數控機床在線檢測係統的組成及編程原理

    數控機床是現代高科技發展的產（chǎn）物，每當一批零件開始加工時（shí），有大（dà）量的檢測需要完成，包括夾具和零件的裝卡、找正、零件編程原點的測定、首件零件的檢測、工（gōng）序（xù）間檢測及加工完畢檢測等。目前完成（chéng）這些檢（jiǎn）測（cè）工作的主要（yào）手段有手工檢測、離線檢測和在線檢測。在線檢測也稱實時檢測（cè），是在加（jiā）工的過程中實時對刀具進行檢測，並依（yī）據檢測的結果做出（chū）相應（yīng）的處理（lǐ）。在線檢測是一種基於計算機自動（dòng）控製的檢測技術，其檢測過（guò）程由數控程序來控製。閉環在線（xiàn）檢測的優點是：能夠保證數控機床精度，擴大數控機床功能，改善數控機床性能（néng），提高數控機床效率。

    1、數控機（jī）床在線檢測係統的組成

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

    數控機床（chuáng）的在線檢測係統由軟件和硬件組（zǔ）成。硬件部分通常由（yóu）以下幾（jǐ）部（bù）分組成：
    (1) 機（jī）床本體
    機（jī）床本體是實現加工、檢測的基礎，其工作部件是實現所需基本運動的（de）部件，它（tā）的傳（chuán）動部件的精度直接影響著加工、檢測（cè）的精度。
    (2) 數控係統（tǒng）
    目前數控機床一般都采用CNC數控（kòng）係統，其主要特點是輸入存儲、數控（kòng）加工、插補運算以及機床各種控製功能都通過程序來實現。計算機（jī）與其他裝置之間可通過接（jiē）口設備聯接，當控製對象或功能改變時，隻需改變軟件和接口。CNC係統一般由中央處理存儲器和輸入輸出接口組成，中央處理器又由存儲器、運算器、控製器和總線組成。
    (3) 伺（sì）服（fú）係統
    伺服係統是（shì）數控機（jī）床的（de）重要組成部分，用以實現數控機床的進給位置伺服控製和主軸轉速(或位置)伺服控製。伺服係統的性能是決定機床加工精度（dù）、測（cè）量精度、表麵質量和生產效率的主要因素。
    (4) 測量（liàng）係統
    測量係統有接觸觸發式測（cè）頭、信（xìn）號傳輸係統（tǒng）和數據（jù）采集係統組成，是數控（kòng）機床在線檢測係統的關鍵（jiàn）部分，直接影（yǐng）響著在線檢測的精度。其中關鍵部件為測頭，使用測頭可在加工過程中進行（háng）尺（chǐ）寸測量（liàng），根據測量結果自動（dòng）修改加工程序，改善加工精度，使得數控機床既（jì）是加工設備，又兼（jiān）具測量機的某種功能。
    目前常（cháng）用的雷（léi）尼紹測頭，是英（yīng）國雷尼（ní）紹公司的產品，如圖2所示。它們（men）用於（yú）數控車床、加工中心，數（shù）控磨床、專機（jī）等（děng）大多數數控機床上。測頭按（àn）功能可分為工件檢測測頭和（hé）刀具測（cè）頭；按信號傳輸方式可分為硬線連接式、感應式、光學式和無線電式；按接觸（chù）形式可分為（wéi）接觸測量和非（fēi）接觸測量。用戶可（kě）根據（jù）機床的（de）具體型（xíng）號（hào）選擇合（hé）適的配置。
漢默歐AMP40無線電測頭
    (5) 計算機係統

    在（zài）線檢測係統利用計算機進行（háng）測量數據的采集和（hé）處（chù）理、檢測數控（kòng）程序的生成、檢測過（guò）程的仿真及與數控機（jī）床通信等功能（néng）。在線檢測係統考慮到運（yùn）行目前（qián）流行的Windows和CAD/CAM/CAPP/CAM以及VC++等軟（ruǎn）件，以（yǐ）及（jí）減少測量結果的分析和計算時（shí）間，一般采用Pentium級別以上（shàng）的計算機。

2、數控機床在線檢測的工作原理
    實現數（shù）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（jiǎn）測主程序，將檢測主程（chéng）序由通信接口傳輸給數控機床，通過G31跳步指令，使測（cè）頭按程序規定路徑運動，當測（cè）球（qiú）接觸工件時發出觸發（fā）信號，通過測頭與數控係統的專用接口將（jiāng）觸發信號傳（chuán）到轉換器，並將觸發信號轉換後傳給機床的控製係統，該點的坐標被記錄下來。信號被接收後（hòu），機床（chuáng）停止（zhǐ）運動，測量點（diǎn）的坐標通過通信接口傳回計算機，然後進行下一個（gè）測量動（dòng）作。上位機通過監測（cè）CNC係統返（fǎn）回的測量值，可對係（xì）統測量結果進（jìn）行計算補償及可視化等各（gè）項數據處理工作。測量典型幾何形狀時檢測路徑的步驟為：
1. 確定零件的（de）待（dài）測（cè）形狀特征幾何要素；
2. 確定零件的待測精度特征；
3. 根據測量的形狀特征（zhēng）幾何要素和精度特征，確定檢測點數及分布（bù）；
4. 根據測點數及分布形式建立數學計算公式（shì）；
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（jìng）。

    3、數控機床在線檢測編程
    在線檢測技（jì）術的關鍵主要（yào）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響到（dào）檢測效果。目前檢（jiǎn）測軟件有商業化軟件和自（zì）主開發（fā）的軟件。商（shāng）業化軟件如英國DELCAM公司新（xīn）版本的PowerInspect，是一款開放的檢（jiǎn）測軟件，不受測量設備的限製，既可以在線（xiàn）檢測（cè），也可以脫機檢測。不僅提供在線（xiàn）檢測的功能，還能夠在檢測前針對讀（dú）取的（de）CAD模型（xíng）進行檢測路徑的（de）編（biān）程工作，並進行檢測的仿真。隨後可以（yǐ）把編製好的程序傳輸給CNC檢測設（shè）備（bèi），進行自動檢（jiǎn）測。又如雷尼紹公司（sī）基於（yú）PC機的在機檢測軟件OMV（on machine verification），該軟件專為數控機床配用係統而編寫，主要應用（yòng）於：根據原始CAD數據，檢測樣件、複雜零件及大型（xíng）零件、多工序零件以及模具。
    自主開發軟件（jiàn）的編（biān）程方式有：基（jī）於C、 C++、 VC++、 VB、 Delphi開發平台的在線檢測編程和（hé）基於CAD開發平台的在線檢測編程。

    檢測部分（fèn）主要模塊的功能如下（xià）：
    (1) 測量主程序自動生成（chéng）模塊：主要完成零件待（dài）測信息的輸入，生成（chéng）檢測（cè）主程序（xù）。
    (2) 誤差補償（cháng）模塊：對測量過（guò）程中所產（chǎn）生的誤差進行補償，提高測量精度。
    (3) 通信模塊：完成（chéng）主程序與被調用宏程序的發（fā）送及測量點坐（zuò）標（biāo）信息的接收。
    (4) 測（cè）量宏程序模塊：實現宏程序的管理和內部調用。主模塊要實（shí）現對宏程序的查找、增添、修改及刪除等操（cāo）作。
    (5) 數據（jù）處理模（mó）塊：對測量點坐標進行補償（cháng），完成各種（zhǒng）尺寸及精度計算。通過打開測量結果數據文件（jiàn），獲得測量點坐標信息，經過相應的（de）運算過程最終得到所測值。
    基於CAD開發平（píng）台（tái）的在線檢測自動編程是采用AutoCAD作為係統集成開發平台（tái），並采用ObjectARY作為二次開發工（gōng）具，開發該係統可彌補CAD/CAM係統所欠缺的（de）功能（néng），實現檢測程序的圖形化編製，即CAD在線檢測。
    4、數控機床在線檢測係統仿真
    目前數控機床在線（xiàn）檢測（cè）借鑒於CAD/ CAM技（jì）術的發展（zhǎn）思路可開發相應的在線檢測（cè）仿真係統。仿真係統以圖形化的方式再現數控機床在線檢測過程，可形象直觀地對檢測路徑規劃進行檢查，提前發現宏程序編製中的錯（cuò）誤，以（yǐ）避（bì）免在真實檢測過程中對在線檢（jiǎn）測係統（tǒng）所造成的破壞。
    以VC++作為（wéi）係統開發工具，OpenGL 作為三維場景開發（fā）工具，按照麵向對象的程序設計思想（xiǎng）開發（fā）數控機床在線檢測仿真係統的過（guò）程是：
    (1) 虛擬檢測環境的（de）建立
    采用OpenGL 標準進行圖形處理工作。OpenGL 是一個圖形硬件的軟件接口（kǒu），利（lì）用它可（kě）進行幾何建模、圖形（xíng）變換、渲染、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一些（xiē）專門的函數來處理。
    (2) 檢測信息的提取
    在（zài）線檢測仿真係統，必須在仿真過程中，如實地反映測量宏程序的每一條語句，即利用測（cè）量宏程序驅動檢測仿真過程的進程。因而該仿真係統應（yīng）具備完整的檢測信息提取能力，能實現對測量程序的（de）語法（fǎ）檢查，能實（shí）現相關的計算與判斷，最為重要的是能夠提（tí）取（qǔ）出測頭的運動軌跡，以驅動測頭（tóu）的檢測仿真。
    (3) 虛擬測頭的驅動
    在線（xiàn）檢（jiǎn）測係統是利用測頭與待測物體的碰撞來（lái）確定接觸點的位置信息的，因而檢測仿真必須逼真的再現（xiàn）這一過程，這也是整個仿真係統的核心問題。為保證測頭可靠地撞擊上待測物體（tǐ），應使測頭檢測運動的最遠行程大於（yú）測頭（tóu）到實際接觸點位置的距離（lí），即實際接觸點位於測（cè）量起始點與測頭最（zuì）遠行程點之間的直線段上（shàng）。