测头在高速动车组侧墙加工中的应用

高速动车组侧墙受焊接变形和自身预制挠度影响，侧墙整体轮廓变形，导致实际加工轨迹与理论轨迹产生偏差，影响侧墙加工精度。通过数控测头的测量循环功能，结合函数运算和Cip中间点圆弧插补功能，实现直度、角度、圆弧轮廓等侧壁变形的自动测量、计算和自动补偿。

1前言

高速动车组侧墙是车体的关键部位之一，由铝合金制成。采用整体加工方式，加工精度要求高。受焊接变形和侧围本身预制挠度的影响，侧围整体轮廓会发生变形，造成车窗、灯口和侧围外轮廓的尺寸偏差，需要对变形进行补偿。由机床的在机测量探头定义相应的测量程序，自动测量侧壁的变形特性，得到测量值，用R参数对测量值编程，构造三角函数运算关系，得到变形量。同时，引入Cip圆弧加工，使侧壁可以自适应加工。

2动车组侧墙变形因素

2.1侧墙的基本结构

动车组侧墙由IGM焊接机器人焊接的长、大、中空铝合金型材制成。主要加工内容包括窗口加工、灯口加工和侧墙轮廓加工。根据侧墙花纹加工的要求，窗的横轴应与窗下滑槽平行，竖轴应与窗下滑槽垂直，整个窗为长方形。灯口的横轴平行于灯下滑槽，纵轴垂直于灯下滑槽，灯口的成型面平行于侧壁面。由于侧围整体结构为中空铝合金结构，受焊接变形影响较大，因此在加工侧围前应考虑侧围焊接变形对车窗、灯口和侧围外轮廓加工尺寸的影响。

2.2侧墙直线度变化

加工侧窗时，理想情况下，窗户应水平分布在侧墙上，窗户的横轴应与侧墙的横轴平行，即窗户的横轴应与窗户下的滑槽平行。实际中，由于预制挠度的影响，侧墙组装焊接后，整个侧墙的轴线是一个圆弧。偏转会造成各窗口横轴的高度差，即窗口加工坐标系Y向零点偏移，同时窗口横轴与机床X轴之间存在夹角θ。夹角会随着窗口位置的变化而变化，所以操作者在加工侧墙窗口时，既要考虑零点的变化，也要考虑夹角的变化。

2.3侧壁外轮廓倾角的变化

受侧壁焊接变形的影响，装配焊接后侧壁外轮廓的实际倾斜角度与原始角度之间存在偏差角度α。当在侧壁的倾斜表面上加工灯开口时，要求灯开口的纵向轴线垂直于侧壁的表面。受偏离角α的影响，灯口的实际加工轮廓会偏离图纸要求的轮廓，灯口的实际加工纵轴与理论加工纵轴之间存在夹角α。因此，如果操作者在加工灯口时不考虑偏离角度α的影响，灯口的加工位置在加工过程中就会发生偏离，实际加工面与侧壁上表面之间存在夹角α，导致在后加工工序图2中灯口偏转的影响下，侧壁示意装配与安装口的角度不匹配。

2.4侧壁外轮廓圆弧半径r的变化

受侧墙焊接变形和夹紧定位误差的影响，侧墙外轮廓圆弧半径R的实际值与图纸理论值存在差异，主要表现为圆弧轮廓R值的变化引起的圆弧位置高度的变化。程序员在编制侧墙圆弧轮廓加工程序时，只能根据图样设计要求给出理论值。当侧墙实际圆弧轮廓R小于图案设计要求时，即程序中给定的R值过大，会造成加工轮廓的轮廓欠切，需要进行二次加工以满足图案要求。当侧墙实际圆弧轮廓R大于设计要求时，即程序给定的R值过小，会导致轮廓过切，造成质量问题。需要注意的是，侧墙圆弧轮廓根切时，由于各侧墙构件的R值不同，操作者为了程序稳定，不会直接在加工程序中修改R值，修改R值后无法准确确定刀具轨迹，所以一般通过修改加工坐标系的Z值或调整刀具补偿来控制加工余量。

因此，刀具加工行走轨迹的轮廓与侧壁的实际轮廓之间总会存在偏差，导致加工余量较高，导致后续工序磨削量增加，从而导致时间和刀具成本增加。

3.2测量过程

首先将探头定位在实际平面或工件边缘的前方，然后激活探头靠近工件边缘，选择测量坐标系、测量坐标和测量方向。当接触到工件边缘时，探头摆动形成触发动作，得到被测点的坐标数据。同时，触点被触发时的剩余距离被清除，执行下一个NC数组(通常是一个回程)。对应轴在信号时间点到达的实际位置(机床坐标点)会存储在系统变量中，一般用MP值“，]”，在其他处理时可以读取调用。SIEMD系统通过指令M84激活测量探头，并通过指令M85关闭测量探头。安装在其控制系统上的西门子测量循环可用于执行各种测量任务。

3.3测量周期循环730

FOOKE测量循环循环730是一个常规测量循环。当它与用于识别CNC控制的加工中心的工件位置的探针结合时，它可以执行各种测量任务并定义测量参数。它可以选择将测量结果作为设定位置偏差或绝对尺寸输出到相应的设定变量，并可用于继续处理下一个测量任务。

此循环适用于主平面内的测量任务，也可用于斜面上的测量。Cycle730探头测点循环格式如下。Setval[0]=SET(60，0，30)；x、y、z轴目标坐标TCD [0] = set (0，1，0)；1表示在相应的轴方向移动，0表示不移动。它的正负代表检测方向，是一个包含X、Y、Z轴分量的单位矢量，从目标点指向探头尖端。如果矢量指向轴的正方向，即在实际操作中，测量方向从轴的正方向指向负方向，则数值应写成正，否则数值应写成负。

DEFRealSetval[3]

DEFRealTcD[3]

DEFRealStO = 25指示目标点前方的距离，测量应从该距离开始。

DEFReaDeO = 25指示目标点上的超程距离，并等待探头在此距离内偏转。

DEFRealRtp = 50测量后移至返回平面。

CYCLE730(Setval、TcD、StO、DeO、Rtp)；调用周期730

MP[R10，0]=R1MP[R10，1]=R2MP[R10，2]= R3；

MP[R10，0]是存储位置，R1 ~ R3是存储值的方式，1，2，3表示测量结果是工件坐标系的绝对值。在参数界面中，可以通过“用户数据”软键显示结果参数，测量结果可以显示在MP[Nr，axis]参数中，0代表X轴，1代表Y轴，2代表Z轴STOPRE；程序的预读完成，单个循环的执行完成。

是上面测量周期的整体格式，其中代码是固定格式，不需要更改。操作者可以根据测量要求修改相应的值，并多次调用它们来完成测量任务。

3.4 Cycle730测量应用

测量侧壁窗口中目标点的Z和Y坐标值。测量程序如下。

DEFRealSetval[3]；定义循环参数

DEFRealTcD[3]

DEFRealStO

DEFRealDeO

DEFRealRtp

T14选择探针

M6；更换切刀，将探头抓到主轴上。

D1；读取探针的长度和探针球体的尺寸。

G0G54X0Y30将探头快速移动到设定位置。

A0C0探头垂直于工作台。

M84激活探针

R10 = 50测量数据存储在用户数据界面的MP[50，2]中。

x-600 y30；移动到指定点。

Setval[0]=SET(-600，30，0)；将测量目标点的坐标定义为(-600，30，0)

TcD[0]=SET(0，0，1)；测量方向定义为z负方向检测。

StO = 20定义从目标点上方20毫米开始的测量。

DeO = 20超程距离定义为20毫米。

Rtp = 50返回平面的高度定义为Z50 mm。

CYCLE730(Setval、TcD、StO、DeO、Rtp)；调用周期730

MP[R10，0]=R1MP[R10，1]=R2MP[R10，2]= R3；存储的数据是绝对值。

STOPRE测量周期结束

G54X-600 y30；移动到指定点。

r10 = 1；将数据存储点重新定义为MP[50，1]

R20 = 50定义存储点

Setval[0]=SET(-600，0，MP[R20，2+10])；测量目标点坐标

TcD[0]=SET(0，1，0)；测量方向定义为Y负方向检测。

StO = 15定义从目标点前方15毫米开始的测量。

DeO = 15超程距离定义为15毫米。

Rtp = 30将返回平面位置定义为Y50 mm。

CYCLE730(Setval、TcD、StO、DeO、Rtp)；调用周期730

MP[R10，0]=R1MP[R10，1]=R2MP[R10，2]= R3；存储的数据是绝对值。

STOPRE测量周期结束

在上述窗口目标点测量过程中，考虑到侧壁Z方向变形的影响，采用先获取目标点的Z坐标，再根据Z坐标测量目标点的Y坐标的测量方法，以补偿侧壁变形引起的测量高度不同所带来的测量偏差。

4.1侧墙直线度变形的测量和计算

在侧墙窗口的加工中，由于侧墙的偏转，窗口的水平轴会与机床的X轴形成一个夹角θ。根据窗横轴与窗下滑槽平行的加工要求，需要保证窗高的定位尺寸H和窗的方形轮廓。综上所述，考虑偏置坐标零点，同时旋转工件坐标系的Z轴来补偿挠度变量θ。根据图中的大小关系，可以在H2-H1、L1和EF之间建立三角函数模型，利用它们之间的函数关系对变量θ进行R参数编程和三角函数运算。用探针测量E点的坐标MP[E，1]和F点的坐标MP [f，1]，R50 = H2-H1 = MP [f，1]-MP [e，1]，R51=L1，则tanθ=R50/R51，θ = Arctan (R50)另外还要考虑坐标系旋转对窗口尺寸加工的影响，工件坐标Y要补偿到(MP[F，1]+MP[E，1])/2的位置，否则坐标系旋转基点将

4.2侧墙外轮廓倾斜角度的挠度测量和计算

在侧墙总成焊接变形和定位夹紧误差的影响下，侧墙斜面处的灯口成型面与水平面之间存在一个夹角α，该夹角随着灯口成型位置的不同而不断变化，找出α的计算逻辑关系是关键。夹角α的几何关系，这里截面的夹角α值可以根据单位长度方向上窗口形成面的高度变化之差与单位长度的比值得到。图中单位长度为L，高度差为H，L、H、AB可以组成三角函数模型，因此可以用三角函数计算出夹角α。用探针探测该点，分别测量A点MP[A，2]和B点MP[B，2]的坐标，则H = MP [b，2]-MP [a，2]，α = Arctan (h/l) = Arctan [(MP [b，2]-MP [a，2]

4.3侧墙弧形轮廓变形的测量和计算

侧墙弧形轮廓的加工轨迹与侧墙的实际轮廓轨迹不一致。除了电弧R值本身的变化外，焊接变形引起的电弧轮廓在空间位置的上下移动也是重要因素之一。而且每个侧墙构件的R变形和运动是不同的，所以在加工时要获得圆弧的实时轮廓尺寸，使加工轨迹与侧墙轮廓吻合。综上所述，考虑Cip圆弧加工模式，即通过用探针测量探针点获得圆弧起点、中点和终点的坐标数据，根据这三个坐标形成实时圆弧加工轨迹，加工轨迹随测量的坐标数据变化，实现自适应加工。以Cip圆弧坐标的A、B、C三点坐标为例，Cip轨迹程序如下。

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结束语

机械加工中工件变形一直是制约产品加工精度的主要因素之一。动车组侧墙作为铝合金的大部件，结构复杂，焊接变形量大，变形形式多样。针对动车组侧墙在直线度、角度和轮廓上的变形引起的加工轨迹偏差，提出了将测头的测量功能与功能运算相结合的方法，实现侧墙变形的自动测量计算和加工的自动补偿。