數(shù)控加工中在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)

房明

（白銀礦冶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅省白銀市 730900）

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)日漸發(fā)展的今天，人們對(duì)機(jī)械產(chǎn)品等的質(zhì)量要求日漸提高，為提升生產(chǎn)質(zhì)量，很多生產(chǎn)企業(yè)都建立了數(shù)控加工生產(chǎn)線(xiàn)，不僅提升了生產(chǎn)效率，更保障了生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)品精度，給企業(yè)創(chuàng)造了巨大的效益。但數(shù)控加工領(lǐng)域，在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用非常關(guān)鍵，很多建立了數(shù)控加工線(xiàn)的企業(yè)，在當(dāng)下都致力于在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新和研發(fā)，計(jì)算機(jī)集成技術(shù)等的出現(xiàn)，給在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路，相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)要通過(guò)先進(jìn)在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，來(lái)提升數(shù)控加工的整體水平。

1 測(cè)量技術(shù)的發(fā)展

在生產(chǎn)領(lǐng)域，測(cè)量技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)，在長(zhǎng)期的生產(chǎn)技術(shù)變革中，測(cè)量技術(shù)呈現(xiàn)出靜態(tài)化的特征，其測(cè)量對(duì)象在一定的時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)出靜態(tài)化的特征，或者即使存在變化也僅僅是極其微小的變化，為離線(xiàn)狀態(tài)下的測(cè)量。因此，這種離線(xiàn)測(cè)量技術(shù)下，更適用于原材料、零部件和成本的測(cè)量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全過(guò)程、動(dòng)態(tài)化的測(cè)量。如果各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)能夠在加工生產(chǎn)過(guò)程中在生產(chǎn)線(xiàn)、加工中心實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的測(cè)量，也就是變離線(xiàn)測(cè)量為在線(xiàn)測(cè)量，使得生產(chǎn)過(guò)程中的總體消耗和成本都得以降低，在產(chǎn)量提高的同時(shí)增加效益，提升在同類(lèi)型企業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)水平[1]。因此，在線(xiàn)測(cè)量作為動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵，可以有效實(shí)現(xiàn)全過(guò)程跟蹤監(jiān)測(cè)，及時(shí)幫助生產(chǎn)企業(yè)識(shí)別和診斷各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)和故障，促進(jìn)生產(chǎn)的高效實(shí)施。

測(cè)量技術(shù)在當(dāng)下的技術(shù)條件下已然呈現(xiàn)出現(xiàn)代化的特征，現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，使得在測(cè)量系統(tǒng)、被測(cè)系統(tǒng)和環(huán)境之間的互相配合下，被測(cè)系統(tǒng)和要素都得到了全過(guò)程的監(jiān)測(cè)。根據(jù)當(dāng)下測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，電子技術(shù)和集成電路工業(yè)等是帶動(dòng)測(cè)量技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，將敏感元件與調(diào)節(jié)電路集中于一體的傳感器，使得集成電路技術(shù)在測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用作用越來(lái)越突出。傳感器構(gòu)成復(fù)雜，計(jì)算裝置僅僅是其中的一個(gè)部分，在傳感器的信息采集中，也就可以同步進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，進(jìn)而來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差的修正，兼具誤差修正、環(huán)境適應(yīng)補(bǔ)償和自診斷的功能，保持與數(shù)字計(jì)算機(jī)的高效通訊，使得測(cè)量技術(shù)能夠在傳感器的輔助下，實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的實(shí)時(shí)傳輸和指令發(fā)送、執(zhí)行。在技術(shù)快速發(fā)展的過(guò)程中，專(zhuān)用集成電路在測(cè)量技術(shù)中已經(jīng)成為了關(guān)鍵性的配備，有效提高了測(cè)量結(jié)果可靠性。市場(chǎng)上的一些專(zhuān)有測(cè)量?jī)x器中，同樣有著數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，比如，系統(tǒng)辨識(shí)和模式識(shí)別，使得測(cè)量過(guò)程中的信息處理更具智能化，當(dāng)前及未來(lái)的發(fā)展中，人工智能勢(shì)必成為關(guān)鍵性的技術(shù)。

2 在線(xiàn)測(cè)量的基本環(huán)節(jié)

數(shù)控加工中的在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用，關(guān)鍵是要發(fā)揮測(cè)量系統(tǒng)的作用，測(cè)量系統(tǒng)為完成某一種或者多種測(cè)量工作中所涉及的全部?jī)x器設(shè)備的綜合，有時(shí)測(cè)量系統(tǒng)僅僅為一臺(tái)儀器，有時(shí)為一體機(jī)械加工裝備中的基本構(gòu)成，具體的測(cè)量工作進(jìn)行時(shí)，在測(cè)量過(guò)程中，測(cè)量系統(tǒng)可以在一定的誤差范圍內(nèi)幫助人們準(zhǔn)確了解關(guān)于被測(cè)對(duì)象的相關(guān)量值。

在數(shù)控加工中，測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量工作是通過(guò)對(duì)相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)采集，來(lái)進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的進(jìn)一步處理，結(jié)合總體的目標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成復(fù)雜，包含了傳感器、信號(hào)適調(diào)電路、微機(jī)信號(hào)處理和自動(dòng)控制電路，測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行中，傳感器作為系統(tǒng)輸入端而存在，負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)和信息的采集，可以在數(shù)據(jù)信息采集的過(guò)程中獲得關(guān)于被測(cè)對(duì)象的原始數(shù)據(jù)；信號(hào)適調(diào)為系統(tǒng)中的適調(diào)處理裝置，負(fù)責(zé)的前期傳感器所采集信號(hào)的前置放大和適調(diào)，在經(jīng)由這一處理流程以后，也就形成了與微機(jī)處理要求相一致的數(shù)據(jù)形式；信號(hào)處理是對(duì)前期失調(diào)部分的輸出信號(hào)加以存儲(chǔ)、比較、運(yùn)算的過(guò)程，根據(jù)最終的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，來(lái)精準(zhǔn)進(jìn)行零件加工精度的評(píng)定，必要情況下向控制裝置進(jìn)行控制信號(hào)和指令的發(fā)送；控制部分是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中的輸出端，可直接進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)和結(jié)果的顯示[2]。

表1：非接觸式探頭與接觸式測(cè)頭對(duì)比

圖1：在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

3 機(jī)床在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

根據(jù)當(dāng)下數(shù)控加工中的在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，主要包含了工件測(cè)量和刀具測(cè)量?jī)煞N，二者的工作原理有著極高的相似度，但在具體的測(cè)量工作開(kāi)展時(shí)，所選用的測(cè)量設(shè)備卻有著明顯的區(qū)別，其中，工件測(cè)量設(shè)備和刀具測(cè)量設(shè)備分別統(tǒng)稱(chēng)為測(cè)頭、對(duì)刀儀。

工件測(cè)量工作開(kāi)展的過(guò)程中，為使得測(cè)量工作能夠順利實(shí)施，一般包含了機(jī)床加工程序運(yùn)行之前的工件確認(rèn)、程序運(yùn)行中的尺寸監(jiān)測(cè)、加工結(jié)束后的尺寸驗(yàn)收。在工件加工的過(guò)程中，首先將工件放入機(jī)床中，當(dāng)夾具夾緊以后，利用專(zhuān)有測(cè)頭對(duì)工件位置加以精準(zhǔn)測(cè)量，這一測(cè)量工作實(shí)施中，也就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工件定位中的誤差補(bǔ)償，提升整體的加工精度。測(cè)量工作實(shí)施中，專(zhuān)有測(cè)頭負(fù)責(zé)對(duì)工件加工尺寸的測(cè)量，這一測(cè)量技術(shù)應(yīng)用中，整體的測(cè)量流程復(fù)雜且需要投入較高的成本，在精密磨床、拋光機(jī)的在線(xiàn)尺寸控制中非常有效[3]。當(dāng)工件加工作業(yè)全部結(jié)束以后，再由測(cè)頭來(lái)進(jìn)行加工部位的測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果來(lái)進(jìn)行加工尺寸的有效判定，如果加工尺寸不符合相應(yīng)的加工設(shè)計(jì)要求，機(jī)床相應(yīng)模塊就會(huì)立即發(fā)送相應(yīng)的警報(bào)，快速進(jìn)行相應(yīng)問(wèn)題的處理。

刀具測(cè)量在機(jī)床新刀具的刀長(zhǎng)刀徑測(cè)量、斷刀測(cè)量方面都非常有效，當(dāng)在數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)過(guò)程中，一旦更換了新的刀具，為完成相應(yīng)的測(cè)量工作，就可以借助于對(duì)刀儀來(lái)負(fù)責(zé)測(cè)量工作，并將所掌握到的測(cè)量數(shù)據(jù)在刀具表中記錄下來(lái)。與傳統(tǒng)的離線(xiàn)刀具測(cè)量中數(shù)據(jù)手動(dòng)輸入的模式相比，自動(dòng)對(duì)刀模式下，能夠?qū)Φ毒叩陌惭b誤差加以科學(xué)補(bǔ)償，并減少在操作方面的輸入問(wèn)題，不僅可以使得在數(shù)控加工過(guò)程中的加工精度得以提升，更可以起到對(duì)撞刀現(xiàn)象的預(yù)防。在刀具加工作業(yè)全面結(jié)束并放回刀庫(kù)之前，同樣需借助于對(duì)刀儀來(lái)負(fù)責(zé)進(jìn)行刀具折斷現(xiàn)象的檢查，一旦發(fā)現(xiàn)了存在斷刀現(xiàn)象，機(jī)床會(huì)立即發(fā)送報(bào)警信號(hào)并停止加工作業(yè)。

4 在線(xiàn)測(cè)量的系統(tǒng)組成

在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)在應(yīng)用中，關(guān)鍵是要進(jìn)行數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)和加工平臺(tái)的建設(shè)，當(dāng)下在信息技術(shù)日漸發(fā)展的今天，專(zhuān)家學(xué)者逐步開(kāi)發(fā)出了接觸式在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)已然被應(yīng)用到了一些數(shù)控加工企業(yè)。

從宏觀性角度分析，硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)是其中的關(guān)鍵構(gòu)成，在相應(yīng)的控制模塊下，也就保持了軟硬件之間的可靠連接，再進(jìn)一步細(xì)分以后，硬件系統(tǒng)主要為數(shù)控機(jī)床的機(jī)械系統(tǒng)和附屬系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)為數(shù)控編程模塊、后置處理軟件。數(shù)控加工系統(tǒng)與在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成部分和運(yùn)行原理都有著高度的相似下，以接觸式在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是在數(shù)控編程軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行的，充分整合了數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)，軟硬件系統(tǒng)經(jīng)由控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)的可靠連接，使得該系統(tǒng)能夠在數(shù)控加工測(cè)量中保障數(shù)據(jù)的采集和處理，也就提升了測(cè)量精度[4]。在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

5 數(shù)控機(jī)床在線(xiàn)檢測(cè)過(guò)程

數(shù)控機(jī)床的在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行中，測(cè)頭系統(tǒng)作為其中的關(guān)鍵構(gòu)成部分，其對(duì)于測(cè)量精度的影響十分直接。在當(dāng)下的數(shù)控加工領(lǐng)域，無(wú)論是各個(gè)工件的加工還是測(cè)量，幾乎都配備的是觸發(fā)式測(cè)頭，此類(lèi)測(cè)頭相對(duì)特殊，非接觸式測(cè)頭與接觸式測(cè)頭的對(duì)比如表1所示。在開(kāi)展測(cè)量工作時(shí)，該測(cè)頭可以根據(jù)其所掌握到的相關(guān)信息和數(shù)據(jù)來(lái)給系統(tǒng)提供對(duì)應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)，并將該信號(hào)直接傳輸于數(shù)控系統(tǒng)中，獲取對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)信息[5]。經(jīng)由相關(guān)程序的中斷，也就可以進(jìn)行相應(yīng)的指令發(fā)送，當(dāng)測(cè)頭與空間直接接觸以后，系統(tǒng)中的相應(yīng)模塊就會(huì)立即向數(shù)控機(jī)床發(fā)出指令中斷請(qǐng)求，當(dāng)接收到中斷信號(hào)后，經(jīng)由定位系統(tǒng)，坐標(biāo)值獲得更為便捷，定位精度高。與其他的系統(tǒng)相比，這一在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度更高，且系統(tǒng)的構(gòu)成簡(jiǎn)單，操作便捷，未來(lái)具有更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

6 規(guī)劃好檢測(cè)路徑

在數(shù)控機(jī)床加工中的在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用中，重點(diǎn)是要進(jìn)行檢測(cè)路徑的科學(xué)規(guī)劃，以通過(guò)路徑規(guī)劃來(lái)保障測(cè)量工作的順利實(shí)施。在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)下，采樣是測(cè)量的首要環(huán)節(jié)，為獲得更為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，在采樣過(guò)程中需對(duì)采樣點(diǎn)的數(shù)量和分布情況加以科學(xué)控制。事實(shí)上，就當(dāng)下的數(shù)控加工測(cè)量現(xiàn)狀而言，全部采樣的目標(biāo)并不能實(shí)現(xiàn)，為最大程度上減小測(cè)量誤差，專(zhuān)業(yè)測(cè)量人員可以通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，整體的測(cè)量效率更高[6]。因此，為全面推進(jìn)測(cè)量工作的順利實(shí)施，需進(jìn)行檢測(cè)路徑的科學(xué)規(guī)劃，使得檢測(cè)路徑可以在順利完成測(cè)量任務(wù)的基礎(chǔ)上達(dá)到高效測(cè)量的目標(biāo)。

7 對(duì)于在線(xiàn)檢測(cè)過(guò)程當(dāng)中所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行分析

數(shù)控加工在線(xiàn)測(cè)量的過(guò)程中，常常會(huì)受到各種因素的影響而出現(xiàn)測(cè)量誤差，測(cè)量誤差的出現(xiàn)可能會(huì)最終影響相應(yīng)的判定。因此，在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用中，要重視各種測(cè)量誤差的分析和預(yù)防，盡可能采取必要的控制措施，來(lái)將測(cè)量結(jié)果與實(shí)際的偏差控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，誤差控制中，首先應(yīng)針對(duì)誤差類(lèi)型和可能引發(fā)誤差的原因展開(kāi)詳細(xì)的分析，在測(cè)量數(shù)據(jù)的處理過(guò)程中，適當(dāng)補(bǔ)償測(cè)頭半徑。因?yàn)樵趯?shí)際的測(cè)量工作中常常會(huì)面臨很多的復(fù)雜性問(wèn)題，為提高測(cè)量結(jié)果可靠性，需通過(guò)多次測(cè)量取平均值的方式、誤差補(bǔ)償?shù)确绞絹?lái)減小誤差。

8 數(shù)控加工-在線(xiàn)測(cè)量效率分析

以某數(shù)控加工企業(yè)為例，該企業(yè)在開(kāi)展數(shù)控加工的過(guò)程中，采用的就是接觸式在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)在測(cè)量過(guò)程中取得了理想的效果，給數(shù)控加工工藝的改進(jìn)和優(yōu)化提供了切實(shí)的保障，提升了產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。選擇該企業(yè)中的鈑金件數(shù)控加工輪廓、真空吸附裝夾作為測(cè)量對(duì)象，經(jīng)由在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)控加工全過(guò)程的實(shí)時(shí)跟蹤和監(jiān)測(cè)，也就大大提升了生產(chǎn)效率[7]。當(dāng)零件基本的檢測(cè)要求和測(cè)量穩(wěn)定性都符合時(shí)，測(cè)量和加工都更為有效，在規(guī)模化和批量化生產(chǎn)的過(guò)程中，在線(xiàn)測(cè)量速率相對(duì)較高，這些情況表面加工-在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)十分有效，無(wú)論是測(cè)量技術(shù)還是測(cè)量效率，都表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)。

如果直接在生產(chǎn)的過(guò)程中借助于數(shù)控機(jī)床來(lái)完成在線(xiàn)測(cè)量，因?yàn)閿?shù)控機(jī)床負(fù)責(zé)部分的在線(xiàn)測(cè)量，也就影響了數(shù)控機(jī)床的正常加工，導(dǎo)致機(jī)床的總體生產(chǎn)能力顯著降低。在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)可以改善這一局面，即使是十分復(fù)雜的生產(chǎn)工序或者多次測(cè)量工作中，在線(xiàn)測(cè)量也比離線(xiàn)測(cè)量更為有效，在保持了正常的數(shù)控加工條件下，也保障了加工質(zhì)量，產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量顯著提升。未來(lái)的很多數(shù)控加工中，都可以借鑒這一在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)流程的適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化。

9 在線(xiàn)測(cè)量發(fā)展的趨勢(shì)

現(xiàn)階段的很多產(chǎn)品生產(chǎn)中，幾乎都實(shí)現(xiàn)了數(shù)控加工生產(chǎn)，雖然數(shù)控加工生產(chǎn)下的生產(chǎn)效率和質(zhì)量都有所提高，但在整個(gè)的生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行中，受到各種因素的影響，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)一定的生產(chǎn)問(wèn)題，當(dāng)數(shù)控加工中出現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題以后，勢(shì)必會(huì)使得企業(yè)蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)已然成為了數(shù)控加工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，經(jīng)由在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用，也就可以幫助生產(chǎn)企業(yè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)控加工中的各種問(wèn)題，并及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的處理，避免了數(shù)控加工中產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，提高了加工精度。數(shù)控加工中的在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用，使得在測(cè)量過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)部分功能的利用，測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量工作，也就可以快速進(jìn)行相應(yīng)信息的反饋，也就可以快速進(jìn)行系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的修正，保持了數(shù)控機(jī)床中各個(gè)參數(shù)的合理性，保持了數(shù)控加工的可靠運(yùn)行，具有加工測(cè)量一體化特征。未來(lái)隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，在機(jī)床本身的加工精度和在線(xiàn)測(cè)量準(zhǔn)確度都顯著提升，有數(shù)控加工生產(chǎn)線(xiàn)的各個(gè)企業(yè)，在條件允許的情況下都應(yīng)該進(jìn)行高準(zhǔn)確度的自適應(yīng)誤差補(bǔ)償模型構(gòu)建，在數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)線(xiàn)內(nèi)形成具有坐標(biāo)測(cè)量功能的在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)。

10 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段的生產(chǎn)條件下，數(shù)控加工生產(chǎn)規(guī)模日漸擴(kuò)大，雖然這一加工工藝和技術(shù)日漸成熟，但因?yàn)楦鞣N因素的存在，產(chǎn)品質(zhì)量并不能完全保障，為提升數(shù)控加工生產(chǎn)質(zhì)量和效益，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的科學(xué)應(yīng)用，發(fā)揮在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)在誤差控制方面的作用。