本文對(duì)數(shù)控加工在線檢測(cè)系統(tǒng)的組成、工作原理、編程方式及仿真等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。文章中的許多內(nèi)容都是些概要性的解釋，對(duì)大家了解該領(lǐng)域的技術(shù)內(nèi)容很有幫助。
數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代高科技發(fā)展的產(chǎn)物，每當(dāng)一批零件開(kāi)始加工時(shí)，有大量的檢測(cè)需要完成，包括夾具和零件的裝卡、找正、零件編程原點(diǎn)的測(cè)定、首件零件的檢測(cè)、工序間檢測(cè)及加工完畢檢測(cè)等。目前完成這些檢測(cè)工作的主要手段有手工檢測(cè)、離線檢測(cè)和在線檢測(cè)。在線檢測(cè)也稱實(shí)時(shí)檢測(cè)，是在加工的過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)刀具進(jìn)行檢測(cè)，并依據(jù)檢測(cè)的結(jié)果做出相應(yīng)的處理。在線檢測(cè)是一種基于計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的檢測(cè)技術(shù)，其檢測(cè)過(guò)程由數(shù)控程序來(lái)控制。閉環(huán)在線檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是：能夠保證數(shù)控機(jī)床精度，擴(kuò)大數(shù)控機(jī)床功能，改善數(shù)控機(jī)床性能，提高數(shù)控機(jī)床效率。
1、數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)的組成
數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)分為兩種，一種為直接調(diào)用基本宏程序，而不用計(jì)算機(jī)輔助；另一種則要自己開(kāi)發(fā)宏程序庫(kù)，借助于計(jì)算機(jī)輔助編程系統(tǒng)，隨時(shí)生成檢測(cè)程序，然后傳輸?shù)綌?shù)控系統(tǒng)中。
數(shù)控機(jī)床的在線檢測(cè)系統(tǒng)由軟件和硬件組成。硬件部分通常由以下幾部分組成：
(1) 機(jī)床本體
機(jī)床本體是實(shí)現(xiàn)加工、檢測(cè)的基礎(chǔ)，其工作部件是實(shí)現(xiàn)所需基本運(yùn)動(dòng)的部件，它的傳動(dòng)部件的精度直接影響著加工、檢測(cè)的精度。
(2) 數(shù)控系統(tǒng)
目前數(shù)控機(jī)床一般都采用CNC數(shù)控系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是輸入存儲(chǔ)、數(shù)控加工、插補(bǔ)運(yùn)算以及機(jī)床各種控制功能都通過(guò)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)與其他裝置之間可通過(guò)接口設(shè)備聯(lián)接，當(dāng)控制對(duì)象或功能改變時(shí)，只需改變軟件和接口。CNC系統(tǒng)一般由中央處理存儲(chǔ)器和輸入輸出接口組成，中央處理器又由存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器和總線組成。
(3) 伺服系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給位置伺服控制和主軸轉(zhuǎn)速(或位置)伺服控制。伺服系統(tǒng)的性能是決定機(jī)床加工精度、測(cè)量精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率的主要因素。
(4) 測(cè)量系統(tǒng)
測(cè)量系統(tǒng)有接觸觸發(fā)式測(cè)頭、信號(hào)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，是數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，直接影響著在線檢測(cè)的精度。其中關(guān)鍵部件為測(cè)頭，使用測(cè)頭可在加工過(guò)程中進(jìn)行尺寸測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果自動(dòng)修改加工程序，改善加工精度，使得數(shù)控機(jī)床既是加工設(shè)備，又兼具測(cè)量機(jī)的某種功能。
目前常用的雷尼紹測(cè)頭，是英國(guó)雷尼紹公司的產(chǎn)品，如圖2所示。它們用于數(shù)控車床、加工中心，數(shù)控磨床、專機(jī)等大多數(shù)數(shù)控機(jī)床上。測(cè)頭按功能可分為工件檢測(cè)測(cè)頭和刀具測(cè)頭；按信號(hào)傳輸方式可分為硬線連接式、感應(yīng)式、光學(xué)式和無(wú)線電式；按接觸形式可分為接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量。用戶可根據(jù)機(jī)床的具體型號(hào)選擇合適的配置。
(5) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
在線檢測(cè)系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的采集和處理、檢測(cè)數(shù)控程序的生成、檢測(cè)過(guò)程的仿真及與數(shù)控機(jī)床通信等功能。在線檢測(cè)系統(tǒng)考慮到運(yùn)行目前流行的Windows和CAD/CAM/CAPP/CAM以及VC++等軟件，以及減少測(cè)量結(jié)果的分析和計(jì)算時(shí)間，一般采用Pentium級(jí)別以上的計(jì)算機(jī)。
2、數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)的工作原理
實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的在線檢測(cè)時(shí)，首先要在計(jì)算機(jī)輔助編程系統(tǒng)上自動(dòng)生成檢測(cè)主程序，將檢測(cè)主程序由通信接口傳輸給數(shù)控機(jī)床，通過(guò)G31跳步指令，使測(cè)頭按程序規(guī)定路徑運(yùn)動(dòng)，當(dāng)測(cè)球接觸工件時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)測(cè)頭與數(shù)控系統(tǒng)的專用接口將觸發(fā)信號(hào)傳到轉(zhuǎn)換器，并將觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換后傳給機(jī)床的控制系統(tǒng)，該點(diǎn)的坐標(biāo)被記錄下來(lái)。信號(hào)被接收后，機(jī)床停止運(yùn)動(dòng)，測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)通過(guò)通信接口傳回計(jì)算機(jī)，然后進(jìn)行下一個(gè)測(cè)量動(dòng)作。上位機(jī)通過(guò)監(jiān)測(cè)CNC系統(tǒng)返回的測(cè)量值，可對(duì)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算補(bǔ)償及可視化等各項(xiàng)數(shù)據(jù)處理工作。測(cè)量典型幾何形狀時(shí)檢測(cè)路徑的步驟為：
確定零件的待測(cè)形狀特征幾何要素；
確定零件的待測(cè)精度特征；
根據(jù)測(cè)量的形狀特征幾何要素和精度特征，確定檢測(cè)點(diǎn)數(shù)及分布；
根據(jù)測(cè)點(diǎn)數(shù)及分布形式建立數(shù)學(xué)計(jì)算公式；
確定檢測(cè)零件的工件坐標(biāo)系；
根據(jù)檢測(cè)條件確定檢測(cè)路徑。
3、數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)編程
在線檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵主要體現(xiàn)在檢測(cè)程序的編制上，檢側(cè)程序編制質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到檢測(cè)效果。目前檢測(cè)軟件有商業(yè)化軟件和自主開(kāi)發(fā)的軟件。商業(yè)化軟件如英國(guó)DELCAM公司新版本的PowerInspect，是一款開(kāi)放的檢測(cè)軟件，不受測(cè)量設(shè)備的限制，既可以在線檢測(cè)，也可以脫機(jī)檢測(cè)。不僅提供在線檢測(cè)的功能，還能夠在檢測(cè)前針對(duì)讀取的CAD模型進(jìn)行檢測(cè)路徑的編程工作，并進(jìn)行檢測(cè)的仿真。隨后可以把編制好的程序傳輸給CNC檢測(cè)設(shè)備，進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。又如雷尼紹公司基于PC機(jī)的在機(jī)檢測(cè)軟件OMV（on machine verification），該軟件專為數(shù)控機(jī)床配用系統(tǒng)而編寫，主要應(yīng)用于：根據(jù)原始CAD數(shù)據(jù)，檢測(cè)樣件、復(fù)雜零件及大型零件、多工序零件以及模具。
自主開(kāi)發(fā)軟件的編程方式有：基于C、 C++、 VC++、 VB、 Delphi開(kāi)發(fā)平臺(tái)的在線檢測(cè)編程和基于CAD開(kāi)發(fā)平臺(tái)的在線檢測(cè)編程�；赩C++ 語(yǔ)言的在線檢測(cè)編程結(jié)構(gòu)框。
檢測(cè)部分主要模塊的功能如下：
(1) 測(cè)量主程序自動(dòng)生成模塊：主要完成零件待測(cè)信息的輸入，生成檢測(cè)主程序。
(2) 誤差補(bǔ)償模塊：對(duì)測(cè)量過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，提高測(cè)量精度。
(3) 通信模塊：完成主程序與被調(diào)用宏程序的發(fā)送及測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)信息的接收。
(4) 測(cè)量宏程序模塊：實(shí)現(xiàn)宏程序的管理和內(nèi)部調(diào)用。主模塊要實(shí)現(xiàn)對(duì)宏程序的查找、增添、修改及刪除等操作。
(5) 數(shù)據(jù)處理模塊：對(duì)測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)償，完成各種尺寸及精度計(jì)算。通過(guò)打開(kāi)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)文件，獲得測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)信息，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的運(yùn)算過(guò)程最終得到所測(cè)值。
基于CAD開(kāi)發(fā)平臺(tái)的在線檢測(cè)自動(dòng)編程是采用AutoCAD作為系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并采用ObjectARY作為二次開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)可彌補(bǔ)CAD/CAM系統(tǒng)所欠缺的功能，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)程序的圖形化編制，即CAD在線檢測(cè)。
4、數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)仿真
目前數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)借鑒于CAD/ CAM技術(shù)的發(fā)展思路可開(kāi)發(fā)相應(yīng)的在線檢測(cè)仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)以圖形化的方式再現(xiàn)數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)過(guò)程，可形象直觀地對(duì)檢測(cè)路徑規(guī)劃進(jìn)行檢查，提前發(fā)現(xiàn)宏程序編制中的錯(cuò)誤，以避免在真實(shí)檢測(cè)過(guò)程中對(duì)在線檢測(cè)系統(tǒng)所造成的破壞。
以VC++作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，OpenGL 作為三維場(chǎng)景開(kāi)發(fā)工具，按照面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想開(kāi)發(fā)數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)仿真系統(tǒng)的過(guò)程是：
(1) 虛擬檢測(cè)環(huán)境的建立
采用OpenGL 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圖形處理工作。OpenGL 是一個(gè)圖形硬件的軟件接口，利用它可進(jìn)行幾何建模、圖形變換、渲染、光照、材質(zhì)等多種操作，大部分對(duì)于圖形的底層處理工作都由一些專門的函數(shù)來(lái)處理。
(2) 檢測(cè)信息的提取
在線檢測(cè)仿真系統(tǒng)，必須在仿真過(guò)程中，如實(shí)地反映測(cè)量宏程序的每一條語(yǔ)句，即利用測(cè)量宏程序驅(qū)動(dòng)檢測(cè)仿真過(guò)程的進(jìn)程。因而該仿真系統(tǒng)應(yīng)具備完整的檢測(cè)信息提取能力，能實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量程序的語(yǔ)法檢查，能實(shí)現(xiàn)相關(guān)的計(jì)算與判斷，最為重要的是能夠提取出測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)軌跡，以驅(qū)動(dòng)測(cè)頭的檢測(cè)仿真。
(3) 虛擬測(cè)頭的驅(qū)動(dòng)
在線檢測(cè)系統(tǒng)是利用測(cè)頭與待測(cè)物體的碰撞來(lái)確定接觸點(diǎn)的位置信息的，因而檢測(cè)仿真必須逼真的再現(xiàn)這一過(guò)程，這也是整個(gè)仿真系統(tǒng)的核心問(wèn)題。為保證測(cè)頭可靠地撞擊上待測(cè)物體，應(yīng)使測(cè)頭檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的最遠(yuǎn)行程大于測(cè)頭到實(shí)際接觸點(diǎn)位置的距離，即實(shí)際接觸點(diǎn)位于測(cè)量起始點(diǎn)與測(cè)頭最遠(yuǎn)行程點(diǎn)之間的直線段上。
5、結(jié)束語(yǔ)
將檢測(cè)技術(shù)融于數(shù)控加工的內(nèi)容之中，采用在線測(cè)量的方式，能使操作者及時(shí)發(fā)現(xiàn)工件存在的問(wèn)題，并反饋給數(shù)控系統(tǒng)。據(jù)抽樣調(diào)查，目前我國(guó)因產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，如廢品、次品、返修品等，所造成的經(jīng)濟(jì)損失約為產(chǎn)值的10%～15% ，而在線測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)，其最直接的經(jīng)濟(jì)效益就在在于既節(jié)省了工時(shí)又提高了測(cè)量精度。而且由于利用了機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的功能，又使得數(shù)控系統(tǒng)能及時(shí)得到檢測(cè)系統(tǒng)所反饋的信息，從而能及時(shí)修正系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差，以改變機(jī)床的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，更好地保證加工質(zhì)量，促進(jìn)加工測(cè)量一體化的發(fā)展。可以預(yù)見(jiàn)，在線測(cè)量技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用未來(lái)具有廣闊的前景。
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