数控加工在线检测技术的探究

发布时间：2018-01-02 作者：禤炜华来源：论文网

关键字：数控加工加工精度

收藏好文推荐打印

科学技术带动制造业蓬勃发展起来。在提高劳动生产率的同时，还要以高质量产品赢得市场竞争优势，同时还要降低投入成本。数控机床作为制造业的加工母机，属于是高精度的自动化控制设备，在加工零件过程中能实现在线检测功能，不但省时省力，而且还提高了加工效率，具有广泛的应用价值。本论文针对数控加工在线检测技术的应用进行探究。

在加工制造业中，对于零件的加工，无论是加工的过程，还是加工完成后的质量和性能，都需要经历大量的检测工作。目前对于加工零件的检测，诸如夹具和零件的装卡、找正，测定零件编程原点、检测首件零件以及零件加工工序间以及加工完毕后的检测等等，还是以手工检测为主，检测效率非常低。特别是对于大型结构件的检测，由于是在加工的过程中进行实时监测的，如果使用离线检测技术，就很难避免误差的产生，导致零件加工完成后，由于超差而报废。引进数控加工的在线监测技术，不但可以对于加工零件实时监测，弥补了手工检测以及离线检测所存在的不足，而且还提高了加工精度，符合先进制造技术未来发展的要求。

1 数控机床在线检测系统的构成

数控机床的在线检测系统根据是否选择使用计算机辅助，可以分为两种，即免去计算机辅助，直接将基本宏程序调用；开启计算机辅助编程系统，检测程序生成后，自行开发宏程序库，将各种数据信息传输到数控系统当中。计算机辅助在线监测系统见图1，其运行程序见图2。

通过对于图1的解读，可以明确，数控机床的在线检测系统是由硬件和软件两个部分所构成，其中的硬件部分包括机床本体、数控装置、伺服系统、测量系统；软件部分是指计算机软件系统。

1.1 机床本体

机床本体的工作部件是所必需的基本部件的实现，作为加工和监测的基础性环节，其受到传动部件精度的影响。

1.2 数控装置

数控机床通常会选择使用CNC数据控制系统，主要构成包括中央处理器、各类存储器和输入输出接口，其中的中央处理器包括存储器、运算器、控制器和总线四个组成部分。作为数控机床的核心部位，该数控装置中的各项控制功能都是通过数控加工程序来实现的，各种控制功能，包括输入存储功能、数控加工功能以及插补运算功能等等，都是源自于内部存储器中提取程序，或者由输入装置所传输过来的程序。传输途径是通过设备接口来实现的。一旦控制对象发生改变，或者需要调整功能，就要对于设备接口进行调整以符合应用要求。

1.3 伺服系统

数控机床的一个重要组成部分，就是数控机床在线检测系统中的伺服系统。该系统主要控制包括进给位置和主轴转速的伺服控制，具体而言，就是对于机床移动部件的位置以及移动速度的控制。伺服系统的工作质量对于机床的表面质量、加工和测量精度以及生产效率都具有重要的影响力。

1.4 测量系统

测量系统是在线检测系统的关键部分，直接影响在数控加工在线检测精度，在构成上主要包括信号传输系统、接触触发式测头以及数据采集系统。其中的测头是测量系统的关键部件，其主要作用是在零件加工的过程中用于测量尺寸，并据此对于加工程序进行自动更正，不断地完善零部件加工精度。从这个意义上讲，数控机床不仅是加工设备，而且还具备了测量机的一些功能。

以英国雷尼绍公司所生产的雷尼绍测头为例，其被多数数控机床所使用。雷尼绍测头根据各自性能的不同，包括有多种类型，按照使用功能不同，可以划分为刀具测头和工件检测测头；按照不同的信号传输方式，可以将侧头划分为感应式侧头、光学式侧头、硬线连接式侧头以及无线电式测头；按照不同的接触测量形式，可以将侧头划分为接触式测量测头和非接触测量测头。在选择测头的过程中，要根据机床的型号以及使用功能选择合适的测头。

1.5 计算机软件系统

计算机软件系统是运用计算机辅助，开发数控加工的软件运行程序，以实现在线检测。通过计算机软件系统所实现的数控加工在线检测功能包括数据的采集，并对于数据进行技术性处理，对于数控程序的生成进行检测，包括检测过程中的仿真和通信等等。目前数控机床的在线检测兼容了各种具有数据分析和计算功能的软件，诸如CAM、CAD、CAE、CAPP以及VC++等软件的使用，为测量工作简化了程序，节省了世间。

2 数控加工在线检测的工作原理

在进行数控机床在线检测的时候，计算机系统上首先要建立自动生成检测主程序的编程系统。当启动检测主程序，计算机信息就可以通过接口传递给数控机床，测头就按照编程系统的指令按照规定的路径运动。这些程序都是通过G31实现跳步指令的有效性的。G31属于是非模态G指令，其对于指令程序的有效性仅仅局限于指令的程序段中，因此，通常会用于数控机床的测头测量程序当中。指令格式为：G31（G90/G91）IP―F―（其中的“IP”是X轴、Y轴、Z轴中的一个轴）。G31处于执行指令段的时候，如果输入有SKIP信号，那么所执行的指令就可以转到下一个程序段，而不必继续执行尚没有完成的指令。测头执行测量程序的时候，如果测球已经接触到了部件，就会有触发信号发出，并通过测头与数控系统之间所建立的准用接口传递到转换器，然后转而再传送到数控机床的控制系统当中，记录下该点的坐标。一旦接收到信号，机床就不再运动，通过通信接口，测量点的坐标传到计算机系统当中才储存，完成一侧测量动作，可以进行到下一个测量动作。针对于系统测量结果，该项测量值可以实现计算补偿，并实现可视化的数据处理。

数控加工在线检测在测量零件的几何形状时，所需要执行的检测路径为：先将零件的待测形状确定下来，将该零件的形状特征作为几何要素，结合零件的待测精度特征，将检测点数以及分布情况确定下来，并建立数学计算公式。将工件的坐标系确定下来之后，可以根据检测零件的条件确定检测路径。　　

3 数控加工在线检测技术的应用

在零件加工中，采用在线检测技术，可以将工件的位置快速地确定下来，并设定好坐标系。在检测工件尺寸的同时，还会根据测量的数据结果对于刀偏量自动地修正。此外，在线自动检测及技术可以设定夹具和旋转轴，而且在进行柔性加工中确认工件以及夹具。

3.1 应用测量软件自动修正工件坐标系

使用测量软件可以在线测量工件的坐标系，避免了传统人工输入所造成的错误，而且还会降低零部件的损坏程度，延长机床的使用寿命。

依赖于手工操作，将测头安装在主轴以及刀架的上面，手动操作进行序中测量和首件检测，都需要操作人员具有较高的专业技能，而且如果将工件转移到坐标测量机上，往往会不适宜。从测量效果来看，测量工件依赖于手工操作，往往会耗时长，缺乏精确度，而且很容易出现人为误差。由于一致性较差，所以在进行检测的时候，还需要试切，导致了重复劳动。在工件加工的过程中，如果机床停止运行的状态下对于工件的关键尺度进行检测，如果刀具因此而磨损，都不容易发现。

应用测量软件，使用测头检测，可以运用软件自动计算功能，根据设定的规格对于工件的坐标数据进行修改。序中工件的测量，可以采用自动修正偏置值的方式来进行，消除了由于操作人员人为因素所造成的误差，提高了自动化加工控制的可靠性，同时，还使工件报废的风险降低。软件自动控制，可以通过过程反馈实施适应性加工，以避免各种变化所造成的不断修改。在首件检测的过程中，可以将自动偏置更新功能利用起来，尽量避免由于等待检测结果而延长停机时间。

3.2 在数控加工的程序中嵌入测量程序

数控加工的程序中，对于零部件的测量要求精度很高，这就需要采用高精度电压测量的方式。万用表可以实现高精度测量，而且可以进行存储程序控制，其测量中所能够达到的测量精度非常高，而且实现了13/2位的分辨率。进行信息通讯和测量的时候，将可编程仪器所发出的指令嵌入到VC软件系统当中，不仅可以创立友好型的测量界面，而且还是控制程序具有较高的可读性和灵活运用性。

软件系统在构成上，主要包括实时操作系统以及数据库软件、数据采集和处理软件、先进控制软件以及PID软件。PID（全称：Proportion- Integral- Differential），即为比例-积分-微分。使用该软件可以通过计算，对于数据进行直接控制。

3.3 减低夹具的消耗费用

采用测头测量的方式将工件的坐标系找准，然后使用夹具夹紧，可以避免由于使用千分表进行手动调整而带来的各种不便。将测头安装在数控中心的主轴位置，或者位于车削中心的刀架上，可以避免由于手动设定而造成测量误差，对于工件具有很好的校正作用，并且设定校准轴。使用自动卡具具有很高的灵活性，批量产品的尺寸，不但提高了劳动生产率，而且还大大地降低了停机时间。

3.4 良好的过程控制可以提高安全性

数控加工的在线检测技术，在改善过程控制的时候，工件的在线检测所获得的尺寸能够及时做出反馈，可以降低由于操作人员的主观因素而导致的机外检测的辅助时间减少。由于在线检测为自动化操作，因此而避免了操作者由于运行不当而造成伤害。当防护门处于打开的状态的时候，程序无法自动运行，所以各项指令，包括准备功能和辅助功能的指令都被迫停止。要使数控机床处于正常的自动加工状态，就要确保机床防护门关闭，自动锁住门锁之后，可以启动工件的找正和在线检测程序。

4 数控加工中尺寸在线检测系统中的研发

4.1 在线测量尺寸的意义

关于尺寸的在线测量是否需要停机的问题，主要是基于机床加工过程所呈现出来的动态性和复杂性，导致各种因素对于测量精确度的影响。处于加工状态下，加床会振动，产生热变形，切削过程中所产生的切屑以及所使用的冷却液，都会对于检测造成影响，加之检测过程中的安全性以及仪器的安装等等的干扰，使得对于工件尺寸直接测量非常困难。可见，对于在零件加工过程中，在线检测尺寸，多采用简洁测量的方式，即停机测量。

数控机床的运动部件精度很高，将其与测量仪器建立起关联，就是要实现在机测量。在良好的加工控制环境中，机床加工设备同时还可以作为测量设，在机床精度的基础上，各种测数据软件被开发处理，不但可以达到自动测量的效果，而且还使测量的结果更具有直观性。

4.2 生成测量程序

当测量点的分布确定之后，还要对零部件的测量路径以及测量程序加以确定。在编制测量程序的时候，可以采用手工编制的方法，也可以自动编程。为了对于所采集到的数据进行正确处理，要对被测量的尺寸采用分段的方式，建立存储格式，以使所获得的几何尺寸和形位尺寸更为符合要求。在具体测量操作上，要将DHP50数控镗铣加工中心测量程序通用模板建立起来，建立起测量程序模块，采用半自动方法将测量程序生成。在测量零件的时候，要选择使用人机交互的方式。当各种测量参数被输入到测量程序模板中时候，就会将尺寸以及形位误差自动生成。

4.3 加工误差补偿

当机床所获得的测量数据传输到计算机之后，软件对其进行分析处理，以获取加工零件的尺寸数据。除了避免人为因素而导致的测量误差之外，还创造了良好的加工环境，并根据零件标准调整零件的工艺参数。针对于机床加工零件的线形尺寸误差，对于引起的该种现象的各种因素进行分析，主要包括刀具安全以及操作不准确而造成的刀具磨损。这种现象的补偿可以通过在线测量软件进行调整。使用系统软件对于数控加工程序进行调整，以修正加工误差。此外，出现测量误差的因素还有很多，包括受力变形以及零件装夹的变形等等，都会导致形位误差产生。基于造成测量误差的复杂性，如果仅仅通过调整刀具补偿显然是不够的，还要根据具体的情况进行分析，以制定有效的解决措施。

5 结论

综上所述，数控加工的在线检测技术，能够对于数控加工中所存在的缺陷及时地发现，并对于误差进行技术性修正，不但节约了加工成本，而且大大地提高了加工效率。可见，在线检测技术在中国的加工制造业具有良好的发展前景。

本文来源于互联网，e-works本着传播知识、有益学习和研究的目的进行的转载，为网友免费提供，并以尽力标明作者与出处，如有著作权人或出版方提出异议，本站将立即删除。如果您对文章转载有任何疑问请告之我们，以便我们及时纠正。联系方式：editor@e-works.net.cn tel：027-87592219/20/21。

上一篇文章：刍议智能制造“三范式”中的名称与图示
下一篇文章：实时工业以太网EtherCAT高速发展背后