数控机床在线监测技术

数控机床在线监测技术

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。

一、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，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

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。

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。

二、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：

(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；

(3)根据检测条件确定检测路径。

三、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如图3所示。

图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。

(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。

四、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。

五、结束

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。作者：河西学院张晓峰