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數(shù)控機(jī)床在線測量技術(shù)研究

作者： 時(shí)間：2017-02-27 來源：網(wǎng)絡(luò) 收藏
隨著航空、航天以及汽車等制造工業(yè)的快速發(fā)展，高精度、復(fù)雜大型零件的加工與精度評價(jià)成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的突出問題，通常這類工件產(chǎn)品需經(jīng)過多次的加工—測量—修整，才能滿足設(shè)計(jì)要求。數(shù)控機(jī)床作為一種高效、高精度的制造裝備在制造企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，而且正朝著高精度、高效率、開放化、智能化、復(fù)合化的方向發(fā)展。復(fù)合化的目標(biāo)是盡可能地在一臺機(jī)床上利用一次裝卡完成全部或大部分的加工任務(wù)，以保證工件位置精度，提高生產(chǎn)效率[1]。加之人們對工件加工的高精度、高效率的不斷追求，與數(shù)控機(jī)床集成的在線測量技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中受到廣泛關(guān)注。

傳統(tǒng)的離線測量方式，即采用拆卸移動工件的檢測方式，涉及二次裝夾定位問題，使得加工結(jié)果和測量結(jié)果的一致性差，導(dǎo)致生產(chǎn)周期延長、生產(chǎn)效率降低。拆卸移動工件的檢測方式是阻礙數(shù)字化制造整體效率提高的主要原因[2]。在線測量，即加工與測量過程均在同一設(shè)備上實(shí)施的檢測方式[3]，工件經(jīng)過一次裝卡便可完成加工與測量工作，避免了二次裝夾定位誤差，可降低測量成本，減少生產(chǎn)輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和加工精度。數(shù)控機(jī)床在線測量技術(shù)具有采樣速度快、精度高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了工件的數(shù)字化數(shù)據(jù)采集和精度評價(jià)[4]。

與三坐標(biāo)測量機(jī)（Coordinate Measuring Machining）相比，由于數(shù)控機(jī)床在線測量環(huán)境復(fù)雜，誤差影響因素較多，但三坐標(biāo)測量機(jī)價(jià)格昂貴，性價(jià)比與應(yīng)用的廣泛程度遠(yuǎn)不如數(shù)控機(jī)床[5]。因此在精度要求不是很高時(shí)，數(shù)控機(jī)床在線測量技術(shù)更具優(yōu)勢。

數(shù)控機(jī)床在線測量技術(shù)是加工測量一體化技術(shù)的重要組成部分，可以擴(kuò)展數(shù)控機(jī)床的功能，有效地提高現(xiàn)有機(jī)床的使用價(jià)值，保證零件的加工質(zhì)量[1，6，7]。因此，數(shù)控機(jī)床在線測量得到現(xiàn)代制造企業(yè)的重視和應(yīng)用，具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值，國內(nèi)外研究人員針對此方面進(jìn)行了大量的研究工作，并在實(shí)際中進(jìn)行了推廣和應(yīng)用[8]。

機(jī)床在線測量組成結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床較之以前在開放性方面有了很大的提升，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)良好的擴(kuò)展性和兼容性使得一臺數(shù)控機(jī)床兼具一定精度的三維坐標(biāo)測量功能成為可能[6，9-10]。如果把機(jī)床與測量系統(tǒng)有機(jī)地集成起來，在零件加工的同時(shí)，又可以實(shí)現(xiàn)工件的在線測量。

數(shù)控在線測量系統(tǒng)組成主要包括硬件和軟件兩部分。類似數(shù)控加工系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)主要包括數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)和測頭系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)則是利用二次開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)類似于數(shù)控加工編程的在線測量編程，得到驅(qū)動數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)測量的NC代碼[11]。數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)的原理示意圖如圖1所示。

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數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)（如圖2所示）主要分為2種：一種為直接調(diào)用基本宏程序，而不用計(jì)算機(jī)輔助；另一種則根據(jù)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)提供的數(shù)控指令，用戶開發(fā)編制應(yīng)用系統(tǒng)隨時(shí)生成檢測程序，然后傳輸至數(shù)控系統(tǒng)中[8]。

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在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，測頭基本上和刀具一樣已成為數(shù)控機(jī)床不可或缺的基本備件，在機(jī)械制造領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。數(shù)控機(jī)床上采用的測頭主要分為2種：一種是以加工工件為測量對象，使用時(shí)安裝在機(jī)床主軸上的工件測量測頭；另一種是以刀具為測量對象，處于機(jī)床固定位置的刀具測量測頭。通常，機(jī)床在線測量采用是工件測量測頭，可手動測量或根據(jù)測量（宏）程序?qū)ぜM(jìn)行自動測量[12]。數(shù)控在線測量系統(tǒng)是基于數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)開發(fā)并集成測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，其測量過程和加工過程十分相似。

盡管數(shù)控機(jī)床在線測量具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)有的在線測量系統(tǒng)，大都是專用的，測量功能單一，不能滿足加工零件的復(fù)雜性、多樣性需求。在機(jī)床在線測量系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將其與CAD系統(tǒng)進(jìn)行集成，經(jīng)過CAD系統(tǒng)的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)測量編程和仿真驗(yàn)證，增大了數(shù)控機(jī)床在線測量的靈活性及工作范圍，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)+加工+測量（Design-Manufacturing-Inspection，簡稱D-M-I）的集成。數(shù)控加工、測量與設(shè)計(jì)三者在不同階段的集成示意圖如圖3所示。

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機(jī)床在線測量過程

1 工作原理

在線檢測系統(tǒng)中直接影響精度的關(guān)鍵部件是測頭[6]，具有搜索前進(jìn)的能力的觸發(fā)式測頭最為常用[7，13-14]，向數(shù)控系統(tǒng)提供觸發(fā)信號以獲得觸發(fā)點(diǎn)的坐標(biāo)[9，13]。測頭系統(tǒng)最關(guān)鍵的一個(gè)功能是可生成程序中斷指令，當(dāng)測頭測端與被測工件接觸時(shí)，測頭系統(tǒng)向數(shù)控機(jī)床發(fā)送一外部中斷請求（該中斷請求由測頭觸發(fā)信號提供）。當(dāng)機(jī)床控制系統(tǒng)接收到中斷后，便通過定位系統(tǒng)鎖存此時(shí)測端球心的坐標(biāo)值，以此來確定測端與被測工件接觸點(diǎn)的坐標(biāo)值。測頭系統(tǒng)檢測過程如圖4所示。

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接觸式測頭較其他測頭擁有更高的測量精度，同時(shí)接觸式測頭由于結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、制造成本低以及較高的觸發(fā)精度等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)控機(jī)床在線檢測系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。

在線檢測運(yùn)動是通過輸入到數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)控檢測程序的控制實(shí)現(xiàn)的。由于數(shù)控機(jī)床采用的數(shù)控系統(tǒng)不同，其控制方法和編程代碼等有所差別。

2 測頭定位

為使數(shù)控機(jī)床能夠準(zhǔn)確、高效、快速地完成每一次的在線測量，在一次測量任務(wù)中需多次測量觸發(fā)。根據(jù)測頭在一次測量過程中運(yùn)動，需設(shè)定3種距離[15]，如圖5所示。
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