普通經(jīng)濟型數(shù)控車床在線檢測技術(shù)的研究

鄧岐杏

(廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學院，廣西南寧 530023)

現(xiàn)代產(chǎn)品的要求逐年提高，對零件加工精度的要求更高。作為現(xiàn)代制造業(yè)技術(shù)的核心，數(shù)控機床的加工精度應適應零件的要求。目前國內(nèi)普通經(jīng)濟型數(shù)控機床仍然占據(jù)著比較大的比例，對普通經(jīng)濟型數(shù)控機床的檢測技術(shù)進行研究具有一定的意義，在達到提高零件加工精度目的的同時，還可以節(jié)約改進數(shù)控機床的成本。

1 經(jīng)濟型數(shù)控機床的基本情況

數(shù)控機床根據(jù)控制方式不同，分開環(huán)系統(tǒng)數(shù)控機床、半閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)控機床和閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)控機床三類。同等條件下，不同控制方式的數(shù)控機床生產(chǎn)出的零件精度各不相同。

開環(huán)數(shù)控機床沒有位移檢測裝置，無位移誤差補償，精度較低。普通經(jīng)濟型數(shù)控機床多采用這種控制方式。

閉環(huán)數(shù)控機床在進給執(zhí)行部件上安裝了位移檢測裝置，在加工過程中實時地對位移量進行檢測，并經(jīng)反饋回路返回給數(shù)控裝置，系統(tǒng)對工作臺實際位移量進行自動檢測并與指令值進行比較，用差值進行控制。這種系統(tǒng)定位精度高，容易滿足零件加工高精度的要求。

半閉環(huán)數(shù)控機床介于開環(huán)數(shù)控機床和閉環(huán)數(shù)控機床之間，所能達到的精度、速度和動態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服系統(tǒng)，但低于閉環(huán)系統(tǒng)。

因此要提高普通經(jīng)濟型數(shù)控機床的加工精度，將其改進為帶位移檢測裝置的閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)控機床是經(jīng)濟可行的有效措施之一。改進的關(guān)鍵是檢測裝置的設(shè)計和對檢測信號進行處理、分析和反饋。

2 方案制定

現(xiàn)代制造技術(shù)中，檢測技術(shù)的應用是必不可少的，合理、正確的使用是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.1 檢測方式的選用

要保證零件的加工精度要求，仍保留普通經(jīng)濟型數(shù)控機床的靜態(tài)、離線的接觸式測量不利于提高產(chǎn)品的加工精度。事后才發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的加工過程中所產(chǎn)生的誤差，且無法直接反饋到系統(tǒng)中，只能針對事后誤差分析更改加工參數(shù)，改善此后的零件加工精度。使用千分尺、卡尺等常規(guī)量具采用接觸測量的方式進行，測量的效率低下，精度容易受到人為因素的影響，占機時間長，且需要定期對量具進行校正，影響機床的利用及產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

為了提高產(chǎn)品的生產(chǎn)精度，使普通經(jīng)濟型數(shù)控機床具有更高的經(jīng)濟效益，改變測量方式是其中的一條途徑。

采用動態(tài)、在線的非接觸式測量，在數(shù)控機床上增設(shè)在線測量裝置，并形成反饋回路，采用閉環(huán)控制，即可提高零件的加工精度，同時可縮短制造周期、提高生產(chǎn)率、減少廢品率、降低加工成本。從數(shù)控機床加工的工藝系統(tǒng)來看，融入在線測量閉環(huán)控制后，工藝設(shè)計人員可對加工工藝參數(shù)的變化實時地監(jiān)控，糾正加工方法，使被加工的工件保持在預定的理想范圍內(nèi)。以光、電、磁、超聲波等技術(shù)為基礎(chǔ)的非接觸測量精度高，量具與被測物無接觸、不產(chǎn)生損耗，測量的結(jié)果易于傳輸，便于后期數(shù)據(jù)處理或顯示。

綜合分析，對普通經(jīng)濟型數(shù)控機床進行合理化改造，采用動態(tài)的非接觸測量可以達到預定目標。

2.2 檢測系統(tǒng)方案

實現(xiàn)在線的非接觸式測量，核心的元件是提取信號及實現(xiàn)信號處理的傳感器。基于CCD圖像傳感器的視覺測量已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)技術(shù)中，選用CCD傳感器作為普通經(jīng)濟型數(shù)控機床的檢測反饋環(huán)節(jié)的核心器件，能夠滿足設(shè)計的要求，測量精度高，使用方便、自動化程度高。

在此測量系統(tǒng)中，工件是最終測量對象，CCD傳感器為測量工具。CCD傳感器測量所得結(jié)果通過調(diào)整電路處理后，由微處理器完成信號的傳輸。在數(shù)控車床中，將測量儀器安裝于刀架上，實時測量已經(jīng)加工的工件的徑向尺寸，并將測量結(jié)果反饋到數(shù)控裝置，由此實現(xiàn)數(shù)控車床閉環(huán)控制，實時調(diào)整刀具的徑向位置。其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)控車床全閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 CCD傳感器

CCD(Charge Coupled Device)圖像傳感器是一種電荷耦合器件，是一種采用高感光度的半導體材料制作而成的新型光電轉(zhuǎn)換器件。它是一種高精度的檢測傳感器，主要用于數(shù)碼成像技術(shù)，也延伸、滲透到了現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是在精細加工、機器人技術(shù)、工業(yè)自動化領(lǐng)域中已經(jīng)有了非常廣泛的應用。

CCD傳感器主要由光敏二極管單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等組成。CCD傳感器通過若干個獨立光刻單元集合而成的感光面，將光或電激勵信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘枺⒛軐ζ溥M行存儲。當對傳感器施加特定時序的脈沖信號時，其存儲的信號電荷便能在CCD內(nèi)作定向傳輸，并輸出電信號［1］。

CCD傳感器的特點主要體現(xiàn)在:光敏面積大，靶面利用率高，具有光譜響應寬、線性好、動態(tài)范圍寬、噪聲低、靈敏度高、實時傳輸和電荷掃描等多方面優(yōu)點。

采用CCD傳感器進行工件尺寸在線動態(tài)測量的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 CCD測量原理

在數(shù)控車床上對被加工軸的直徑測量采用激光衍射的方法來實現(xiàn)。測量原理如圖3所示。

圖3 直徑測量原理圖

在測量系統(tǒng)中，采用激光作為入射光源，通過激光擴束系統(tǒng)放大光源，為了滿足目標零件圓柱直徑有足夠的測量范圍，通過光學系統(tǒng)生成更寬范圍的平行光束，CCD傳感器采用陣列式。

CCD傳感器所產(chǎn)生的數(shù)字信號有噪聲存在，影響對被測對象的尺寸檢測工作，要獲得足夠精度的尺寸數(shù)據(jù)，需要對采集到的信號進行前端的消噪處理。采用中值濾波方式，這種非線性的濾波，通過比較測量值，輸出中間值，能有效消除圖像大部分干擾信號。選用FPGA現(xiàn)場可編程門陣列，可實現(xiàn)中值濾波。

通過ARM單片機接口器實現(xiàn)對SDRAM同步動態(tài)隨機存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)進行讀取和數(shù)據(jù)的串行口傳輸。

3.2 CCD傳感器的驅(qū)動

CCD傳感器的驅(qū)動可用多種方式實現(xiàn)。(1)采用單片機實現(xiàn)驅(qū)動。可以利用單片機的易編程特點，調(diào)節(jié)驅(qū)動所需的時序，靈活方便;缺點在于其總線輸出的速率慢，對于數(shù)控車床所需的實時在線測量存在局限性。(2)采用專用的IC芯片實現(xiàn)驅(qū)動。芯片的集成性高，功能強大，但專用性強，適用的場合有限。(3)采用EPROM實現(xiàn)對CCD傳感器的驅(qū)動。用其生成CCD所需的時序，要將CCD所有的時序數(shù)據(jù)預先存放于EPROM中，利用計數(shù)電路產(chǎn)生EPROM的地址，輸出相應的驅(qū)動時序。雖然此種方法簡單，調(diào)試方便，可獲得可靠的工作時序，但結(jié)構(gòu)尺寸太大。(4)采用可編程器驅(qū)動。可編程的驅(qū)動器兼顧了IC芯片和單片機的優(yōu)點，集成性高，且可實現(xiàn)再編程，通過再編程可以實現(xiàn)驅(qū)動電路所需的時序的改變，并且可根據(jù)需要增減某些功能，方便靈活。

綜合比較CCD傳感器的驅(qū)動方法，將可編程器驅(qū)動方式應用于數(shù)控車床在線測量系統(tǒng)中。

現(xiàn)場可編程門陣列FPGA可以滿足CCD傳感器的驅(qū)動需要，并且FPGA可實現(xiàn)測量系統(tǒng)中所需的時序信號與驅(qū)動以及數(shù)據(jù)的采集與處理等。主要分4個部分:(1)外部時序信號的生成和驅(qū)動信號;(2)FPGA中值濾波處理;(3)A/D模塊的時鐘控制;(4)先進先出FIFO存儲結(jié)構(gòu)的RAM。

4 測量系統(tǒng)的干擾分析

測量系統(tǒng)安裝于刀架上，在零件加工過程中會受到機床振動的影響，影響了CCD的成像質(zhì)量。機床的振動主要引起線位移和角位移，因此要提高成像質(zhì)量應采取減振措施。可以采取的措施主要有:使用緩沖隔離和設(shè)置隔離帶，以及在設(shè)備與支承架之間加設(shè)減振器等，以保證測量器件的正常工作，保證測量精度滿足零件的精度要求。

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