數​控​機​床​在​線​檢​測​技​術

    數控機床是（shì）現代高科技發展的產（chǎn）物，每當一批零件開始加工時，有大量的檢測需要完成，包括夾具和零件（jiàn）的裝卡、找正（zhèng）、零件編程原點的測定（dìng）、首件零件的檢測、工序（xù）間檢測及加工完畢（bì）檢測等。目前完成這些檢測（cè）工作的主（zhǔ）要手（shǒu）段有手工檢測、離線檢測和在線檢測。在線檢測也稱實時檢測，是在加工的過程中實（shí）時對刀具進行檢測，並依據檢測的結果做出相應的處理。在線檢測是一種（zhǒng）基於計算機自動控製的檢測技術，其檢測過程由數控程序來控製。閉環在線檢測的優點是：能夠保證數控機床（chuáng）精度，擴大（dà）數控機床功能，改善數控機床性能，提高數控機床效（xiào）率。
    1、數控機床在（zài）線檢測係統的組成
    數控機床（chuáng）在線檢測係統分為兩種，一種為直接調用基本宏程序（xù），而不用計算機輔助（zhù）；另一（yī）種則要自己開發宏程序庫，借助於計算機（jī）輔助編程係統（tǒng），隨時生成檢測程序，然（rán）後傳輸到數控係（xì）統中，係統結構（gòu）如圖（tú）1所示。
 
圖1 計算機輔助在線檢測係統（tǒng）組成
    數控機床的在線檢測係統由軟件和硬件組成。硬件部分通常由以下幾部分組成：
    (1) 機床本體
    機床本（běn）體是實現加工、檢測的基礎，其工作部件是實現所（suǒ）需基本運動的部件，它的（de）傳動部件的精度直接影響著加工（gōng）、檢測的精度。
    (2) 數控係統
    目（mù）前數控機床一般都采用CNC數控係（xì）統，其主要特點是輸入存儲、數控加工、插補運算（suàn）以及機床各種控製功能都通過程序來實現。計算（suàn）機與其他（tā）裝（zhuāng）置之間可通過（guò）接口設備（bèi）聯接，當控製對（duì）象（xiàng）或功能改變時，隻（zhī）需改變軟件和接口。CNC係統一般由（yóu）中央處理存（cún）儲器和輸入輸出接口組成，中央處理器又由（yóu）存儲器、運算器、控製器和總線組成。
    (3) 伺服係統
    伺（sì）服係統（tǒng）是數控機床的重要組成部分，用以實現數控機床（chuáng）的（de）進給位置伺服控製和主軸轉速(或位置)伺（sì）服控（kòng）製。伺服係統的性能是決定（dìng）機床加工精度（dù）、測量精度、表麵質量和生產效率的主要（yào）因素（sù）。
    (4) 測量係統
    測量係統有接觸觸發式測（cè）頭、信號傳輸係統和數據（jù）采集（jí）係統組成，是數控機床（chuáng）在線檢測（cè）係統的關鍵部分，直接影響著在線檢測的精度（dù）。其（qí）中關鍵部件為測頭，使用（yòng）測頭可在加工過程中進行尺（chǐ）寸測（cè）量，根據測量結果自動修改加工程序，改善加工精度，使得數控機床既是加工設（shè）備，又兼具測（cè）量機的某種功能。
    目前常用的雷尼紹測頭（tóu），是（shì）英國雷尼（ní）紹（shào）公司的產（chǎn）品，如圖2所（suǒ）示。它們（men）用於數控車床、加工中心，數控磨床、專機等大多數數控機床上。測頭按功能可分為工件檢測測頭和刀具測頭；按信號傳輸方式（shì）可分（fèn）為硬（yìng）線（xiàn）連接式、感應式、光學式和無線電式；按接（jiē）觸形式可分（fèn）為接觸測量和非接觸測量。用（yòng）戶可根據機床（chuáng）的具（jù）體型號選擇合適的配置。
漢默歐AMP40無（wú）線電測頭
    (5) 計算機係統
    在線檢測係統（tǒng）利用計算（suàn）機進行（háng）測量數據的采集和處理、檢測數控程序的生成、檢測過程（chéng）的仿真及與（yǔ）數控機床通信等功能。在線檢（jiǎn）測係（xì）統考（kǎo）慮（lǜ）到運行目前流行的Windows和（hé）CAD/CAM/CAPP/CAM以及VC++等軟件（jiàn），以及減少測量結果的分析和計算時間，一般采用Pentium級別以上的（de）計算機。
2、數控（kòng）機床在線（xiàn）檢測的工作原理
    實（shí）現數控機床的在線檢測時，首先要在計算機輔助編程係統上自動生成檢測主程序，將檢測主程（chéng）序由通信接口傳（chuán）輸給數控機床，通過（guò）G31跳步（bù）指令，使測頭按程序規定路徑運動，當測球接觸工件（jiàn）時發出觸發信號（hào），通過測頭與（yǔ）數控係統的專用接（jiē）口將觸發信號傳（chuán）到（dào）轉換器，並將觸發信號轉換後（hòu）傳給機床的控製係（xì）統，該點的坐標被記錄下來。信號被接收後，機床停止運動，測量點的坐標通過通信接口傳回計算機，然後進行下一個測量動作。上位機通過監測CNC係統返回（huí）的測（cè）量值，可對係統測量結（jié）果進（jìn）行計算補償及可視化等（děng）各項數（shù）據處理（lǐ）工作。測量典型幾何形狀時檢（jiǎn）測路徑的步驟（zhòu）為：
1. 確定零件的待測形狀特（tè）征幾何要素；
2. 確（què）定零件的待測精度（dù）特（tè）征；
3. 根據測量的形狀特征幾（jǐ）何要素和（hé）精度特征（zhēng），確定檢測點數及分布；
4. 根據測點數及分布形式建立數學計算公式；
5. 確定檢測零件的工件坐標係；
6. 根據檢測條件確定檢測路徑。
    3、數控機（jī）床在線檢測編程
    在線檢測技術的關（guān）鍵主要體現在檢測程序的編製上，檢側程序編製（zhì）質量的優劣（liè）直接影響到（dào）檢測效果。目（mù）前檢測軟件有商業化軟件和自主開發的軟件。商業化軟件如英國DELCAM公司新版本的PowerInspect，是一款開放的檢測軟件，不受測量設備的（de）限（xiàn）製，既可以（yǐ）在線檢測，也可以脫（tuō）機檢測。不僅（jǐn）提供在線檢測的（de）功能，還能（néng）夠在檢（jiǎn）測前針對讀取的（de）CAD模型進行檢測路徑的編程工（gōng）作，並（bìng）進行檢測（cè）的（de）仿真。隨後可以把編製好的程序傳輸給CNC檢測設備，進行（háng）自（zì）動檢測。又如雷尼紹公司基於PC機的在機檢測軟件OMV（on machine verification），該軟件專為數（shù）控機床配用係（xì）統而編寫，主要（yào）應用於：根（gēn）據原始CAD數據，檢測樣件、複雜零（líng）件及大型零（líng）件、多工序零件以及模具。
    自（zì）主開發軟（ruǎn）件的編程方式有（yǒu）：基於C、 C++、 VC++、 VB、 Delphi開發平台的在線檢測編程和基於CAD開發平（píng）台（tái）的在線檢測編程。基於VC++ 語言的在線檢測編程結構框圖如圖3所示。
 
圖3 基於VC++ 語言的在線檢測（cè）係統結構框圖
    檢測部分主（zhǔ）要模（mó）塊的（de）功（gōng）能如下：
    (1) 測量主程序自動生成模塊：主要完成零件待測信息的輸入，生成檢測主程序。
    (2) 誤差補償模塊：對測（cè）量過程中（zhōng）所產（chǎn）生的（de）誤差進行（háng）補償，提（tí）高測量精度。
    (3) 通信模（mó）塊：完成主程序與被（bèi）調用宏程序（xù）的發（fā）送及測量點坐標信息的接收。
    (4) 測量宏程序（xù）模塊：實現宏程序的管理和內部調用（yòng）。主模塊要實現對宏程序的查找（zhǎo）、增添、修改及（jí）刪除等操作。
    (5) 數據處理模塊：對測（cè）量點坐標進行補償，完成各種尺寸及精度計算。通（tōng）過打開測量結果（guǒ）數據文件，獲得測量點坐（zuò）標信息，經過相應的運算過程最終得到所測值。
    基於CAD開發平台的（de）在線檢測自（zì）動編程是采用AutoCAD作為係統集成開發平台，並采用ObjectARY作為二次開發工具，開發該係統可（kě）彌補CAD/CAM係統所欠缺（quē）的功能（néng），實現檢測程序的圖形化編製，即CAD在線（xiàn）檢測（cè）。
    4、數控機床在線檢（jiǎn）測係統仿真
    目前數控機床在線檢測借鑒於CAD/ CAM技術的發展思路可（kě）開發相應的在線檢測仿真係統。仿真係統以圖形化的方式（shì）再現數控機床在線檢測過（guò）程，可形象直觀地對檢（jiǎn）測路徑規劃（huá）進（jìn）行檢查，提前（qián）發現宏程序編製（zhì）中的（de）錯誤，以（yǐ）避免在真（zhēn）實檢測過（guò）程中對在線檢測係統所（suǒ）造成的破壞。
    以VC++作為係統（tǒng）開發工具，OpenGL 作為三（sān）維場景開發工具，按照麵向對象的（de）程序設計思想開發（fā）數（shù）控機床在線檢測仿真係統的過程（chéng）是：
    (1) 虛擬檢測環境的建立
    采用OpenGL 標準進行圖形處理（lǐ）工作。OpenGL 是一個圖形硬件的軟件接口，利用它可進行幾何建模、圖形變換、渲（xuàn）染、光照、材質（zhì）等多種操作，大部分對於圖形的底層（céng）處（chù）理工作都由一些專門的函數來處理（lǐ）。
    (2) 檢測信息的提取
    在線檢測（cè）仿真係統，必（bì）須在仿真過程中，如實地反映測量宏程序（xù）的每一條語句，即利（lì）用測量宏程序驅動檢測仿真過（guò）程的進程（chéng）。因而該仿真係統應具備完（wán）整的檢測信息（xī）提取能力（lì），能實現對測量程序的語法檢查，能實（shí）現相關的計算與判（pàn）斷，最為重（chóng）要的（de）是能夠提取出測頭的運動軌跡，以驅動測頭的（de）檢測仿（fǎng）真。
    (3) 虛擬（nǐ）測頭的驅動
    在線檢測係統是利用測（cè）頭與（yǔ）待測物體的碰撞來確定接（jiē）觸點（diǎn）的位（wèi）置信息的（de），因而檢測仿真必須逼真的再現這一（yī）過程，這也是整個仿真係統的核心問題。為保證測頭可靠（kào）地撞擊上待（dài）測物體，應使（shǐ）測（cè）頭檢測運動的最遠行程大（dà）於測（cè）頭到實際接觸（chù）點位置的距（jù）離，即實際接觸點位於測量起始點與測頭最遠行程點之間的直線段上。