數控機床在線檢測關鍵技術研究

曹著明　賈俊良　郭家田

摘 要：在線檢測是當今先進制造技術的有效手段之一。本文介紹了當今先進的制造技術及在線檢測技術在工業體系中的發展情況，描述了在線檢測的定義、結構、工作原理及其發展趨勢。隨著智能制造技術的普及，在線檢測技術作為加工制造中的檢測、反饋手段，將在制造業中起著越來越重要的作用，它將有效地推動當今裝備制造業的發展，為經濟社會的發展提供動力。

關鍵詞：數控機床 在線檢測 制造技術

隨著科學技術的發展，尤其是通信技術、計算機技術、自動控制技術的高速發展，工業信息化水平的提高使得產品的生產周期大大縮短。裝備制造業作為一個跨學科、多領域的產業，在國民經濟的發展中起著至關重要的作用。裝備制造業要求相關設備具有高效、高精度、智能化、開放性以及適應性等特點，特別是中國制造2025的實施，表明國家已高度重視制造業的產業升級，來提高社會的生產力，推動社會的可持續發展。

在先進制造技術中，在線檢測系統是其中重要的組成部分，它的發展有利于提升整個裝備制造業的水平。在裝備制造業中，對于核心零部件的加工精度要求高效、高精度，這就要求在加工過程中對零件進行在線檢測來提高零件的精度和效率，保證加工質量和效率。在線檢測技術在裝備制造業中起著不可替代的作用，它的快速、優質的發展會使裝備制造產業得到更好、更快的發展。因此，開展數控機床的在線檢測研究能有效提升整個國家工業現代化水平。

一、在線檢測技術

如今檢測加工零件的工作主要方式有手工檢測、離線檢測、數控加工在線檢測三種。數控機床在線檢測技術指的是將觸發式檢測觸頭安裝到數控加工中心的刀具庫中，同時將檢測觸頭所安裝的刀具位置號設定為特殊的刀具位置號碼。數控機床主軸的旋轉不影響檢測觸頭，當數控機床的控制系統發出實施檢測工作命令時，數控機床就會將檢測觸頭從刀具庫中調出，并控制其按照已設計的檢測路徑（數控程序）進行零件的檢測。檢測結果被數控機床控制系統獲取，再與零件的模型數據進行比對，然后判斷零件尺寸和精度是否達到零件設計要求，同時判別哪些位置不達標及尺寸和精度差值，為下一步進行合理的精加工提供數據依據。

在線檢測技術就是將檢測和加工兩個過程充分而又有效地結合起來，實現零件高效、高精度的加工。對于空間復雜曲面的加工及檢測來說，數控機床在線檢測技術有著明顯的優勢，能避免零件的多次裝夾，縮短零件制造周期，降低制造成本等。在線檢測技術已廣泛應用于空間復雜曲面的生產制造中，對該技術進行研究的專家也在日益增多，該項技術逐漸成為制造領域中的一項成熟技術。

與離線檢測技術相比較，數控加工在線檢測技術有四個優點。一是加工零件被檢測之后，在線檢測工具——檢測觸頭可通過控制系統直接返回機床刀具庫，或移動到不影響加工的區域，這樣就能節省工件重新安裝的時間，使產品的生產、加工周期得到縮減。二是可以減少或避免購買離線檢測設備，如三坐標測量儀等，從而降低生產成本。三是在線檢測能有效避免零件因多次拆裝造成的加工和檢測誤差，提高零件的加工精度。在離線檢測中有多次拆卸和裝夾零件的工序，而在線檢測能夠避免多次裝夾，同時避免由于這種反復拆卸工序而造成的加工精度誤差，從而提高零件加工精度和效率。四是基于在線檢測技術的穩定和可靠性，高端數控機床增加了機床的精度檢測功能和進一步加工決策實施的功能，從而產生了無人操作加工和智能制造技術。圖1為基于在線檢測系統的智能制造技術主要的研究內容及流程。

二、在線檢測系統結構

在線檢測系統根據各零件的檢測功能需求，構建出在線檢測系統總體結構功能圖，如圖2所示。系統一共包括有7個功能模塊，系統的輸入文件模塊指的是被檢測零件CAD模型，即零件的“STL”文件。

系統的輸出文件管理模塊指的是零件加工后的加工誤差檢測報告，其中文件管理模塊指的是被檢測零件“STL”數據文件的獲取，以及系統文件的輸入與保存；圖形操作與編輯模塊主要指的是文件的編輯、操作及圖形的視圖設計等功能的操作；檢測路徑生成模塊指的是根據零件的曲面精度和曲率精度要求，自動生成被檢測零件的檢測點坐標，應用遺傳算法等優化檢測指令及檢測路徑；路徑仿真模塊指的是對整個檢測過程進行仿真、驗證，優化檢測路徑，提高檢測的安全性和可靠性及效率；測量誤差補償模塊指的是將檢測后的零件實際數據反饋回數控機床檢測系統，然后與模型數據進行比對，獲取各個檢測點的誤差值，然后將加工零件的程序及加工參數進行修正和補償，提高零件加工的效率和合格率；通信模塊指的是通過網絡、RS232等數據線將數控機床與PC機搭建連接系統，內容包括安裝在線檢測軟件的PC機將檢測指令和相關數據發送給加工零件的數控機床，同時獲取被檢測點的坐標參數，PC機同時能發送脈沖信號，控制數控機床將檢測的坐標值反饋回PC機，同時還包括控制數控機床的開始、停止等；加工誤差檢測報告模塊指生成各測點檢測誤差圖，并可用相關軟件輸出具有完整信息的零件加工精度檢測報告。

三、數控機床在線檢測工作原理

數控加工過程中的在線檢測流程：①將CAD模型以“IGES或STL”的格式輸入計算機，同時設計該模型的加工刀路軌跡；②后置處理成數控加工NC代碼，完成零件的加工；③加工結束后測頭進行取樣，生成自適應式測量點，同時依據模型數據，對測量路徑進行優化和仿真；④再實施快速尋點算法（基于空間劃分策略的），將誤差補償測量出，進行實時誤差計算；⑤優化刀軌及數控NC指令，實現零件的準確加工，最終實現加工—測量—補償—加工的一體化的在線檢測制造技術。

在線檢測技術主要研究內容包括：在測頭、數控系統、數控機床實踐研究的基礎上，還需要完成相關參數的匹配，搭建在線檢測系統，完成自動對刀、裝夾找正；然后基于機床參數設置和數控系統，開發出二維零件、三維零件的在線檢測。在此基礎上，完成檢測軟件與設備的參數匹配，通過可靠的擬合算法和采樣策略，在數控機床上直接對加工后的零件進行檢測實驗，然后進行精度的分析、評價，將最終的誤差反饋回數控系統，然后優化數控系統相關參數，搭建完整的一體化在線檢測系統（見圖3）。

四、數控加工中心在線檢測技術的發展趨勢

1.設備的人性化及智能化

隨著當今社會信息技術和人機工程技術的發展，工業裝備正朝人性化方向發展，產品將朝個人訂制方向發展，設備的使用及產品的制造將更多地考慮人的因素。同時設備將具有一定的判斷能力，能代替人做出一定的決策，朝智能方向發展。在數控機床上表現出能降低操作者勞動強度，能自動裝夾零件，能自動檢測零件的精度，然后優化加工參數直至加工出合格的零件，同時具備自我診斷能力、自我修復能力。

2.信息化和開發性

信息化和開發性是數控機床在線檢測發展的趨勢和新亮點。國內外許多著名的數控機床和設備廠商正在開發相關的新概念數控機床，實現機床的遠程控制。同時可選擇開放式操作、控制系統，讓操作者便于快速掌握機床的操作和應用。在基于機床結構統一的平臺上，使用者可根據自己的特殊需求，將特色模塊和相關技術模塊集成到控制系統中，從而增強數控機床的功能，生產各種特殊需求的產品。因此信息化和開發性將使數控機床的在線檢測功能更加廣泛，提高了生產效率。

3.模塊化和標準化

由于當今世界的數控機床、數控系統和檢測系統種類繁多，而且各自的研究相互獨立，缺乏通用性和拓展功能，給機床和系統調試帶來諸多麻煩。因此，現在許多國家已經開始制定國際統一標準，使在線檢測系統模塊化，實現部分相關技術、標準國際統一，讓使用者更快進入角色，提高工作效率。

（作者單位：曹著明、賈俊良，北京電子科技職業學院；

郭家田，山東科技職業學院）