數(shù)控系統(tǒng)中在線測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

馬長(zhǎng)輝

摘 要 文章介紹了傳統(tǒng)測(cè)量局限性，在線測(cè)量技術(shù)應(yīng)用及在線測(cè)量誤差來(lái)源及誤差分析，在線測(cè)量技術(shù)將受到越來(lái)越廣泛應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】加工中心 傳統(tǒng)測(cè)量 在線測(cè)量

隨著航天、船舶及汽車(chē)等制造工業(yè)的快速發(fā)展，高精度、復(fù)雜大型零件的加工與精度評(píng)價(jià)成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的突出問(wèn)題，通常這類(lèi)工件產(chǎn)品需經(jīng)過(guò)多次的加工—測(cè)量—修整，才能滿足設(shè)計(jì)要求。加工中心作為一種高效、高精度的制造裝備在制造企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，而且正朝著高精度、高效率、開(kāi)放化、智能化、復(fù)合化的方向發(fā)展。盡可能地在一臺(tái)加工中心上利用一次裝卡完成全部或大部分的加工任務(wù)，以保證工件位置精度，提高生產(chǎn)效率成為業(yè)內(nèi)共識(shí)。加之人們對(duì)工件加工的高精度、高效率的不斷追求，CNC在線測(cè)量技術(shù)在加工制造中受到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)測(cè)量的局限性

傳統(tǒng)測(cè)量方法是指用傳統(tǒng)測(cè)量工具（如千分尺、百分表、游標(biāo)卡尺、深度尺等）進(jìn)行的測(cè)量，屬相對(duì)測(cè)量，因其測(cè)量基準(zhǔn)為被加工面，而不是直接的主軸基準(zhǔn)，是一種過(guò)度基準(zhǔn)，再加上傳統(tǒng)測(cè)量工具本身精度不高，同時(shí)人為測(cè)量操作隨機(jī)性誤差也較大，這些因素導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不足夠準(zhǔn)確；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)測(cè)量工具量程小、被測(cè)工件尺寸、形狀受到限制，許多測(cè)量任務(wù)（如尺寸大、形狀較復(fù)雜不規(guī)則的曲面類(lèi)零件）用傳統(tǒng)測(cè)量工具完成不了，且占用機(jī)時(shí)較長(zhǎng)，降低生產(chǎn)效率，影響了加工中心功能的發(fā)揮。

在傳統(tǒng)測(cè)量條件下，我們通常都是將CNC機(jī)床加工后的復(fù)雜零件或精密零件，先用卡尺或其他簡(jiǎn)單的量具確認(rèn)一下，估計(jì)沒(méi)問(wèn)題后卸下來(lái)送到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上去最終檢測(cè)，檢測(cè)如果不合格，大了3個(gè)絲或5個(gè)絲不合格怎么辦？只有到CNC機(jī)床上進(jìn)行二次加工修復(fù)。二次加工修復(fù)需要重新裝夾，校表、分中、對(duì)刀，一絲不差的校表、分中、對(duì)刀幾乎是不可能做得到的，很難。往往是二次加工修復(fù)時(shí)，因?yàn)樾１?、分中、?duì)刀失誤，二次裝夾沒(méi)有達(dá)到要求，該加工的地方?jīng)]有加工到，不需要加工的地方刺棱以下消掉了一塊，工件徹底報(bào)廢，白忙活了，損失時(shí)間損失了工錢(qián)又損失了材料。

2 在線測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

2.1 在線測(cè)量

在線測(cè)量，簡(jiǎn)而言之是加工與測(cè)量在同一設(shè)備上進(jìn)行的測(cè)量方法。如在安裝了測(cè)頭系統(tǒng)的加工中心上，工件經(jīng)過(guò)一次裝卡后即可完成加工與測(cè)量，省時(shí)省力，還能降低測(cè)量成本，也避免了二次裝夾誤差?？梢越档蛷U品率，也可以盡早發(fā)現(xiàn)廢品，避免造成加工浪費(fèi)。特別是在多品種小批量生產(chǎn)條件下，在線測(cè)量的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在能將加工、檢測(cè)和誤差補(bǔ)償集成在一起，實(shí)現(xiàn)加工前、加工中和加工后的高精度自動(dòng)測(cè)量，避免了由于多次裝夾而引起的誤差，大大減少了輔助時(shí)間，保證了機(jī)床的工作狀態(tài)及加工精度、降低廢品率等。

2.2 測(cè)量過(guò)程

測(cè)量過(guò)程是在數(shù)控機(jī)床上采用測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量時(shí)，先將測(cè)頭安裝在機(jī)床的主軸上，然后工作人員手動(dòng)控制機(jī)床移動(dòng)，使測(cè)頭測(cè)針上的觸頭接觸到工件表面，由機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)地記錄并顯示主軸的位置坐標(biāo)值。從而可以結(jié)合測(cè)針的觸頭與工件的具體位置關(guān)系，利用機(jī)床主軸的坐標(biāo)值換算出工件被測(cè)量點(diǎn)的相關(guān)坐標(biāo)值。獲得工件的各個(gè)被測(cè)量點(diǎn)的相關(guān)坐標(biāo)值以后，再根據(jù)各坐標(biāo)點(diǎn)的幾何位置關(guān)系進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，便可以獲得最終的測(cè)量結(jié)果。

2.3 測(cè)量結(jié)果誤差

在任何一項(xiàng)測(cè)量中，由于各種因素的影響，所得到的測(cè)量值總會(huì)存在誤差。為了使測(cè)量結(jié)果更精確地逼近真實(shí)值，需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，因此測(cè)量過(guò)程中影響測(cè)量精度的誤差組成來(lái)源應(yīng)當(dāng)被仔細(xì)分析和考慮。由于數(shù)控機(jī)床在線測(cè)量系統(tǒng)是以機(jī)床為母體，集成測(cè)量系統(tǒng)而生成的。所以數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中存在的誤差在測(cè)量過(guò)程中也同樣會(huì)影響測(cè)量精度。機(jī)床在線測(cè)量測(cè)量誤差主要包括測(cè)頭系統(tǒng)誤差、機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件定位誤差、測(cè)量路徑不合理造成的誤差，其中測(cè)頭系統(tǒng)誤差又分為測(cè)頭靜態(tài)誤差、測(cè)頭動(dòng)態(tài)誤差以及測(cè)頭在機(jī)床上的安裝誤差等。測(cè)頭靜態(tài)誤差包括死區(qū)誤差和測(cè)頭重復(fù)定位誤差，它隨著測(cè)桿長(zhǎng)度、剛度以及接觸壓力的改變而改變。死區(qū)誤差是指測(cè)頭在接觸工件后，測(cè)桿發(fā)生的彎曲變形量。測(cè)頭重復(fù)定位誤差相對(duì)于死區(qū)誤差相對(duì)較小，因此測(cè)頭靜態(tài)誤差主要由死區(qū)誤差決定。測(cè)頭動(dòng)態(tài)誤差主要與測(cè)頭檢測(cè)時(shí)的接觸速度以及數(shù)控系統(tǒng)采樣間隔有關(guān)。測(cè)頭是通過(guò)與機(jī)床配套的刀柄安裝機(jī)床主軸上，由于測(cè)頭軸線與主軸軸線的不完全對(duì)中，存在測(cè)頭的安裝誤差，在多方向測(cè)量中造成測(cè)量誤差。測(cè)頭與主軸的不對(duì)中安裝誤差，可以通過(guò)測(cè)量前的測(cè)頭偏心標(biāo)定進(jìn)行部分補(bǔ)償。

由于數(shù)控機(jī)床零部件的制造、裝配誤差、伺服系統(tǒng)的跟蹤誤差以及間隙、摩擦等因素，機(jī)床各工作部件在進(jìn)行測(cè)量運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生定位誤差。

除此之外，測(cè)頭的半徑誤差也是一個(gè)主要的誤差來(lái)源，在數(shù)據(jù)處理時(shí)可通過(guò)測(cè)頭半徑補(bǔ)償來(lái)消除。但在實(shí)際測(cè)量中，情況較為復(fù)雜，測(cè)頭半徑誤差將引入測(cè)量結(jié)果，在自由曲面的測(cè)量過(guò)程中，該項(xiàng)誤差更為明顯。

針對(duì)測(cè)量過(guò)程中諸多的誤差來(lái)源，高效、高精度的誤差補(bǔ)償算法是亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中，可采用多次測(cè)量、誤差補(bǔ)償?shù)葴p小測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度。

在線檢測(cè)系統(tǒng)是利用測(cè)頭與待測(cè)物體的碰撞來(lái)確定接觸點(diǎn)的位置信息的。由于利用了機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的功能，又使得數(shù)控系統(tǒng)能及時(shí)得到檢測(cè)系統(tǒng)所反饋的信息，從而能及時(shí)修正系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，以改變機(jī)床的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，更好地保證加工質(zhì)量，促進(jìn)加工測(cè)量一體化的發(fā)展。

NC在線測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)：

（1）杜絕CNC機(jī)床因兩次裝夾工件進(jìn)行修復(fù)造成的浪費(fèi)。

（2）徹底杜絕廢品，實(shí)現(xiàn)CNC加工下線前的100%檢測(cè)。

（3）將批量生產(chǎn)的首件加工、對(duì)刀、程序確認(rèn)工作效率提高了若干倍。

（4）NC測(cè)量系統(tǒng)是用自動(dòng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)軟件直接控制CNC加工機(jī)床的控制系統(tǒng)，它將強(qiáng)大的三坐標(biāo)測(cè)量軟件功能全部移植到CNC加工機(jī)器中，使CNC加工機(jī)床在不損失原有的任何功能情況下，增加了全部的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量功能。如：點(diǎn)、線、面、平行度、平而度、角度、高度、同心度、孔的直徑、各個(gè)孔的坐標(biāo)位置等形位公差的測(cè)量都可以在CNC機(jī)床上得到實(shí)現(xiàn)。

（5）逆向抄數(shù)功能NC測(cè)量技術(shù)有自動(dòng)點(diǎn)掃描抄數(shù)功能，用于曲而抄數(shù)，因此CNC加工機(jī)床又是一臺(tái)地道的抄數(shù)機(jī)。

3 小結(jié)

測(cè)頭系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床集成構(gòu)成的加工中心在線測(cè)量技術(shù)，可以明顯縮減生產(chǎn)輔助時(shí)間，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)還縮減了由離線測(cè)量誤差導(dǎo)致的廢品率，充分發(fā)揮了數(shù)控機(jī)床的性能。機(jī)床測(cè)量的應(yīng)用可以減少中間環(huán)節(jié)，保證加工精度，提高數(shù)控機(jī)床的加工能力，提升了加工中心的應(yīng)用水平。在線測(cè)量技術(shù)將受到越來(lái)越廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1]張國(guó)忠.檢測(cè)技術(shù)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1998.

[2]張金晶.數(shù)控機(jī)床在線測(cè)量技術(shù)與誤差分析[J].裝備制造技術(shù)，2009.

作者單位

德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東省德州市 253000