基點偏移，造成加工尺寸錯誤。
圖9 夾角θ 幾何關(guān)系
4.2 對側(cè)墻外輪廓傾斜角度變形量的測量計算
在側(cè)墻組焊變形影響及定位裝夾誤差的影響下，位于側(cè)墻傾斜面位置的車燈口成形面與水平面存在夾角α，且隨車燈口成形位置不同而不斷變化，因此找出α的計算邏輯關(guān)系是關(guān)鍵。夾角α幾何關(guān)系如圖10所示，根據(jù)單位長度方向上窗口成形面高度變化的差值與單位長度的比值可求得此處截面夾角α的值，圖中單位長度設(shè)為L，高度差設(shè)為H，L、H與AB可構(gòu)成三角函數(shù)模型，因此可對夾角α進行三角函數(shù)運算。使用RMP60測頭探點，分別測得A點坐標(biāo)MP[A,2]和B點坐標(biāo)MP[B,2]，則H=MP[B,2]－MP[A,2]，α=arctan（H/L）=arctan[（MP[B,2]－MP[A,2]）/L]。
圖10 夾角α幾何關(guān)系
4.3 對側(cè)墻圓弧輪廓變形的測量計算
側(cè)墻圓弧輪廓加工軌跡與側(cè)墻實際輪廓軌跡不符，除了圓弧R值本身大小變化外，圓弧輪廓因焊接變形而在空間位置中上下移動也是重要因素之一，且每個側(cè)墻部件的R變形量及移動量均不同，加工時需獲得圓弧實時輪廓大小，使加工軌跡與側(cè)墻輪廓相貼合。綜上，考慮Cip圓弧加工方式[5]，即通過RMP60測頭測量探點獲取圓弧起點、中間點和終點坐標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)這三點坐標(biāo)形成實時圓弧加工軌跡，加工軌跡隨測量坐標(biāo)數(shù)據(jù)變化而變化，實現(xiàn)適應(yīng)性加工。以Cip圓弧坐標(biāo)探點A、B、C三點坐標(biāo)為例（見圖11），其Cip軌跡程序如下。
圖11 Cip圓弧坐標(biāo)探點
G01G54X=R30Y=MP[A,1]Z=MP[A,2]f2500
CipX=R32Y=MP[C,1]Z=MP[C,2]i1=R31j1=MP[B,1]
k1=MP[B,2]f1500
5 結(jié)束語
機械加工中工件變形一直是制約產(chǎn)品加工精度的主要因素之一，動車組側(cè)墻作為鋁合金大部件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊接變形量大且變形形式多樣。本文針對動車組側(cè)墻直線度、角度、輪廓度變形引起的加工軌跡偏差問題，提出將RMP60測頭測量功能與函數(shù)運算相結(jié)合的方法，實現(xiàn)對側(cè)墻變形量的自動測量計算并自動補償加工。
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本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2022年第11期74~79頁，作者：中車青島四方機車車輛股份有限公司肖沖，趙登登，高禾林，原標(biāo)題：《轉(zhuǎn)輪式車刀高度調(diào)節(jié)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計》。
（轉(zhuǎn)載）
