數控機床在線檢測係統的組（zǔ）成（chéng）及編程原（yuán）理

    數控機床是現（xiàn）代高科技發展的產物，每當（dāng）一批零件開始加工時，有大（dà）量的（de）檢測需要完成，包括夾具和零件的（de）裝卡、找正、零件（jiàn）編程原點的測定、首（shǒu）件零件的檢測、工序間檢測及加工完畢檢測等。目前完成這些檢測工作的主要手段有（yǒu）手工檢測、離線檢測和在線檢測。在線檢測也稱實時（shí）檢測，是在加（jiā）工的過程（chéng）中（zhōng）實（shí）時（shí）對刀具進行（háng）檢測，並依據檢測的結果（guǒ）做出相應的處理。在線檢測是一種基於計算機自動控製的檢測技（jì）術，其檢測過程由數控程序（xù）來控製。閉環在線檢（jiǎn）測的優點是：能夠保證數（shù）控機床精度，擴大數控機床功能，改善數控機床性能，提高數控機床效率。

    1、數控機床在線檢測係統的組成

    數控機床在線檢測（cè）係統分為兩種（zhǒng），一種為直接（jiē）調用基本宏程序，而不用計算機輔助；另一種則要自己開發宏（hóng）程序庫，借助於計算（suàn）機輔助（zhù）編程係統，隨時生成檢測程序，然後傳輸到數（shù）控係統中。

    數（shù）控機床的在線檢測係統由軟件和硬件組成。硬（yìng）件部分通常由以下幾部分組成（chéng）：
    (1) 機床本體
    機床（chuáng）本（běn）體是實現加工、檢測的基礎，其（qí）工作部件是實現所需（xū）基本運動的（de）部件，它的傳（chuán）動（dòng）部件的（de）精度直接影響著加工、檢測的精度。
    (2) 數控係統（tǒng）
    目前數控機（jī）床一般都采用CNC數控係統，其主要特點是輸（shū）入存儲、數控加工、插補運算以及機床各種控製（zhì）功能都通過程序來實現。計算機與其他裝（zhuāng）置之間可通過接口（kǒu）設備聯接，當控製對象或功能改變時，隻需改變軟件和（hé）接（jiē）口。CNC係統一（yī）般由中央處理存儲器和（hé）輸入輸出接口組成，中央處理器又由存儲器、運（yùn）算器、控製器和總線組成。
    (3) 伺服係（xì）統
    伺服（fú）係統是數控機床的重要組成部分，用以實現（xiàn）數控機床的進給位（wèi）置伺服控製和主（zhǔ）軸轉速(或位置)伺服控製。伺服係統（tǒng）的性能是決定機床加工（gōng）精度、測量精度、表麵質量和生產效率的主要因素（sù）。
    (4) 測量係統
    測（cè）量係統有接觸觸發式測頭、信號傳輸係統（tǒng）和數據采集係統組成，是數控機床在線檢測係統的（de）關（guān）鍵（jiàn）部分，直接影響著在線檢測的精度。其中關鍵部件（jiàn）為測頭，使用測頭可在（zài）加工過（guò）程中進行尺寸測量，根據測量結果自（zì）動修改加工程序，改善加工精度，使得數控機床既是加工設備，又兼具（jù）測量機的某種功能。
    目前（qián）常用的雷尼紹測頭，是英國雷尼紹（shào）公司的產品，如圖2所示。它們用於數（shù）控車（chē）床、加工中心，數控（kòng）磨（mó）床、專機等大多數數（shù）控（kòng）機床上。測頭按功能（néng）可分為工（gōng）件檢測測頭和刀具測頭；按信號傳輸方式可分為硬線連接式、感（gǎn）應式、光學式和無線電式；按接觸形式可分為（wéi）接觸測量和非接觸測量。用戶可根據機床的具（jù）體型號選（xuǎn）擇（zé）合適的配置。
漢默歐AMP40無線（xiàn）電測頭
    (5) 計算機（jī）係統

    在線檢測係統利用計算機進行測量數據的采集和處理、檢測數（shù）控程序的生成、檢測過（guò）程的仿真及與數控機床通信等功能。在線檢測係統考慮到運行目前流行的Windows和CAD/CAM/CAPP/CAM以及VC++等軟件，以（yǐ）及減（jiǎn）少測量結果的分析和計算時（shí）間，一般采用Pentium級別以上的計（jì）算機。

2、數控（kòng）機床在線檢測的工作原理
    實現數控機床的在線檢測時，首先要在（zài）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（jiē）口傳輸給（gěi）數控機床，通過G31跳（tiào）步指（zhǐ）令，使測（cè）頭按程序規定路徑運動，當（dāng）測球接觸工件時發（fā）出觸（chù）發信號，通過測頭與數控係統的（de）專用（yòng）接口將觸發信號傳到轉換器，並將觸（chù）發信號轉換後傳給機床的（de）控製（zhì）係統，該點的坐標被記錄（lù）下來。信號被接（jiē）收後，機床停（tíng）止運動，測（cè）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（liàng）動作。上位機通過監測CNC係統返回的測量值，可對係統測量結果進行計算補（bǔ）償及可視（shì）化等各項數（shù）據（jù）處理工（gōng）作。測量典型幾何形狀時檢測路徑的步驟為：
1. 確定零件的待測形狀特征幾何要（yào）素；
2. 確定零件的待測精度特征；
3. 根據測（cè）量的形狀特征幾何要（yào）素和精度特征，確定檢測點數及分布；
4. 根據測（cè）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（shù）控機床在線檢測編程
    在線（xiàn）檢測技術的關鍵主要體現在檢測程序的編製上，檢側程序編製質量的優劣直接影（yǐng）響到檢測效果（guǒ）。目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（liàng）設（shè）備（bèi）的限製，既（jì）可以在線檢測（cè），也可以脫機（jī）檢測。不僅提供在線檢測的功能，還能夠在檢測前針對讀取的CAD模型進行（háng）檢測（cè）路徑的編程工（gōng）作，並（bìng）進行檢測的仿（fǎng）真。隨後可以把編製好的程序傳輸給CNC檢測設備，進行自動檢（jiǎn）測。又如雷尼紹公司基於PC機的在機檢測軟（ruǎn）件（jiàn）OMV（on machine verification），該（gāi）軟件專為數控機床配用係統而編寫，主要應用於：根據原始CAD數據，檢測樣件、複雜零件（jiàn）及大型零（líng）件（jiàn）、多工序零件以及模具。
    自主（zhǔ）開發軟件的編程方式有：基於C、 C++、 VC++、 VB、 Delphi開發平台的在線檢測編程和（hé）基於（yú）CAD開發平台的在線檢測編程。

    檢測部（bù）分主要模塊的功（gōng）能如（rú）下：
    (1) 測量主程序自動生成（chéng）模塊：主要完（wán）成零件待測信息的輸入，生成檢測主程序。
    (2) 誤差補償模塊：對測量過程中所產生的誤差進行補（bǔ）償，提高（gāo）測量（liàng）精度。
    (3) 通信模塊：完成主程序與（yǔ）被調用宏程（chéng）序（xù）的發送及測量點（diǎn）坐標信息的接收。
    (4) 測量宏（hóng）程序模塊：實現（xiàn）宏程序的管理和內部調（diào）用。主模塊要（yào）實現對宏程序的查找、增添、修改及刪除等操作（zuò）。
    (5) 數（shù）據處理模塊：對測量點坐標進行補償，完成各種尺寸及精度計算。通過打開測量（liàng）結果（guǒ）數據文件，獲得測量點坐標信（xìn）息，經過相應的運算過程最終得到所測（cè）值。
    基於CAD開（kāi）發平台的在線檢測自（zì）動編（biān）程是采用AutoCAD作為（wéi）係統集成開發（fā）平台，並采用ObjectARY作為二次開發工具，開（kāi）發該係統（tǒng）可彌補CAD/CAM係統所欠缺的功能，實（shí）現檢測程序的（de）圖（tú）形化編製，即CAD在線（xiàn）檢測。
    4、數控機床在（zài）線檢測係統仿真
    目前數控機床在線（xiàn）檢測借鑒於CAD/ CAM技術的發展（zhǎn）思路可開發相應的在（zài）線檢測仿（fǎng）真係統。仿真（zhēn）係統以圖形化的方式（shì）再現數控機床在線檢（jiǎn）測過程，可（kě）形象直觀地對檢測路徑規（guī）劃進行檢查，提前發現宏程序編製（zhì）中的錯誤，以避免在真（zhēn）實檢（jiǎn）測過程（chéng）中對在線檢測係統（tǒng）所造成的破壞。
    以VC++作為係統開發工具，OpenGL 作為（wéi）三維場（chǎng）景開發工具，按照麵向對象的程序設計思想開發數控機床在線（xiàn）檢測仿真係統的過程是：
    (1) 虛擬檢測環境（jìng）的建立
    采用OpenGL 標準進行圖形處理工（gōng）作。OpenGL 是一個圖形硬件（jiàn）的軟件接口，利用它可進行幾何（hé）建模、圖形變換、渲（xuàn）染、光照、材質等多種操作，大部分對於圖形的底層處理工作都由（yóu）一些專門的函數來處理。
    (2) 檢測信息的提取
    在線檢（jiǎn）測仿真係統，必須在仿真過程中，如實地反（fǎn）映測量宏程序的每一條語句，即利用測量宏程序驅動（dòng）檢測仿真過程的進程。因而該仿真係統應具備完整的（de）檢測信息提取（qǔ）能力，能實現對測量程序的語法檢查，能實現（xiàn）相（xiàng）關的計算與判斷，最為重（chóng）要的是能夠提取出測頭的運動軌跡，以驅動測頭的檢測仿真。
    (3) 虛擬測頭的驅動
    在線檢測係統是利用測頭與待測物體的碰撞來確定接觸點的位置信息的，因而檢測（cè）仿真必須逼真的再（zài）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（tóu）可靠（kào）地撞擊（jī）上待測物體，應使測頭檢測運動的最遠行（háng）程大於測頭到（dào）實際接觸點位置的距離（lí），即實際接觸點位於測量起始點與（yǔ）測頭最遠（yuǎn）行程點之間的直線（xiàn）段上。