受新冠疫情影响，工厂招工难，很多工厂开始尝试用自动化生产线来解放生产人员，以缓解无人可用的尴尬境地。
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。
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图1 TPK980Ta
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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。
2.1 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。
2.2 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。
1）模态数据保存模块程序代码及功能注释如下。
#100=#4001; 第1组G代码模态保存
#101=#4002; 第2组G代码模态保存
#103=#4005; 第3组G代码模态保存
#104=#4007; 第7组G代码模态保存
#105=#4014; 第14组G代码模态保存
#106=#4016; 第16组G代码模态保存
#107=#4109; F代码模态保存
#108=#4119; S代码模态保存
#109=#4120; T代码模态保存
2）标准件测量模块程序代码及功能注释如下。
G0 X#500 Z#501; 探头定位到测量起点
X0; 探头定位到主轴轴心
Z5; 探头靠近标准件
G31 Z-15 F500 P1 L1000; 探测标准件是否内空
G31 X[#505+#503*COS[12.5]-1] F#504; 第1次X正向测量
#111=#5041; X正向测量位置记录
G1 X0; 探头定位到主轴轴心
G31 X[-[#505+#503*COS[12.5]-1]] F#504; 第1次X负向测量
#112=#5041; X负向测量位置记录
IF[[[ABS[#111-#112]+[2*#502]]/2] LT #131] GOTO1001; 标准件内孔尺寸上限判断
IF[[[ABS[#111-#112]+[2*#502]]/2] GT #130] GOTO1001; 标准件内孔尺寸下限判断
G0 X0; 探头回退到主轴轴心
Z-12; Z向定位至不同位置测量
G31 X[#505+#503*COS[12.5]-1] F#504; 第2次X正向测量
#113=#5041; X正向测量位置记录
……
3）恢复模态数据模块程序代码及功能注释如下。
G[FUP[#100]]; 第1组G代码模态恢复
G[FUP[#101]]; 第2组G代码模态恢复
G[FUP[#103]]; 第3组G代码模态恢复
G[FUP[#104]]; 第7组G代码模态恢复
G[FUP[#105]]; 第14组G代码模态恢复
G[FUP[#106]]; 第16组G代码模态恢复
F#107; F代码模态恢复
S#108; S代码模态恢复
T[FUP[#109]]; T代码模态恢复
4）探头偏差自动校正程序代码及功能注释如下。
#140=#2732-#505+[[#111+#113+#115]/3+#502]; 3次测量正向偏差均值
#141=#2732-#505-[[#112+#114+#116]/3-#502]; 3次测量负向偏差均值
#2732=#2732+[[#140-#141]/2]; 偏差自动校正
5）异常处理模块程序代码及功能注释如下。
N1000; 标准件非内孔状处理程序模块
G0 Z#501; Z向快速回退至测量安全位置
X#500; X向快速回退至测量安全位置
G65 H99 P0(/校准件有异常，请确认后再进行校准操作); 报警提示
GOTO2000; 跳转至程序结束处理
N1001; 测量数据异常处理程序模块
G0 Z#501; Z向快速回退至测量安全位置
X#500; X向快速回退至测量安全位置
G65 H99 P1(/校准件有误，或测量仪测头与主轴中心不等高，请确认后再进行校准操作); 报警提示GOTO2000; 跳转至程序结束处理
（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。
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。
G98; 进入分进给模式
M5 S0; 主轴停转
M9; 关冷却
G28 U0 W0; 回参考点
T0832; 调用探头
#130=#505+#506; 尺寸最大值
#131=#505+#507; 尺寸最小值
G0 X#500 Z#501; 探头定位到测试起点
X0; 探头定位到主轴轴心
M55; 打开测试系统
Z5; 探头靠近工件
G31 Z-15 F500 P1 L999; 检测工件是否是内孔类工件，若不是，则跳转至N999程序段做异常处理
G31 X[#505+#503*COS[12.5]-1] F#504; 进行第一次内孔尺寸检测
#2 = #5041; 保存当前绝对坐标值
#510 = #2+#502; 第一次内孔实测值
IF[#510 GT #130] GOTO1000; 若实测值大于最大尺寸，则跳转至N1000程序段
IF[#510 LT #131] GOTO1000; 若实测值小于最小尺寸，则跳转至N1000程序段
#121=1; 第一次测试置合格标志
2）第一次测试不合格处理模块程序代码及功能注释如下。
N1000
#121=0; 第一次测试置不合格标志
#513=#513+1; 累加不合格次数
GOTO1003; 跳转至N1003程序段进行第2次测试
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。
N1005
G0 X0; 探头X向回主轴轴心
Z#501; 探头Z向快速退回至测试安全点
G0 X#500; 探头X向快速退回至测试安全点
#[2700+#1]=#[2700+#1]+[[#505+[#506+#507]/2]-[#510+#511+#512]/3]; 根据3次的测试数据，自动补偿偏差值
G[FUP[#100]]
G[FUP[#101]]
G[FUP[#103]]
G[FUP[#104]]
F#107
S#108
T[FUP[#109]]; 恢复模态值
G65 H99 P0(/对零件的3次检测中至少有2次不合格，请手动测量确认); 报警提示
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7 组态界面导入TPK980Ta后实际显示效果
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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。
