防错装置与数控加工论文

1现状说明

在零件加工过程中，通常需要在加工中心数控系统中输入操作数据，包括加工原点、刀具半径补偿值、刀具Z值、公共坐标偏置值等，其中尤以修改刀具Z值最为频繁。由于每把刀具的长度不同，每换一次刀，都要重新确定刀具Z值并输入，而生产加工中经常会使用多把不同的刀具，如果操作者粗心大意，用错刀具，或是在需要换刀时未更换刀具而继续进行加工，等发现问题时已经发生碰撞、过切或损坏，造成的损失无法补救。据统计2012～2013年7月份，我单位在数控加工过程中由于人为差错导致零件报废的数量高达65件，损失原材料价值146.72万元。因此，加工现场的质量事故倒逼数控车间工艺技术革新，笔者设计的这种防错装置，能及时避免操作者由于疏忽而造成的误操作，并停机报警。。

2起落架结构件生产线人为错误分析

人为错误是指操作人员在加工操作时非蓄意性不符合操作规范的操作，而导致出错的动作。美国国家航空与航天局（NASA）在一份报告中指出，自1990年以来的大多数航空器故障都是由人为错误引起的。人机工程学也告之错误是不可避免的，事实已研究证实了这一点。“感觉-判断-行为”的过程对产生人为错误的典型原因进行分类。主要分为四大类。

（1）感觉认识上的错误。它包括：①信息量过大，过于复杂；②信息传递过快；③信息不够完整；④疲劳疾病的影响或是错觉；⑤接收人没有充分确认信息而错误地领会了表达的内容；⑥在先入感官的强烈影响下发生错觉等。

（2）判断过程中的错误。它包括：①知识或能力不足；②缺乏经验和训练不足；③遗忘（暂时记忆消失、过程中断的遗忘、没有想起）；④因为疲劳或其它原因造成意识水平低下等。

（3）行为的错误。它包括：①精神不集中；②反应迟缓；③行为缺乏准则；④作业单调引起瞌睡、失神等。

（4）异常状态下的错误行为。它包括：大脑意识水平处于初级阶段，注意力集中于一点，丧失对信息方向的选择和过滤功能，造成惊慌失措等。

3防错技术原理

通过检索，1969年到2005年间涉及防错装置的高水平论文（EI、SCI等）总数不超过150篇，其中80%以上为美国人的研究成果，从这点可以看出美国人对于防错技术研究的兴趣。防错技术的基本原理为：用一套装置或方法消除操作者的作业感官依赖性，使操作者在操作时可明显发现错误或一旦操作失误后及时弥补。防错技术就是一个防止制造过程中出现差错，提高产品一次合格率的方法，其核心就是通过识别和控制引起缺陷的原因，通过预防及检测来保证生产线能够持续地生产出合格的产品。

4防错装置设计思路

4.1防错装置的构思

采用工艺方法干预，在加工程序运行前，增加一段检查程序。在零件材料被切削之前，首先运行检查程序，如果使用了错误的刀具或错误的坐标值时，检查程序将会使刀具与尼龙棒发生碰撞，操作工通过加工中心的观察窗很容易察觉，进而立即停止程序运行，而这个检查程序所驱动的刀具路径就成为防错的关键。

4.2基于干涉的防错装置作用原理

防错装置能起到预防或者检测的作用，本文以三轴联动加工中心为例，防错装置作用原理如图1所示。多轴机床亦可借鉴，无外乎要插补其它轴的检测程序。为了有效防止上文中所述的人为差错，首先，数控程序都是以加工原点为参考点执行，因此，防错装置相对加工原点必须有固定的位置；其次，机床加工坐标系中的X、Y、Z三轴坐标值是工序中的操作者在完成了对刀操作后手工输入的，为了使操作者能在刀具切入工件之前有足够的时间发现工序中程序、刀具的偏差，及时采取停车措施，就必须得有方法检测并确认机床X、Y、Z三轴坐标值的正确性。检测Z值时可以在工件的切削轨迹中插补一段直线，使刀具先碰触安装在工装上或零件工艺夹头上的防错装置。刀具如果顺利通过防错装置，则表明Z值正确无误；如果发生切削干涉，那么Z值就有问题，操作者就可以立即停机以判断究竟是拿错了长度不同刀具，还是机床公共坐标Z值偏置发生了输入性错误。同样，在检测X值和Y值的正确性时，可以在工件的切削轨迹中插补一段圆弧，由于3点确定一个圆弧，刀具绕安装在工装或零件工艺夹头上的防错装置走刀一圈，通过是否切入防错装置可有效地检查刀具X轴、Y轴对刀值的正确性，可以直接防止操作者拿错直径不同的刀具，以及机床公共坐标X值、Y值偏置人为输入的错误。

4.3防错程序（走刀路线）的确定

要对三轴坐标的正确性进行检测，刀具必须与检测装置在X、Y、Z3个方向进行接触，如图2（a）所示的刀具走刀路线，由于刀具的边缘与检测块在X、Y方向的距离不一致，刀具在Y方向将会触碰到检测块。如图2（b）所示，也就是说X轴、Y轴的加工路径没有形成封闭检测，若在这种情况下进刀，仍然有铣伤零件的风险。因此，刀具必须与检测块相对的两个侧面都有接触，才能确定一个坐标方向的正确性。

4.4防错装置的结构

考虑到防错程序段运行过程中可能出现的撞刀现象，将刀具和防错装置的接触部位设计为尼龙材料，避免了刀具撞损和过冲对机床造成的损坏。检测块与夹具连接部分使用螺杆，以保证互换性。

5防错装置的应用

（1）结构件防错装置的应用。正在运行防错程序的扭力臂结构件的加工工位，这一类零件由于批量大，有专用工装，因此将防错装置安装在工装上，防错装置的位置与零件定位中心（即加工原点）关联。

（2）大型整体锻件防错装置的应用。防错装置在前起落架零件数控加工中的应用。该零件原材料为钛合金，价格昂贵，零件加工时无专用工装，采用在工艺夹头上设置防错装置，并运行防错程序，有效地避免了由于人为差错而造成零件报废的风险。

（3）连杆类零件防错装置的应用。该零件在本套工装上要旋转4个工位，右端利用限位柱可实现防错装置相对零件位置的定位。限位柱上端配有插销，该插销可以有效地补偿零件由于工位切削后余量的补偿，从而实现零件在不同加工工位的限位，防错装置由相对限位柱的固定位置（工艺结合零件装夹给定）定位，保证了防错程序在每个加工工位运行的一致性，实现了防错程序的通配性。

作者:舒晓君张新民刘军单位:中航飞机股份有限公司