数控加工中心在线测量研究

济南大学毕业设计 1 前言 1.1加工中心在机检测的背景意义 1.1.1机床行业现状 我国是世界第一大机床消费国和进口国。目前，国内中档数控机床已显现出替代外国同类产品的趋势，而高端数控机床与德国等国仍存在大差距，国内机床难以占领高端市场。同时，发达国家对于进口的数控机床始终有所限制，这不利于我国数控机床的发展。船舶、工程机械、航空航天、风电等都是机床行业的下游产业。在相关政策的推动下，我国汽车产量不断攀升。随着汽车零部件制造加工工艺水平的提升，也会进一步提高对机床的要求。在航空航天领域，势必需求大型高速精密的数控机床。 我国数控机床功能部件技术水平、产品的种类、服务的范围等都有了一定的进步，但国产功能部件远远达不到市场的需求的适应性和满足度。我国功能部件的产品水平和国外有差距。高技术的功能部件对数控机床影响大，如轴、直线导轨、直线电机、机械手。而我国目前生产的功能部件大多数以劳动密集型为主，技术含量很低，难以适应国产数控机床的发展速度和要求。这些关键的功能部件，我国还没有形成规模。

1.1.2加工中心在线检测的意义 数控加工中心在线检测免去了工件的反复装夹、校正的过程。比离线检测减少了工件检测的时间，提高了检测效率;数控加工中心配备光栅尺等检测装置，可以有较好的检测精度;在成本方面，由于仅需附安装在机检测测头和相应软件即可完成检测工作，与三坐标测量机检测工件相比，大大降低了检测成本;由于加工与检测在同机上完成，检测反馈信息可用于修改加工G代码，形成加工—检测—再加工的闭环系统，将大大地提高成品率。不仅在工件检测方面，在工件的装夹找正方面，在线测头也能发挥出独有的优势。采用工件测头，可在机床上快速、准确测量工件的位置，再将测量结果快速反馈到数控系统中，修正工件坐标。采用在线测头可替代使用百分表及芯棒寻找基准的方法[1]。

1.2加工中心在线检测的研究现状

1.2.1国内研究现状 济南大学毕业设计 国内对加工中心在线检测方面做了很多深入的研究，主要有误差补偿、基于CAD的加工中心在线检测技术研究、基于示教的加工中心在线检测、自动编程技术、路径规划、软件设计等方面。刘丽冰等人研究了加工中心在线检测误差通用数学模型，探讨了测量系统误差参数辨识方法，实现了基于模型的加工中心在线检测软件误差补偿。[2]王广彦研究了检测是产品设计阶段应法考虑的工作的观点并开发了基于CAD的加工中心在线检测编程系统，完成检测程序的图形化编制汇。邓三鹏、姜庆华等人基于多体动力学理论研究了加工中心在线检测系统的拓扑结构，实现了相邻体间坐标变换矩阵，建立了检测系统的几何误差与热误差综合模型，对测头误差处理技术进行了研究。该模型可以同时补偿测头误差、机床几何误差与热误差，并且在MAKINO立式加工中心上验证了此方法。2005年，刘丽冰、田大伟、桑宏强等人研究用于加工中心在线检测的规范化方法，对检测信息进行特征抽象及特征分类，建立了检测路径规划的数学模型，完成了基于特征的工件检测路径自动规划及检测程序自动生成。还研究了牙轮牙掌在线监控方法并开发了相应系统，在加工中心上用触发式测头实现了加工基准位置的在线监控。

1.2.2国外发展现状 目前，国外在理论方面也有很多在线检测方面的研究，包括通过在线测头减少机床的误差，提高机床加工精度等。在实际应用中，国外很多机床制造厂都开发出了机床在线检测系统。如英国的DELCAM公司，其推出的质量检测、在线检测系统PowerINSPECT得到广泛应用，它可以支持多种测量设备类型，功能强大，是易学易用的独立检测软件系统。PowerINSPECT提供了强大的CAD数据接口转换软件，与广泛格式的三维数学模型进行联机或脱机检测比较误差分析，生成图文并茂的、符合PTB认证、符合1509002标准的、清晰易懂的检测报告。英国 ReniShaw公司也提供机床了测头和软件，可以完成对刀、刀具破损检测、工件找正、序中测量和首件检测等。意大利的MARPOS提供整套的机床在机检测方案。如图 1.1为意大利MARPOS的产品。 济南大学毕业设计 图1.1 意大利MARPOS公司机床检测方案 2. 数控机床在线测量系统的组成和误差分析 为保证数控机床这样高度自动化设备连续可靠的工作，需要具有自动检测功能。现代制造工业的快速发展对数控机床的在线检测技术提出了更高的要求，要实现数控机床高精度的在线检测，不可避免应对监测系统的组成、工作原理及主要误差进行仔细地分析，才可能尽量避免误差，或根据这些来源情况采取相应的措施，以对误差进行补偿，实现计算机辅助数控机床进行高精度在线测量。

2.1 在线测量系统的需求分析 由于一些客观存在的原因，如生产现场环境恶劣、价格原因等，而且自动测量中常用的三坐标测量机和工业 CT 机均有各自的使用限制，均不能很好的满足生产的需求。然而由测量软件+测头+数控机床组成的简单的三坐标测量系统，没有使用环境限制，测量范围原则上就是机床的加工范围，因此对于测量而言是低成本且行之有效的。它还可以利用计算机强大的计算、存储和开发能力来弥补数控机床数控系统数据处理上缺陷。数控机床配置相应测头和计算机软件，构成数控测量系统。该测量系统是数控系统和测量系统集成化、一体化控制系统，是一个集机械、电子和计算机等学科的综合测量系统。在高科技术飞速发展今天，测量技术对一个国家的综合发展起着十分重要的基础作用。如果没有先进的测量技术与测量手段，就不可能有先进高质量产品，就很难制造出单项性能及综合性能均优良的产品，更谈不上发展现代高新尖端技术。因此，世界上工业发达国家都非常重视研究和发展各种测量技术。 目前，机床上广泛应用测量以循环中测量为主要形式。循环中测量in cyclemeasuring ，是一种测量作为整个加工过程一部分在机床上完成的测量方式。加工与测量分开，一道工序或整个切削加工完成后不卸下工件，而是直接对济南大学毕业设计 工件进行测量。测头在机床上应用，一般只局限于加工中小批量零件的CNC加工中心和数控车床。CNC机床的生产效率非常高，如不能准确监控加工过程，很容易产生废品。而循环中测量提供了一种自动监控方法，可有效的保证CNC的加工质量。[4] 测头系统最初是用在三坐标测量机（CMM Coordinate Measuring Machines）上的，它是CMM中最关键硬件之一。它随CMM 同时产生同步发展，有一定相对独立性。CMM从手动到机动，又从NC到CNC，每步飞跃都包含着测头系统发展。在测头系统为CMM提供了新的触测工作原理、新的精度后促使CMM性能发生根本性的变化。同样，CMM的原理、性能以及关键技术有重大的突破进展，也会促进测头系统的更新换代。测头发展水平直接标志着坐标测量机CMM性能的优劣，直接影响着CMM的测量精度、使用功能、操作的自动化程度和测量效率。因此，研制生产CMM的厂家都要花费较多的精力和费用来研究高性能测头。为了竞争的需要，高性能的测头关键技术处于保密状态。 三维测头，伴随着三坐标测量机的发展只有30年的时间。国外以Renishaw 公司为代表,开发了高性能的测头系统,并广泛应用于多种数控机床和坐标测量机，开发了加工中心专用对刀和检测测头系统，如立式加工中心用MP10 测头，超小型测头OMP40，适用于各种加工中心的MP10系列测头。国内的哈尔滨先锋机电技术开发有限公司CNC-OMS工件在线测量系统、OMS工件测头系统，还有适用于数控机床的TP-EP系列有线通讯测头。这些相关研究及取得的成效证明了本研究题目的可行性，并为我们的研究工作提供了宝贵的参考资料，也更加坚定了我们研究信心。

2.2 系统的组成结构 这套在线测量系统的组成如图2.1，主要包括数控机床、计算机、测头系统、被测工件和相应的软件，测头系统（如图2.2）又包括测头一个、电缆若干根和信号转换装置一个。济南大学毕业设计 图2.1 在线测量系统组成 接触触发式测头可像普通刀具一样，如果有自动换刀的话可以安装在刀库当，自动调出并安装在机床主轴上，没有的话就直接安装在机床主轴，由程序控制自动测量并将测量结果反馈给控制系统。

图2.2 测头系统

计算机 CNC

控制器 伺服系统

主轴

工作台

系统软件部分 位置控制部分

系统机械部分 触发式接触测头 济南大学毕业设计 2.3 在线测量的原理 采用测头进行测量，先将测头安装在机床的主轴上，然后控制机床移动，使测头测针上的触头与工件表面接触，由机床的数控系统实时地记录并显示主轴的位置坐标。因此，可以结合测针的触头与工件具体位置关系，利用主轴的坐标值换算出工件被测量点的相关坐标值。获得工件被测量点的相关坐标值以后，再根据各坐标点几何位置关系进行计算，便可获得最终的测量结果[5]。

2.4 在线测量的过程 要实现在线自动测量，首先应在计算机上编写或生成自动测量宏程序，并将测量宏程序由RS-232通讯接口传输给加工中心，从而使机床伺服系统驱动工作部件，带动测头及被测件按照测量宏程序产生测量动作。测头进行测量时发出触发信号，通过测头与数控系统的专用接口转变为数控系统可识别信号，数控系统接受信号后，记录测点坐标，同时按宏程序控制测头的下一步动作。在计算机软件系统控制下，可对系统测量结果进行计算、补偿、数据库链接等各项数据处理工作，完成全部测量工作。

2.5 测头的工作状态 测量过程中，当触头与工件接触时，测头发出指示信号，该信号是由测头的灯光和蜂鸣器的鸣叫组成，主要是向操作者指明触头与工件已经接触。对具有信号输出功能的测头，当触头与工件接触时，测头还通过电缆向外输出一个经过光电隔离的电压变化状态信号。

2.6 测头在测量过程中的作用 根据上述工作原理，测头在能够执行并显示精确位移的机床上才能充分发挥测量的作用，例如：各种数控、数显机床；测头是这种“测量装置”（即：测头+机床）的一部分，它在测量过程中通过与工件精确接触来确定测量点的坐标、发出指示信号、保证测量结果精确和测量操作方便、迅速、可靠的任务[6]。

2.7 测量的工作方式 测头在数控机床上共有两种工作方式，即手动工作和编程工作方式。对没有信号输出功能的测头，只能采用手动工作方式。对具有信号输出功能的测头，两种工作方式均可采用。采用手动工作方式时，机床的运动由操作者手动控制，测量点的坐标值的记录和测量结果的计算亦由操作者承担。手动工作方式适合单件、小批量或测量项目变化不定情况。这种方式优点是使用安全，操作者不需要特别培训；缺点是不适合测量点很多，计算较复杂和大批量生产的情况。采用编程工作方式时，整个测量过程中机床的运动、被测点坐标值的记录和测量结果的