數(shù)控機床在線監(jiān)測技術(shù)

1、數(shù)控機床在線監(jiān)測技術(shù)數(shù)控機床是現(xiàn)代高科技發(fā)展的產(chǎn)物，每當一批零件開始加工時，有大量的檢測需要完成，包括夾具和零件的裝卡、找正、零件編程原點的測定、首件零件的檢測、工序間檢測及加工完畢檢測等。目前完成這些檢測工作的主要手段有手工檢測、離線檢測和在線檢測。在線檢測也稱實時檢測，是在加工的過程中實時對刀具進行檢測，并依據(jù)檢測的結(jié)果做出相應(yīng)的處理。在線檢測是一種基于計算機自動控制的檢測技術(shù)，其檢測過程由數(shù)控程序來控制。閉環(huán)在線檢測的優(yōu)點是：能夠保證數(shù)控機床精度，擴大數(shù)控機床功能，改善數(shù)控機床性能，提高數(shù)控機床效率。一、數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)的組成    數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)

2、分為兩種，一種為直接調(diào)用基本宏程序，而不用計算機輔助；另一種則要自己開發(fā)宏程序庫，借助于計算機輔助編程系統(tǒng)，隨時生成檢測程序，然后傳輸?shù)綌?shù)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 計算機輔助在線檢測系統(tǒng)組成    數(shù)控機床的在線檢測系統(tǒng)由軟件和硬件組成。硬件部分通常由以下幾部分組成：    (1)機床本體    機床本體是實現(xiàn)加工、檢測的基礎(chǔ)，其工作部件是實現(xiàn)所需基本運動的部件，它的傳動部件的精度直接影響著加工、檢測的精度。    (2)數(shù)控系統(tǒng)   

3、 目前數(shù)控機床一般都采用CNC數(shù)控系統(tǒng)，其主要特點是輸入存儲、數(shù)控加工、插補運算以及機床各種控制功能都通過程序來實現(xiàn)。計算機與其他裝置之間可通過接口設(shè)備聯(lián)接，當控制對象或功能改變時，只需改變軟件和接口。CNC系統(tǒng)一般由中央處理存儲器和輸入輸出接口組成，中央處理器又由存儲器、運算器、控制器和總線組成。    (3)伺服系統(tǒng)    伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分，用以實現(xiàn)數(shù)控機床的進給位置伺服控制和主軸轉(zhuǎn)速(或位置)伺服控制。伺服系統(tǒng)的性能是決定機床加工精度、測量精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率的主要因素。   

4、(4)測量系統(tǒng)    測量系統(tǒng)有接觸觸發(fā)式測頭、信號傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，是數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，直接影響著在線檢測的精度。其中關(guān)鍵部件為測頭，使用測頭可在加工過程中進行尺寸測量，根據(jù)測量結(jié)果自動修改加工程序，改善加工精度，使得數(shù)控機床既是加工設(shè)備，又兼具測量機的某種功能。    目前常用的雷尼紹測頭，是英國雷尼紹公司的產(chǎn)品，如圖2所示。它們用于數(shù)控車床、加工中心，數(shù)控磨床、專機等大多數(shù)數(shù)控機床上。測頭按功能可分為工件檢測測頭和刀具測頭；按信號傳輸方式可分為硬線連接式、感應(yīng)式、光學式和無線電式；按接觸形式可分為接觸測量

5、和非接觸測量。用戶可根據(jù)機床的具體型號選擇合適的配置。圖2 雷尼紹RMP60無線電式測頭    (5)計算機系統(tǒng)    在線檢測系統(tǒng)利用計算機進行測量數(shù)據(jù)的采集和處理、檢測數(shù)控程序的生成、檢測過程的仿真及與數(shù)控機床通信等功能。在線檢測系統(tǒng)考慮到運行目前流行的Windows和CAD/CAM/CAPP/CAM以及VC+等軟件，以及減少測量結(jié)果的分析和計算時間，一般采用Pentium級別以上的計算機。二、數(shù)控機床在線檢測的工作原理    實現(xiàn)數(shù)控機床的在線檢測時，首先要在計算機輔助編程系統(tǒng)上自動生成檢測主程序，

6、將檢測主程序由通信接口傳輸給數(shù)控機床，通過G31跳步指令，使測頭按程序規(guī)定路徑運動，當測球接觸工件時發(fā)出觸發(fā)信號，通過測頭與數(shù)控系統(tǒng)的專用接口將觸發(fā)信號傳到轉(zhuǎn)換器，并將觸發(fā)信號轉(zhuǎn)換后傳給機床的控制系統(tǒng)，該點的坐標被記錄下來。信號被接收后，機床停止運動，測量點的坐標通過通信接口傳回計算機，然后進行下一個測量動作。上位機通過監(jiān)測CNC系統(tǒng)返回的測量值，可對系統(tǒng)測量結(jié)果進行計算補償及可視化等各項數(shù)據(jù)處理工作。測量典型幾何形狀時檢測路徑的步驟為：    (1)確定零件的待測形狀特征幾何要素；    (2)確定零件的待測精度特征； &

7、#160;  (3)根據(jù)測量的形狀特征幾何要素和精度特征，確定檢測點數(shù)及分布；    (4)根據(jù)測點數(shù)及分布形式建立數(shù)學計算公式；    (5)確定檢測零件的工件坐標系；    (3)根據(jù)檢測條件確定檢測路徑。三、數(shù)控機床在線檢測編程    在線檢測技術(shù)的關(guān)鍵主要體現(xiàn)在檢測程序的編制上，檢側(cè)程序編制質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到檢測效果。目前檢測軟件有商業(yè)化軟件和自主開發(fā)的軟件。商業(yè)化軟件如英國DELCAM公司新版本的PowerInspect，是一款開放的檢測軟件，不受測量設(shè)

8、備的限制，既可以在線檢測，也可以脫機檢測。不僅提供在線檢測的功能，還能夠在檢測前針對讀取的CAD模型進行檢測路徑的編程工作，并進行檢測的仿真。隨后可以把編制好的程序傳輸給CNC檢測設(shè)備，進行自動檢測。又如雷尼紹公司基于PC機的在機檢測軟件OMV（on machine verification），該軟件專為數(shù)控機床配用系統(tǒng)而編寫，主要應(yīng)用于：根據(jù)原始CAD數(shù)據(jù)，檢測樣件、復(fù)雜零件及大型零件、多工序零件以及模具。     自主開發(fā)軟件的編程方式有：基于C、 C+、 VC+、 VB、 Delphi開發(fā)平臺的在線檢測編程和基于CAD開發(fā)平臺的在線檢測編程?；赩C+ 語言

9、的在線檢測編程結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。圖3 基于VC+ 語言的在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖    檢測部分主要模塊的功能如下：    (1)測量主程序自動生成模塊：主要完成零件待測信息的輸入，生成檢測主程序。    (2)誤差補償模塊：對測量過程中所產(chǎn)生的誤差進行補償，提高測量精度。    (3)通信模塊：完成主程序與被調(diào)用宏程序的發(fā)送及測量點坐標信息的接收。    (4)測量宏程序模塊：實現(xiàn)宏程序的管理和內(nèi)部調(diào)用。主模塊要實現(xiàn)對宏程序的查找、增添、修改及刪

10、除等操作。    (5)數(shù)據(jù)處理模塊：對測量點坐標進行補償，完成各種尺寸及精度計算。通過打開測量結(jié)果數(shù)據(jù)文件，獲得測量點坐標信息，經(jīng)過相應(yīng)的運算過程最終得到所測值。    基于CAD開發(fā)平臺的在線檢測自動編程是采用AutoCAD作為系統(tǒng)集成開發(fā)平臺，并采用ObjectARY作為二次開發(fā)工具，開發(fā)該系統(tǒng)可彌補CAD/CAM系統(tǒng)所欠缺的功能，實現(xiàn)檢測程序的圖形化編制，即CAD/在線檢測。四、數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)仿真    目前數(shù)控機床在線檢測借鑒于CAD/ CAM技術(shù)的發(fā)展思路可開發(fā)相應(yīng)的在線檢測仿真系統(tǒng)。仿

11、真系統(tǒng)以圖形化的方式再現(xiàn)數(shù)控機床在線檢測過程，可形象直觀地對檢測路徑規(guī)劃進行檢查，提前發(fā)現(xiàn)宏程序編制中的錯誤，以避免在真實檢測過程中對在線檢測系統(tǒng)所造成的破壞。    以VC + +  作為系統(tǒng)開發(fā)工具，OpenGL 作為三維場景開發(fā)工具，按照面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計思想開發(fā)數(shù)控機床在線檢測仿真系統(tǒng)的過程是：    (1)虛擬檢測環(huán)境的建立    采用OpenGL 標準進行圖形處理工作。OpenGL 是一個圖形硬件的軟件接口，利用它可進行幾何建模、圖形變換、渲染、光照、材質(zhì)等多種操作，大部分對于圖形的

12、底層處理工作都由一些專門的函數(shù)來處理。    (2)檢測信息的提取    在線檢測仿真系統(tǒng)，必須在仿真過程中，如實地反映測量宏程序的每一條語句，即利用測量宏程序驅(qū)動檢測仿真過程的進程。因而該仿真系統(tǒng)應(yīng)具備完整的檢測信息提取能力，能實現(xiàn)對測量程序的語法檢查，能實現(xiàn)相關(guān)的計算與判斷，最為重要的是能夠提取出測頭的運動軌跡，以驅(qū)動測頭的檢測仿真。    (3)虛擬測頭的驅(qū)動    在線檢測系統(tǒng)是利用測頭與待測物體的碰撞來確定接觸點的位置信息的，因而檢測仿真必須逼真的再現(xiàn)這一過程，這也是整個仿真系統(tǒng)的核心問題。為保證測頭可靠地撞擊上待測物體，應(yīng)使測頭檢測運動的最遠行程大于測頭到實際接觸點位置的距離，即實際接觸點位于測量起始點與測頭最遠行程點之間的直線段上。五、結(jié)束    將檢測技術(shù)融于數(shù)控加工的內(nèi)容之中，采用在線測量的方式，能使操作者及時發(fā)現(xiàn)工件存在的問題，并反饋給數(shù)控系統(tǒng)。據(jù)抽樣調(diào)查，目前我國因產(chǎn)品質(zhì)量問題，如廢品、次品、返修品