數控機床位置檢測的研究

郝春玲HAO Chun-ling

（渤海船舶職業學院，葫蘆島 125000）

0 引言

數控機床是現代高科技發展的產物，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。數控機床的加工精度主要與機械精度，數控系統和伺服系統有關，這幾個環節的精度都必須達到要求。分辨率是機床能識別的最小單位，直接決定機床精度的好壞。完成檢測工作的主要手段有手工檢測、離線檢測和在線檢測。

1 數控機床位置檢測系統的組成

數控機床計算機位置檢測系統組成結構如圖1所示。

圖1 計算機位置檢測系統組成

數控機床的位置檢測系統由軟件和硬件組成。硬件部分通常由以下幾部分組成：

1.1 機床本體

機床本體是實現加工、檢測的基礎，其工作部件是實現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。

1.2 數控系統

目前數控機床一般都采用CNC數控系統，其主要特點是按照監控軟件的控制邏輯，在輸入、譯碼、刀具補償、進給速度處理、插補、位置控制、輸入/輸出處理、顯示以及診斷等方面進行控制，其功能都通過程序來實現。CNC系統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。

1.3 伺服系統

伺服系統是 (servomechanism)是使物體的位置、方位、狀態等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統。它是數控機床的重要組成部分，主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調控等處理，使驅動裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。用以實現數控機床的進給位置伺服控制和主軸轉速(或位置)伺服控制。伺服系統的性能是決定機床加工精度、測量精度、表面質量和生產效率的主要因素。

1.4 測量系統

測量系統是用來對被測特性定量測量或定性評價的儀器或量具、標準、操作、方法、夾具、軟件、人員、環 境和假設的集合；用來獲得測量結果的整個過程。有接觸觸發式測頭、信號傳輸系統和數據采集系統組成，是數控機床位置檢測系統的關鍵部分，直接影響著檢測的精度。

如圖2所示，測量探頭對毛坯工件進行位置檢測。它們用于數控車床、加工中心，數控磨床、專機等大多數數控機床上。

圖2 測量探頭對毛坯工件進行位置檢測

1.5 計算機系統

在檢測系統通常應用Windows和CAD/CAM/CAPP/CAM以及VC++等軟件，為了減少測量結果的分析和計算時間，大都采用Pentium級別以上的計算機， 完成測量數據的采集和處理、檢測數控程序的生成、檢測過程的仿真及與數控機床通信等功能。

2 數控機床位置檢測的工作原理

實現數控機床的位置檢測時，首先要在計算機輔助編程系統上自動生成檢測主程序，通過光電編碼器的工作原理，根據檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。把檢測主程序通過通信接口傳輸給數控機床，能夠讓測頭按程序規定路徑運動，當測量探頭接觸工件時發出觸發信號，用測量探頭與數控系統的專用接口把觸發信號傳到轉換器上，再把觸發信號轉換后傳給機床的控制系統，此點的坐標被記錄下來。把信號接收后，機床停止運動，被測點的坐標可以被通信接口傳回計算機，然后進行下一個測量動作。

光柵是用于數控機床的精密檢測元件，是閉環系統中另一種用得較多的測量裝置，用作位移或轉角的測量，測量精度可達幾微米。

測量典型幾何形狀時檢測路徑的過程是：

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；

3）根據測量的形狀特征幾何要素和精度特征，確定檢測點數及分布；

4）根據測點數及分布形式建立數學計算公式；

5）確定檢測零件的工件坐標系；

6）根據檢測條件確定檢測路徑。

3 數控機床位置檢測編程

位置檢測的關鍵技術主要在于檢測編寫其程序，檢側程序編制質量的優劣直接影響到檢測效果?，F在檢測軟件有商業化軟件和自主開發的軟件。部分軟件專為數控機床配用系統而編寫，主要應用于：根據原始CAD數據，檢測樣件、復雜零件及大型零件、多工序零件以及模具。

編程方式中自主開發軟件的有：基于C、C++、VC++、VB、Delphi開發平臺位置檢測編程和基于CAD開發平臺的位置檢測編程。位置檢測編程結構框圖如圖3所示。

圖3 基于VC++ 語言的位置檢測系統結構框圖

位置檢測主要模塊作用如下：

1）位置測量的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：對測量過程中所產生的誤差進行補償，提高測量精度；

3）通信模塊：完成主程序和被調用宏程序的發送及測量點坐標信息的接收；

4）測量宏程序模塊：實現宏程序的管理和內部調用。主模塊要實現對宏程序的查找、增添、修改及刪除等操作；

5）數據處理模塊：對測量點坐標進行補償，完成各種尺寸及精度計算。通過打開測量結果數據文件，獲得測量點坐標信息，經過相應的運算過程最終得到所測值。

4 數控機床位置檢測系統仿真

現在數控機床位置檢測主要借鑒于CAD/ CAM技術的來完成相應的位置檢測仿真系統。仿真系統以圖形化的方式呈現數控機床位置檢測過程，可以直觀形象地對檢測路徑規劃進行檢查，能夠發現程序編制中的錯誤，以避免在真實檢測過程中對位置檢測系統所造成的破壞。

系統開發工具為VC++，三維的場景開發工具用OpenGL，采用面向對象的程序設計思想開發數控機床位置檢測仿真系統的過程是：

4.1 建立虛擬檢測環境

圖形處理用OpenGL 標準完成。OpenGL 是一個圖形硬件的軟件接口，它可完成幾何建模、圖形變換、渲染、光照、材質等多種操作，圖形的底層等大部分處理工作由一些專門的函數來處理。

4.2 提取檢測信息

位置檢測仿真系統，是在仿真過程中，真實地反映測量宏程序的每一條語句，即檢測仿真過程是利用測量宏程序驅動來完成。因此仿真系統應具備完整的檢測信息提取能力，對測量程序的語法檢查能夠完成，能夠實現相關的判斷與計算，更為重要的是能夠提取出測頭的運動軌跡，以驅動測頭的檢測仿真。

4.3 驅動虛擬測頭

位置檢測系統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，所以檢測仿真能夠確切的完成這一過程，整個仿真系統的核心問題就能夠完成。測頭檢測運動的最遠行程不小于測頭到實際接觸點位置的距離能夠保證測頭可靠地撞擊上待測物體，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。

5 結束語

總之，將檢測技術融于數控加工的內容之中，采用在線測量的方式，能使操作者及時發現工件存在的問題，并反饋給數控系統。位置測量技術應用于數控系統，最大直接的經濟效益就是既節省了工時又提高了測量精度。位置控制一般是指控制機床的位移軸的移動位置，比如CNC發出指令，控制軸通過伺服電機，傳動裝置等移動到指定位置，通過位置檢測裝置（編碼器或者光柵）反饋回CNC，是否準確到達，同時進行位置的補正。也就是CNC通過指令讓它能控制移動的東西移動到了它要求的地方，同時檢查實際到了沒有。從而能及時修正系統誤差和隨機誤差，以改變機床的運動參數，更好地保證加工質量，能夠完成在加工的過程中實時對刀具進行檢測，并依據檢測的結果做出相應的處理，其檢測過程由數控程序來控制，能夠保證數控機床精度，擴大數控機床功能，改善數控機床性能，提高數控機床效率。

[1] 王愛玲.現代數控機床伺服及檢測技術(第3版)[M].國防工業出版社,2009.

[2] 數控機床故障檢測與維修問答[M].機械工業出版社,2005.

[3] 盧勝利,王睿鵬,祝玲.現代數控系統——原理、構成與實例[M].機械工業出版社,2006.