数控检测关键技术研究

1、    数控机床在线检测技术 发表时间：2005-12-29 张晓峰 来源：CAD/CAM与制造业信息化 关键字：数控技术 机床 在线检测  本文对数控加工在线检测系统的组成、工作原理、编程方式及仿真等方面进行了简要介绍。文章中的许多内容都是些概要性的解释，对大家了解该领域的技术内容很有帮助。 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

2、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

3、生成检测程序，然后传输到数控系统中，系统结构如图1所示。  图1 计算机辅助在线检测系统组成     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&

4、#160;       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

5、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

6、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。  图2 雷尼绍RMP60无线电式测头     (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

7、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

8、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： 1. 确定零件的待测形状特征几何要素；  2. 确定零件的待测精度特征；  3. 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；  4. 根据测点数及分布形式建立数学计算公式；  5. 确定检测零件的工件坐标系；  6

9、. 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

10、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如图3所示。     图

11、3 基于VC+ 语言的在线检测系统结构框图     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。  

12、;   (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

13、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

14、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

15、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

16、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、结束语 将检测技术融于数控加工的内容之中，采用在线测量的方式，能使操作者及时发现工件存在的问题，并反馈给数控系统。据抽样调查，目前我国因产品质量问题，如废品、次品、返修品等，所造成的经济损失约为产值的10%15% ，而在线测量技术应用于数控系统，其最直接的经济效益就在在于既节省了工时又提高了测量精度。而且由于利用了机床数控系统的功能，又使得数控系统能及时得到检测系统所反馈的信息，从而能及时修正系统误差和随机误差，以改变机床的

17、运动参数，更好地保证加工质量，促进加工测量一体化的发展。可以预见，在线测量技术在数控机床中的应用未来具有广阔的前景。检测技术在数控机床中的应用 1精密测量技术在数控机床精度和性能检测领域中的应用 生产流水线、服装、工程机械、软水机、一卡通管理系统、电动角磨机、纸碗机、电动砂带机、条码设备、色谱仪、防火设备、酒店、等等上述行业中，我们经常看到轴承和进口轴承的应用，今天我们主要就精密测量技术在数控机床精度和性能检测领域中的应用来进行详细的说明介绍。数控机床的精度和性能检测领域中，国外着名厂商Renishaw、API及HP等公司生产的激光干涉仪测量系统和球杆仪等在数控机床的几何精

18、度和运动精度的检测和监控中，无论在机床制造厂还是机床使用厂，都得到了广泛的应用。   数字化精密测量技术是数字化制造技术中的关键技术之一。开发亚微米、纳米级高精度测量仪器，提高环境适应能力，增强鲁棒性，使精密测量装备进入生产现场，集成到加工机床和制造系统，形成先进的数字化闭环制造系统，是当今精密测量技术的发展趋势。   美国FARO技术公司的FaroARM系列便携式三坐标测量臂在工业界首次实现测量臂与激光扫描头的完美结合，在同一坐标系下实现非接触式快速扫描和接触式测量。 特点：非接触式灵活快速扫描，获取曲线曲面的点云数据，点

19、云无分层；接触式测量，把握关键特征尺寸与轮廓的精度；非接触式与接触式测量在同一坐标系下完美结合，扫描没有任何分层；扫描头与测量臂及测量软件同为FARO公司产品，技术完全共享，服务更加方便。在实际应用中为客户大大缩短设计生产制造周期，降低成本，质量控制可以在内部完成，自动生成的报告适用于网络应用，从而改善了各生产职能部门之间及实际不同地点间的沟通；提高了准确性，做产品检验时用户通常通过5到10个点来定义曲面，使得用户可以检验由数以万计的点云定义的曲面质量；自动化的SPC可对多个样品进行自动化的统计过程控制。   美国CIMCORE公司推出了配备有先进激光扫描测量系统

20、的关节臂测量机。 材料采用碳纤维，INFINITE系列还具有无线通讯功能。 用于反求工程时，不仅测量速度快，而且可实现测量过程的实时显示和补漏测量数据的无缝拼接。该仪器可用于三坐标测量、三维造型、产品测绘、反求工程、现场测量以及模具设计制造等涉及到设计、制造、过程检测、在线检测以及产品最终检测等测量工作。瑞士TESA公司的Scan系列用2个线阵CCD组件，通过工件的回转和轴向移动对工件进行投影扫描，可实现对轴类零件位置误差和形状误差的精确检测、对截面形状和轮廓度的评估比较以及统计质量分析，还能对零件的局部(如过渡曲线、微小沟槽等)进行放大测量。  

21、60; 数控机床的精度和性能检测领域中，国外着名厂商Renishaw、API及HP等公司生产的激光干涉仪测量系统和球杆仪等在数控机床的几何精度和运动精度的检测和监控中，无论在机床制造厂还是机床使用厂，都得到了广泛的应用。 Renishaw公司的激光干涉测量系统，配备了高精度、高灵敏度的温度、气压、湿度传感器及EC10环境补偿装置，在工作环境下测量精度得到进一步提高；API公司的Rmtea六维激光测量系统可同时测量6个数控机床精度项目的误 差，缩短了检测时间，为生产现场数控机床的检测和诊断提供了更为快速高效的精密测量手段。 成都工具研究所的MJS系列双频激光干涉仪，

22、测量软件覆盖了我国和世界主要工业国的数控机床精度标准评定方法和指标，动态采样功能可用于自动补偿。   在非接触扫描测量，三坐标测量机方面LEITZ公司的精密三坐标测量机用于测量大型齿轮。瑞典HEXAGON集团所属DEA公司的PRIMAC1系列水平臂测量机配备有光学/激光式非接触扫描传感器，可适应不同测量环境和任务的要求。德国ZEISS公司的PRORPremium坐标测量机配备有EagleEye导航系统和可控测座可实施高速精密测量。   美国光动(Optodyne)公司近年推出的基于体对角线的激光矢量测量技术是快速测量和补偿数控机床、加

23、工中心三维空间位置误差的一个新途径。 该技术由美国光动公司发明并获得专利，它遵循了ASMEB5.54。 我国西安爱德华测量机公司自主开发的柔性关节臂测量机的样机。   德国帝目机械设备有限公司(teamtechnik)提供的测试系统解决方案。 基于设备功能组成部分的模块化。独立于所测试的零件，功能元件被标准化为模块，并在应用过程中始终保持一致。设备以被测试的零件为中心，这样经过试用检验的技术就能够不断的积累和提高.,通过对精密测量技术在数控机床精度和性能检测领域中的应用介绍和说明，轴承以及进口轴承在以下其他监控器材及系统、日化包装设备

24、、消防、过滤设备、车用仪表、三菱配件、五金、清洁、黑板、印刷、量具、防盗报警、行业中得到广泛应用。  2精密测量技术在数控机床精度和性能检测领域中的应用  API及HP等公司生产的激光干涉仪测量系统和球杆仪等在数控机床的几何精度和运动精度的检测和监控中，无论在机床制造厂还是机床使用厂，都得到了广泛的应用。  数字化精密测量技术是数字化制造技术中的关键技术之一。开发亚微米、纳米级高精度测量仪器，提高环境适应能力，增强鲁棒性，使精密测量装备进入生产现场，集成到加工机床和制造系统，形成先进的数字化闭环制造系统，是当今精密测量技术的发展趋势。

25、  美国FARO技术公司的FaroARM系列便携式三坐标测量臂在工业界首次实现测量臂与激光扫描头的完美结合，在同一坐标系下实现非接触式快速扫描和接触式测量。特点：非接触式灵活快速扫描，获取曲线曲面的点云数据，点云无分层；接触式测量，把握关键特征尺寸与轮廓的精度；非接触式与接触式测量在同一坐标系下完美结合，扫描没有任何分层；扫描头与测量臂及测量软件同为FARO公司产品，技术完全共享，服务更加方便。在实际应用中为客户大大缩短设计生产制造周期，降低成本，质量控制可以在内部完成，自动生成的报告适用于网络应用，从而改善了各生产职能部门之间及实际不同地点间的沟通；提高了准确性，做产品检

26、验时用户通常通过5到10个点来定义曲面，使得用户可以检验由数以万计的点云定义的曲面质量；自动化的SPC可对多个样品进行自动化的统计过程控制。  美国CIMCORE公司推出了配备有先进激光扫描测量系统的关节臂测量机。材 料采用碳纤维，INFINITE系列还具有无线通讯功能。用于反求工程时，不仅测量速度快，而且可实现测量过程的实时显示和补漏测量数据的无缝拼接。该仪器可用于三坐标测量、三维造型、产品测绘、反求工程、现场测量以及模具设计制造等涉及到设计、制造、过程检测、在线检测以及产品最终检测等测量工作。  瑞士TESA公司的Scan系列用2个线阵CCD组件，通过工件的回转和轴向移动对工件进行投影扫描，可实现对轴类零件位置误差和形状误差的精确检测、对截面形状和轮廓度的评估比较以及统计质量分析，还能对零件的局部（如过渡曲线、微小沟槽等）进行放大测量。对螺纹、蜗杆、丝杆等能够进行全参数精度的精确测量。