在線測量技術和閉環反饋加工補償在自動化生產中應用

文|海克斯康測量技術（青島）有限公司 李建磊 黃燦

“中國制造2025”將智能制造作為主攻方向，全力推進制造過程智能化。為了推進和實現“中國制造2025”的階段性目標，柔性數控機床、工業機器人、數字化控制和在線檢測等技術手段將越來越多的應用到自動化生產過程中。質量是制造業生命線，同時也是實現《中國制造2025》制造強國的關鍵內核。在智能化的工廠中，作為質量要素關鍵——測量環節，同樣也需要適應新的變革，需要通過集成新檢測技術、新檢測產品以及新檢測模式來適應不斷發展的檢測需求。

一、傳統測量的局限性

傳統的制造業中，作為測量手段的手動量儀（如千分尺、百分表、游標卡尺和深度尺等）、計量室的三坐標測量設備仍處于由單一的檢測儀器和設備構成的離線檢測單元階段，它普遍具有檢測周轉效率低、人力成本高和離線檢測結果反饋不及時等缺點，已無法適應以數字化、網絡化和智能化為技術核心的新型制造業。同時也無法滿足智能生產中在線、高效和實時進行檢測數據反饋或加工補償的高端檢測需求。

二、在線測量技術的應用

1、在線測量技術的應用需求

隨著“中國制造2025”的深入發展，自動化、數字化和智能化生產線成為中國制造的新常態，高效、柔性化和智能化的制造業對測量技術提出了更高的要求，并促進了測量技術的發展和變革。在線測量技術集成新的檢測技術和產品，通過集成在線的形式與自動化、智能化生產線高度融合，滿足高效、柔性和智能化的檢測需求。

2、在線檢測技術的主要類型

（1）在機測量方案

在機測量就是以機床硬件為載體，附以硬件（在機測頭、對刀儀等）、軟件（在機測頭程序、3D 測量軟件等）的測量工具，實現在工件加工過程中實時在機床上進行幾何特征測量。機測頭如圖1 所示，其能夠替代人工，實現自動工件找正，通過簡單測量解決由于工裝夾具重復定位精度或工件毛坯差異帶來的工件精度差異，并可以實現不拆卸工件直接在機進行關鍵尺寸的3D 測量，解決重復裝夾的精度損失。通過在機測量方案的使用掌控加工過程，提升產品品質，減少了加工輔助工時，降低了成本，提高了效率，加強加工過程控制，提高產品質量一致性。

圖1 機測頭

（2）在線專機測量方案

在線專機檢測方案，顧名思義是集成在線的針對特定產品和特定工序的專屬檢測設備。在線專機測量方案可以與自動化和智能化生產線高度集成，檢測方法可根據檢測特征進行方案定制。專機測量方案的特點就是檢測節拍快，檢測效率高，專機解決方案比較適合對檢測節拍要求高、大批量工業化生產情況。但專機測量方案，對多品種、小批量的柔性生產模式不兼容，具有工件換產周期長和成本高的缺點，手機玻璃檢測專機如圖2 所示。

圖2 手機玻璃檢測專機

（3）在線三坐標測量方案

在線三坐標測量方案是將標準三坐標測量設備集成到自動化生產線中，實現工件的自動化檢測。三坐標測量設備本身具有測量精度高、測量功能兼容性高等優點，但同時也有對使用環境要求比較高的缺點。因此通過配置恒溫機罩或增加減振選項的方式將三坐標測量機集成到自動化生產線中，解決了設備檢測精度、設備兼容性檢測以及設備使用環境等問題，并滿足了在線自動化檢測的需要，在線三坐標測量方案如圖3 所示。

圖3 在線三坐標測量方案

三、在線閉環反饋加工補償方案

隨著制造業的高速發展，對數控機床加工精度要求日益提高。為了彌補加工機床的不精確性，在線自動化檢測方案通過在機對刀儀、智能刀補方案，對機床的刀具磨損、熱形變和機器漂移等因素引起的綜合誤差進行有效補償。

1、在機測量方案

在機測量方案中可通過對刀儀在機床上測量刀具長度、刀具直徑等參數，并自動將測量結果反饋補償到機床控制系統，從而對刀具磨損進行實時補償，有效提高工件加工精度，對刀儀如圖4 所示。

圖4 對刀儀

2、智能刀補方案

智能刀補方案通過專業的統計分析和刀補軟件，自動統計分析計算工件和刀具的尺寸及形位公差的數值曲線，通過調整計算刀具參數，并將刀補參數直接反饋補償到機床控制系統，對由于刀具磨損、熱形變和機器漂移等引起的綜合誤差進行有效補償，以保證持續高質量的零件加工，智能刀補方案如圖5 所示。例如，孔直徑：21.710mm；工件公差：±0.025mm；干預邊界：±0.015mm，超過干預邊界，系統計算刀具校正并將數據上傳到機床控制器上，智能刀補方案刀補數據處理示意圖如圖6 所示。

圖5 智能刀補方案

圖6 刀補數據處理示意圖

四、結論

在線測量技術在自動化、智能制造生產中的應用，可以減少生產中間環節、縮短生產輔助時間、減輕操作人員勞動強度以及提高生產效率，并可以根據不同檢測需求選擇高節拍的專機檢測方案或柔性在線三坐標測量方案。海克斯康制造智能的在線閉環反饋加工補償方案的應用，可以通過在機對刀儀、智能刀補方案對機床的刀具磨損、熱形變和機器漂移等因素引起的綜合誤差進行有效補償，方案可改進工具利用率、減少機器停機時間、提高零件質量和加工效率，以及確保零件加工質量的連續性；在線閉環反饋加工補償方案安全地監控自動制造監控和反饋回路的相關生產參數，并在整個生產過程中提供可追溯性，且方案具有反饋和調整加工過程的能力，可通過質量數據的回饋影響和優化生產流程；海克斯康制造智能的在線閉環反饋加工補償方案的閉環反饋技術的應用成為全球首例智能閉環技術的踐行者，并成為“中國制造2025”在線檢測技術發展的引領者。