检测技术在数控机床中的应用.doc

检测技术在数控机床中的应用检测技术在数控机床中的应用摘要首先，了解一下检测技术的特点：1.实时性强； 2.精确度高； 3.可靠性高； 4.通道多；5.功能强。检测元件是闭环、半闭环伺服系统的重要组成部分。常用的检测元件有：1.旋转变压器；2. 感应同步器；3. 光栅；4.编码器。关键词检测技术数控机床正文旋转变压器：旋转变压器是种转角检测元件。它是一种小型的交流发电机，由定子和转子组成。定子绕组能通过固定在壳体上的接线柱直接引出，转子绕组有两种不同的引出方式，根据转子绕组的引出方式，旋转变压器分有刷和无刷两种。旋转变压器转子绕组输出电压的幅值是严格地按转子偏转角的余弦规律变化的，由此可知，只要测量出旋转变压器转子绕组输出电压的幅值，就能测量出转子偏转角。若转子安装在机床丝杠上，定子安装在机床底座上，则角代表的是丝杠转过的角度，它间接反映了机床工作台的位移感应同步器：感应同步器是利用电磁感应原理制成的位移测量装置。按结构和用途可分为直线感应同步器和圆盘旋转式感应同步器两类，直线感应同步器用于测量直线位移，圆盘旋转式感应同步器用于测量角位移，两者的工作原理基本相同。直线式感应同步器由定尺和滑尺两部分组成，定尺和滑尺分别安装在机床床身和移动部件上，定尺或滑尺随工作台一起移动，两者平行放置，保持0.20.3mm间隙。标准的感应同步器定尺250mm，尺上有一组感应绕组；滑尺长100mm，尺上有两组励磁绕组，一组为正弦励磁绕组us，一组为余弦励磁绕组uc。绕组的节距与定尺绕组节距相同，均为2mm，用表示。当正弦励磁绕组与定尺绕组对齐时，余弦励磁绕组与定尺绕组相差14节距。由于定尺绕组是均匀的，因此，滑尺上的两个绕组在空间位置上相差14节距，即 /2相位角。感应同步器一般当在滑尺的正弦绕组加一组交流电压，产生励磁，绕组中产生励磁电流，并产生交变磁通，这个交变磁通与定尺绕组耦合，在定尺绕组上分别感应出同频率的交流电压。感应同步器作为位置测量装置在数控机床上有两种工作方式：鉴相式和鉴幅式。光栅：光栅通常作为高精度数控机床的位置检测元件，将机械位移或模拟量转变为数字脉冲，反馈给数控装置，实现闭环位置控制。光栅分类为：1.圆光栅；2.长光栅；3.透射光栅；4.反射光栅。透射光栅是在玻璃表面上制成一系列平行等距的透光缝隙和不透光的栅线，反射光栅是在金属的镜面上制成全反射和漫反射间，隔相等的条纹。条纹之间的距离称为栅距。光栅检测装置主要由光源、聚光镜、标尺光栅、指示光栅和光敏元件。当光栅移动一个栅距形时，莫尔条纹也相应移动一莫尔条纹的间距B，即光栅某一固定点的光强按明一暗一明规律交替变化一次。因此，光电元件只要读出移动的莫尔条纹数目，就知道光栅移动了多少栅距，从而也就知道了运动部件的准确位移量。编码器：编码器是将直线运动和转角运动变换为数字信号进行测量的一种传感器。有光电式、电磁式和接触式等各种类型。实际应用的光电编码器的光栅板上有两组条纹A、A和B、B，A组与B组的条纹彼此错开14节距，两组条纹相对应的光敏元件所产生的信号彼此相差90相位，用于辨向。此外，在光电码盘的里圈里还有一条透光条纹C(零标志刻线)，用以每转产生一个脉冲，该脉冲信号又称零标志脉冲，作为测量基准。绝对式编码器按照角度直接进行编码，直接用数字代码表示。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等。绝对式光电编码器的编码盘由透明及不透明区组成，编码盘上码道的条数就是数码的位数 数控机床是现代高科技发展的产物，每当一批零件开始加工时，有大量的检测需要完成，包括夹具和零件的装卡、找正、零件编程原点的测定、首件零件的检测、工序间检测及加工完毕检测等。目前完成这些检测工作的主要手段有手工检测、离线检测和在线检测。在线检测也称实时检测，是在加工的过程中实时对刀具进行检测，并依据检测的结果做出相应的处理。在线检测是一种基于计算机自动控制的检测技术，其检测过程由数控程序来控制。闭环在线检测的优点是：能够保证数控机床精度，扩大数控机床功能，改善数控机床性能，提高数控机床效率。 1、数控机床在线检测系统的组成 数控机床在线检测系统分为两种，一种为直接调用基本宏程序，而不用计算机辅助；另一种则要自己开发宏程序库，借助于计算机辅助编程系统，随时生成检测程序，然后传输到数控系统中。 数控机床的在线检测系统由软件和硬件组成。硬件部分通常由以下几部分组成： (1) 机床本体 机床本体是实现加工、检测的基础，其工作部件是实现所需基本运动的部件，它的传动部件的精度直接影响着加工、检测的精度。 (2) 数控系统 目前数控机床一般都采用CNC数控系统，其主要特点是输入存储、数控加工、插补运算以及机床各种控制功能都通过程序来实现。计算机与其他装置之间可通过接口设备联接，当控制对象或功能改变时，只需改变软件和接口。CNC系统一般由中央处理存储器和输入输出接口组成，中央处理器又由存储器、运算器、控制器和总线组成。 (3) 伺服系统 伺服系统是数控机床的重要组成部分，用以实现数控机床的进给位置伺服控制和主轴转速(或位置)伺服控制。伺服系统的性能是决定机床加工精度、测量精度、表面质量和生产效率的主要因素。 (4) 测量系统 测量系统有接触触发式测头、信号传输系统和数据采集系统组成，是数控机床在线检测系统的关键部分，直接影响着在线检测的精度。其中关键部件为测头，使用测头可在加工过程中进行尺寸测量，根据测量结果自动修改加工程序，改善加工精度，使得数控机床既是加工设备，又兼具测量机的某种功能。 目前常用的雷尼绍测头，是英国雷尼绍公司的产品，如图2所示。它们用于数控车床、加工中心，数控磨床、专机等大多数数控机床上。测头按功能可分为工件检测测头和刀具测头；按信号传输方式可分为硬线连接式、感应式、光学式和无线电式；按接触形式可分为接触测量和非接触测量。用户可根据机床的具体型号选择合适的配置。 (5) 计算机系统 在线检测系统利用计算机进行测量数据的采集和处理、检测数控程序的生成、检测过程的仿真及与数控机床通信等功能。在线检测系统考虑到运行目前流行的Windows和CAD/CAM/CAPP/CAM以及VC+等软件，以及减少测量结果的分析和计算时间，一般采用Pentium级别以上的计算机。 2、数控机床在线检测的工作原理 实现数控机床的在线检测时，首先要在计算机辅助编程系统上自动生成检测主程序，将检测主程序由通信接口传输给数控机床，通过G31跳步指令，使测头按程序规定路径运动，当测球接触工件时发出触发信号，通过测头与数控系统的专用接口将触发信号传到转换器，并将触发信号转换后传给机床的控制系统，该点的坐标被记录下来。信号被接收后，机床停止运动，测量点的坐标通过通信接口传回计算机，然后进行下一个测量动作。上位机通过监测CNC系统返回的测量值，可对系统测量结果进行计算补偿及可视化等各项数据处理工作。测量典型几何形状时检测路径的步骤为：确定零件的待测形状特征几何要素； 确定零件的待测精度特征； 根据测量的形状特征几何要素和精度特征，确定检测点数及分布； 根据测点数及分布形式建立数学计算公式； 确定检测零件的工件坐标系； 根据检测条件确定检测路径。 3、数控机床在线检测编程 在线检测技术的关键主要体现在检测程序的编制上，检侧程序编制质量的优劣直接影响到检测效果。目前检测软件有商业化软件和自主开发的软件。商业化软件如英国DELCAM公司新版本的PowerInspect，是一款开放的检测软件，不受测量设备的限制，既可以在线检测，也可以脱机检测。不仅提供在线检测的功能，还能够在检测前针对读取的CAD模型进行检测路径的编程工作，并进行检测的仿真。随后可以把编制好的程序传输给CNC检测设备，进行自动检测。又如雷尼绍公司基于PC机的在机检测软件OMV（on machine verification），该软件专为数控机床配用系统而编写，主要应用于：根据原始CAD数据，检测样件、复杂零件及大型零件、多工序零件以及模具。 自主开发软件的编程方式有：基于C、 C+、 VC+、 VB、 Delphi开发平台的在线检测编程和基于CAD开发平台的在线检测编程。基于VC+ 语言的在线检测编程结构框图 检测部分主要模块的功能如下： (1) 测量主程序自动生成模块：主要完成零件待测信息的输入，生成检测主程序。 (2) 误差补偿模块：对测量过程中所产生的误差进行补偿，提高测量精度。 (3) 通信模块：完成主程序与被调用宏程序的发送及测量点坐标信息的接收。 (4) 测量宏程序模块：实现宏程序的管理和内部调用。主模块要实现对宏程序的查找、增添、修改及删除等操作。 (5) 数据处理模块：对测量点坐标进行补偿，完成各种尺寸及精度计算。通过打开测量结果数据文件，获得测量点坐标信息，经过相应的运算过程最终得到所测值。 基于CAD开发平台的在线检测自动编程是采用AutoCAD作为系统集成开发平台，并采用ObjectARY作为二次开发工具，开发该系统可弥补CAD/CAM系统所欠缺的功能，实现检测程序的图形化编制，即CAD在线检测。 4、数控机床在线检测系统仿真 目前数控机床在线检测借鉴于CAD/ CAM技术的发展思路可开发相应的在线检测仿真系统。仿真系统以图形化的方式再现数控机床在线检测过程，可形象直观地对检测路径规划进行检查，提前发现宏程序编制中的错误，以避免在真实检测过程中对在线检测系统所造成的破坏。 以VC+作为系统开发工具，OpenGL 作为三维场景开发工具，按照面向对象的程序设计思想开发数控机床在线检测仿真系统的过程是： (1) 虚拟检测环境的建立 采用OpenGL 标准进行图形处理工作。OpenGL 是一个图形硬件的软件接口，利用它可进行几何建模、图形变换、渲染、光照、材质等多种操作，大部分对于图形的底层处理工作都由一些专门的函数来处理。 (2) 检测信息的提取 在线检测仿真系统，必须在仿真过程中，如实地反映测量宏程序的每一条语句，即利用测量宏程序驱动检测仿真过程的进程。因而该仿真系统应具备完整的检测信息提取能力，能实现对测量程序的语法检查，能实现相关的计算与判断，最为重要的是能够提取出测头的运动轨迹，以驱动测头的检测仿真。 (3) 虚拟测头的驱动在线检测系统是利用测头与待测物体的碰撞来确定接触点的位置信息的，因而检测仿真必须逼真的再现这一过程，这也是整个仿真系统的核心问题。为保证测头可靠地撞击上待测物体，应使测头检测运动的最远行程大于测头到实际接触点位置的距离，即实际接触点位于测量起始点与测头最远行程点之间的直线段上。5、数控机床在机质量检测系统的应用与创新.在过去几年，中国大量引进国外先进加工和检测设备，在硬件方面已经达到了较高的水平，解决了在机械加工制造领域中的硬件问题，继而引进的是先进的CAD/CAM系统，同时也带来了一部分CAM软件不能解决的问题。 如何寻求更高层次的高速、5轴技术呢？如何提高加工效率、编程质量、机床安全性、设备利用率和节约刀具成本等？针对这些问题，国际上出现了更先进的制造技术。例如，数控机床在线质量控制系统（OMV）和自适应加工（FS-FIXTURE）等。这些技术在空客、波音/麦道、GE航空、NASA、Hyde集团，以及 Goodrich大量应用，而在国内仍然需要进一步引进消化。制造业的木桶原理同样存在，一个环节的落后，导致的结果将仍然是整体落后。目前国内航空、兵器制造业和光学高精密制造存在的数控机床在线质量控制问题已经非常普遍。大家都在寻求一种有效的解决方案，那么使用原始CAD模型作为理论依据进行数控加工过程的产品质量控制，严格控制制造过程的相关尺寸精度公差、形位公差、过程余量与工艺评估调整等成为理想解决方案，本文从该项技术的应用领域实施方式进行了阐述。 “在机检测”（OMV）解决方案是一种在数控加工机床上使用的，用于自动化测量自由曲面和几何体的离线编程软件系统。采用在机检测航空航天制造企业用户可方便地在初加工和半精加工等阶段就很好地控制产品精度。在加工过程中，当零件没有被从数控机床上卸下来之前，做出制造过程中是否继续和是否返工等的“英明”的决定。通过对加工的每一个阶段监测被加工零件的质量，从而可节省大量的加工时间。它能够尽早地发现加工中出现的任何误差，并尽快地将其修正，从而极大地降低成本。 该系统选用高精度的Renishaw MP700测头系统和Delcam的在机检测软件Delcam Powerinspect OMV，测头MP300精度可以达到12m，能够适用大多数精密零件的在线检测，Delcam Powerinspect OMV能方便快捷地完成加工模型样本和CAD原始数据之间的对比检测，它不仅是一个全能的检测专家，还能生成图文并茂、清晰易懂的检测报告。OMV系统也可进行脱机编程，预先生成检测数控程序，输入数控机床，并结合检测运动的仿真、碰撞和干涉检查，以减少在机检测的时间和工序。OMV 在机检测系统，还能监控在任意加工工序阶段的工件质量情况，能及时发现并修改错误，从而节省大量的加工时间和加工成本。例如，它能精确地检测出粗加工之后各曲面的加工余量，而不用等到全部加工完成后才能发现加工过程中是否存在错误。OMV在机检测系统，还能监控在任意加工工序阶段的工件质量情况，能及时发现并修改错误，从而节省大量的加工时间和成本。在一些精密零件的制作过程中，往往会在最后的工序产生废品，那么及早发现问题，避免废品的出现显得尤为重要。 同样地，该系统也适用于测量任何加工失误造成的刀具或工件的损坏程度。 实现OMV数控机床在机检测，同样也能惠及那些应客户要求必须提供独立产品检测的公司。通过直接在数控机床上进行工件的初步检测，能及时发现并修改错误，避免直到产品运送给检测者后才发现错误的情况发生。 检测和制造理论数据必须要求统一，那么OMV采用和现代数字制造同样的理论依据CAD模型进行数据检测，同时输出必须的数据。另外，还有几个方面： (1)零件质量检测：形位公差、曲面误差等； (2)装配件的检测：装配误差检测、装具检测； (3)优化调整指导：装配优化调整方案也可以充分采用，然后输出相同的数据，输出多种形式的检测报告，提供给工艺和制造体系的所有环节。 同时可以支持5轴机床，其主要优势在于能够在不需要重新装夹工件的情况下，检测任何倒勾形面情况。同样，它能检测到工件内部无法直接沿Z轴方向检测的特征的加工情况。例如，不同角度上的一系列孔，