固定基准法快速定位技术研究

刘明洋，侯庆功，王鹏瑶

（1.江苏信息职业技术学院，江苏 无锡 214153；2.北京精雕集团江苏大区培训部，江苏 苏州 215153）

0 引 言

随着中国制造2025战略的推进，制造业提质增效成为热点话题。研究电火花加工中的定位问题对于提高工作效率具有重要意义，王懿等研究了保证多个螺纹电极螺线重合的定位问题[1]，李文平等研究了批量定位盘零件在放电加工中的快速定位问题[2]。目前，对于非批量放电加工中的快速定位问题缺少研究。针对精密电加工行业中电极毛坯及电极定位的问题，开发快速定位系统，消除电极毛坯在加工中心上的测量环节，并简化电极在电火花加工机上的定位流程。

1 快速定位系统介绍

1.1 系统组成

如图1所示，该系统包含3部分：基准卡盘、测位夹持器和固定基准组件。其中，基准卡盘有2个，分别安装在加工中心的工件台上和电火花加工机的主轴上；测位夹持器和固定基准组件可通过标准接口与加工中心或电火花加工机上的基准卡盘精确对接。测位夹持器是一个带有刻度尺的夹持器，用于安装电极的毛坯，可以反映毛坯的位置和部分尺寸信息。固定基准组件由基准测球安装在夹持器上制成，用于在电火花加工机上测量工件。

图1 快速定位系统组成

1.2 定位系统的工作原理

电极毛坯固定到测位夹持器上即可确定其在加工中心上的位置，只要提前获取毛坯相对于夹持器的位置和尺寸信息，便可省略毛坯在加工中心上的定位环节。

电极在加工中心上完成加工，也可确定其在定位系统中的位置，因为固定基准组件在定位系统中的位置始终固定，固定基准组件与电极存在固定的位置关系。在电火花加工机上使用电极时，只要用固定基准组件测出加工原点（称为基准加工原点），便可获取电极的加工原点，建立放电加工坐标系。

2 工具制备与数字模型建立

以3R-Macro型快换夹具为基础制备所需的工具，快换夹具的夹持器和卡盘可通过标准接口（卡槽）实现快速精确定位。3R快换夹具具有定位精度高的特点[3]，其性能指标及安装精度如表1所示，其中卡盘的安装精度指卡盘的校正基准对于机床导轨的平行度。

表1 3R-Macro快换夹具的性能指标及安装精度

2.1 固定基准组件的制备与位置检测

首先将基准测球紧固在夹持器上，得到固定基准组件，如图2所示。然后将其安装在加工中心的卡盘上，通过光电测头（见图3）检测基准测球顶点的机械坐标。该顶点将作为后续的测量基准，称其为“基准点”。为了保证精度，试验进行多次装夹、重复测量，取平均值，测量结果如表2所示。试验所用的加工中心性能指标如表3所示。工作环境温度为15～22℃，相对湿度为45%～55%。

表2 基准点在加工中心上的机械坐标

表3 试验设备的性能指标

图2 固定基准组件实物

图3 光电测头

2.2 测位夹持器的制备与位置检测

将普通夹持器组件安装在加工中心的卡盘上，用光电测头检测其相对于基准点的坐标，结果如表4所示。以卡盘在X方向的中心为基准，在夹持器上刻出中心标记，然后以标记为基准安装刻度尺（最小刻度为1 mm）制成测位夹持器，如图4所示。

图4 测位夹持器

2.3 定位系统数字模型的建立

根据表4中的数据建立固定基准组件与测位夹持器的数字模型，如图5所示。其中，固定基准组件被简化为一个直角坐标系的原点，这个原点代表基准测球的顶点，即上述所定义的“基准点”。

表4 夹持器组件相对于基准点的坐标 mm

图5 定位系统的数字模型

3 工艺验证

试验用3个测位夹持器作夹具，选用3个尺寸约15 mm×30 mm的毛坯分别制作截面为7.0 mm×15.0 mm的电极，检验毛坯和电极快速定位方案的可行性及定位精度。

3.1 电极组件的建模与制造

将电极的毛坯安装在夹持器组件上形成毛坯组件，尽量保证3个毛坯位置的一致性。根据刻度读取毛坯在X方向的位置和尺寸，利用游标卡尺量出毛坯在Y向和Z向的尺寸信息，结果记入表5。为了简化问题，根据3个毛坯的平均位置和尺寸信息在夹持器的数字模型上建立毛坯和电极。电极模型位于毛坯模型的正中心，顶部比毛坯模型低0.5 mm，完成后的数字模型如图6所示。最后根据数字模型测出电极相对于基准点的坐标，如表6所示。

表5 电极毛坯在夹持器上的信息 mm

表6 电极相对于基准点的坐标 mm

电极的数控加工编程利用UG的CAM模块实现。将数字模型的基准点（见图6）设置为编程原点，将电极和毛坯的数字模型分别指定给编程对话框中的“工件”和“毛坯”，刀具直径为φ10 mm，进刀距离设置为刀具直径的70%。

图6 电极与毛坯的数字模型

3.2 毛坯的快速定位

在加工中心上，将基准点的机械坐标（见表2）设置为加工原点，建立加工坐标系，然后装上毛坯组件开始加工。根据观察，加工过程中刀具始终保持安全的进刀距离，未发生撞刀的现象，完成的3个电极组件如图7所示，将其按顺序编号。

图7 制作完成的电极

表7所示为分别采用固定基准法和在机测量法完成毛坯定位所需要的时间，由表7可知，采用固定基准法免除了毛坯在加工中心上的测量环节，简化了操作步骤，缩短了操作时间。

表7 2种毛坯定位方法用时比较 s

3.3 电极的快速定位

电极定位在电火花加工机上进行，其性能参数见表3。为了便于检验精度，用一个基准测球（φ5 mm）作为工件，如图8所示。首先将固定基准组件安装在电火花加工机的卡盘上，通过固定基准对工件进行测量，找到固定基准的加工原点。根据电极与固定基准的相对位置关系（见表6）间接获取电极的加工原点，将这个原点称作电极的“间接原点”，记为点P0。

图8 用固定基准测量工件

表8所示为分别采用固定基准法和基准球测量法完成电极定位所需的时间，由图8可知，采用固定基准法比普通的基准球测量法[1]少了2个测量步骤，操作时间显著缩短。

表8 2种电极定位方法用时比较

3.4 定位精度验证

3.4.1 获取原点的准确位置

3.4.2 定位偏差计算

偏差的计算结果如表9所示。由于点-P'的位置准确，可以将∆Xi、∆Yi、∆Zi看作点P0的误差。

表9 电极的间接原点P0的偏差 μm

比较3个电极的位置偏差可以看出，前后制作的3个电极位置具有高度的一致性，前后位置变动不超过1 μm。总体上看，通过固定基准法获取的电极加工原点P0具有较高的精度。其中，在X方向的精度最高，最大误差不到1 μm；在Y和Z方向精度略低，最大误差分别达到5.8 μm和9.1 μm，可能是机床的定位误差、导轨的直线度误差、热漂移等因素干扰的结果[4,5]，具体原因需要进一步试验研究。

4 结束语

利用固定基准法，在保证定位精度的同时，省略了电极毛坯在加工中心上的测量环节，简化了电极在电火花加工机上的定位流程。对提高机床的利用率，降低操作人员的劳动强度具有重要意义。但在该试验中对毛坯尺寸的机外检测还不够快捷，需要开发测量效率更高的夹持器。在试验中还发现利用固定基准法所获取的电极的加工原点在3个方向上精度并不一致，其干扰因素有待进一步研究。