基于數控銑床加工過程實時檢測系統的研究與應用

周智人 王重慶 張威

摘 要：本項目在不改變原機床結構的情況下，只需增加價格不高、結構簡單的光電檢測環節，即可實現實時檢測功能。在結構上簡單可行、經濟上投資少，將數控機床的高加工精度和高位移精度有機結合，從而實現產品的加工、檢測環節的自動化，在大大提高產品生產效率的同時，減少對勞動力的需求，節約生產成本。而且隨著科學技術的日益發展，數控機床精度不斷提高，檢測精度也將隨之提高，此項目開發后將應用到柔性制造系統中，在很大程度上可代替三坐標測量儀，縮短產品檢測運輸環節的時間，在生產過程中隨時檢測，操作方便，具有可觀的經濟效益和發展前景。

關鍵詞：光電檢測裝置;數控系統;柔性制造系統;遠程控制

中圖分類號：TG547 ? ? ? ?文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.03.001

隨著科技的發展和制造工藝的進步，以及消費者對產品多樣化需求的增長，企業為了能夠在日益激烈的市場競爭中得以生存和發展，生產規模已由過去的單一品種大批量生產向多品種小批量的生產方式轉變，而高效柔性的數控機床能夠很好地滿足這種多品種變批量生產方式的要求。數控技術極大地推動了計算機輔助設計、計算機輔助制造、柔性制造系統、計算機集成制造系統、虛擬制造系統和敏捷制造的發展，并為綠色加工打下了基礎。數控機床正逐漸成為機械工業技術改造的首選設備。

另一方面，現代加工中，產品的質量控制和質量管理也是企業生產的重要環節。本項目在柔性制造系統數控銑床零件加工過程中加入了零件檢測環節，通過該系統自動完成對零件的加工、檢測并統計零件的加工件數、合格件數及廢品率等有關生產管理信息。

在本項目研究前期的工作中，指導教師一直從事數控機床的研究及指導學生實訓工作，同時對數控機床硬件及操作系統方面進行了深入細致的研究，這為本項目研究奠定了堅實的理論基礎和完備的試驗條件。

項目組調研、了解、收集國內外現有的研究，征求有關專家的意見，提出了基于數控銑床加工過程實時檢測系統的研究目標。

1 工藝系統精度誤差分析及對銑削加工影響

銑削加工的工藝系統，在自身制造質量和不同切削條件下，都會產生誤差，其中，銑床本身的幾何精度誤差是產生誤差的主要根源，其次是銑刀誤差、夾具誤差、測量誤差、回轉部位的調整誤差以及銑床附件誤差等。銑削中，這些誤差都會直接反映到被切削表面上去，也正是由于工藝系統存在著各種原始誤差，才使得工件銑削表面的尺寸、形狀和位置發生變化，導致加工誤差的產生。誤差主要分為工藝系統的誤差和銑床精度誤差兩類。

2 實時檢測系統

保證零件的加工質量是切削加工中最重要的任務之一。經過上面對工藝系統加工過程各種誤差及其影響的分析，現在我們有針對性地提出具有可行性方案。

由于本項目是機械、電氣、計算機等領域相結合的一項研究，需要設計、加工光電檢測裝置并安裝到數控銑床上，并將檢測結果顯示到操作面板上以便實現實時檢測。

項目設計思路主要有以下幾個方面：

（1）設計并制作光電檢測裝置，用于零件檢測;

（2）檢測過程與數控系統互聯，并將檢測結果顯示到數控銑床操作面板上;

（3）通過PMC將檢測過程與數控系統鏈接。

擬解決的關鍵問題為：怎樣使檢測裝置達到較高精度。

3 實時檢測系統的設計及試驗

3.1 光電檢測裝置的設計

設計制作一個光電檢測裝置如圖1所示，將其裝夾到刀柄并安裝到數控銑床主軸上，從而形成一個尺寸檢測系統，如圖2所示。

光電檢測裝置原理：光電檢測裝置擁有獨立電源，柄部與測量頭用絕緣體斷開，中間安裝一個發光發聲器，當檢測頭接觸金屬工件時形成回路，發光發聲器發光報警。

3.2 光電檢測裝置的初步試驗以及數據的測量及采集

（1）將機床調到手輪狀態，通過手輪調整，將檢測頭接近工件左側，觀察快要接近工件時，將手輪調到微調，直至光電檢測裝置發光為止，這時將X尺寸歸零，即 X相對坐標為0000。

（2）調整手輪，檢測頭接近工件右側，直至指示燈發光為止，即X相對坐標為測量結果。

測量結束系統自動采集當前X坐標，并減去測量頭直徑D，即為工件實際尺寸，然后進行運算并判斷工件是否合格以及能否再次加工。

3.3 檢測結果

通過PMC程序，檢測結果顯示到操作面板上，如圖3所示。

4 產品實用性分析

該產品可用于單件小批量生產及首件試切的檢測環節，可避免量具手動檢測產生的誤差，在不卸載工件的情況下檢測，又避免了二次裝夾產生的裝夾及定位誤差，可在X、Y、Z三個方向對工件進行精密檢測。在大批量生產中也可以作為零件定期檢測環節，由于刀具磨損或刀尖積削瘤等情況的產生，使工件尺寸發生變化，通過檢測可以判斷出零件是否合格，如有問題及時調整，通過改變刀補、磨耗、更換刀具等方式，進行補救，可減少工件的廢品率。避免在批量生產中，由于上述問題的出現，導致大量廢品的產生。對于大型零件的檢測，也可將其應用到數控龍門銑床上，更能節省量具成本。

參考文獻：

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