数控机床在线检测技术

数控机床是现代高科技发展的产物，每当一批零件开始加工时，有大量的检测需要完成，包括夹具和零件的装卡、找正、零件编程原点的测定、首件零件的检测、工序间检测及加工完毕检测等。目前完成这些检测工作的主要手段有手工检测、离线检测和在线检测。在线检测也称实时检测，是在加工的过程中实时对刀具进行检测，并依据检测的结果做出相应的处理。在线检测是一种基于计算机自动控制的检测技术，其检测过程由数控程序来控制。闭环在线检测的优点是：能够保证数控机床精度，扩大数控机床功能，改善数控机床性能，提高数控机床效率。

    一、数控机床在线检测系统的组成

    数控机床在线检测系统分为两种，一种为直接调用基本宏程序，而不用计算机辅助；另一种则要自己开发宏程序库，借助于计算机辅助编程系统，随时生成检测程序，然后传输到数控系统中，系统结构。


    数控机床的在线检测系统由软件和硬件组成。硬件部分通常由以下几部分组成：

    (1)机床本体

    机床本体是实现加工、检测的基础，其工作部件是实现所需基本运动的部件，它的传动部件的精度直接影响着加工、检测的精度。

    (2)数控系统

    目前数控机床一般都采用CNC数控系统，其主要特点是输入存储、数控加工、插补运算以及机床各种控制功能都通过程序来实现。计算机与其他装置之间可通过接口设备联接，当控制对象或功能改变时，只需改变软件和接口。CNC系统一般由中央处理存储器和输入输出接口组成，中央处理器又由存储器、运算器、控制器和总线组成。

    (3)伺服系统

    伺服系统是数控机床的重要组成部分，用以实现数控机床的进给位置伺服控制和主轴转速(或位置)伺服控制。伺服系统的性能是决定机床加工精度、测量精度、表面质量和生产效率的主要因素。

    (4)测量系统

    测量系统有接触触发式测头、信号传输系统和数据采集系统组成，是数控机床在线检测系统的关键部分，直接影响着在线检测的精度。其中关键部件为测头，使用测头可在加工过程中进行尺寸测量，根据测量结果自动修改加工程序，改善加工精度，使得数控机床既是加工设备，又兼具测量机的某种功能。

    目前常用的雷尼绍测头，是英国雷尼绍公司的产品，如图2所示。它们用于数控车床、加工中心，数控磨床、专机等大多数数控机床上。测头按功能可分为工件检测测头和刀具测头；按信号传输方式可分为硬线连接式、感应式、光学式和无线电式；按接触形式可分为接触测量和非接触测量。用户可根据机床的具体型号选择合适的配置。


    (5)计算机系统

    在线检测系统利用计算机进行测量数据的采集和处理、检测数控程序的生成、检测过程的仿真及与数控机床通信等功能。在线检测系统考虑到运行目前流行的Windows和CAD/CAM/CAPP/CAM以及VC++等软件，以及减少测量结果的分析和计算时间，一般采用Pentium级别以上的计算机。

    二、数控机床在线检测的工作原理

    实现数控机床的在线检测时，首先要在计算机辅助编程系统上自动生成检测主程序，将检测主程序由通信接口传输给数控机床，通过G31跳步指令，使测头按程序规定路径运动，当测球接触工件时发出触发信号，通过测头与数控系统的专用接口将触发信号传到转换器，并将触发信号转换后传给机床的控制系统，该点的坐标被记录下来。信号被接收后，机床停止运动，测量点的坐标通过通信接口传回计算机，然后进行下一个测量动作。上位机通过监测CNC系统返回的测量值，可对系统测量结果进行计算补偿及可视化等各项数据处理工作。测量典型几何形状时检测路径的步骤为：

    (1)确定零件的待测形状特征几何要素；

    (2)确定零件的待测精度特征；

    (3)根据测量的形状特征几何要素和精度特征，确定检测点数及分布；

    (4)根据测点数及分布形式建立数学计算公式；

    (5)确定检测零件的工件坐标系；

    (3)根据检测条件确定检测路径。

    三、数控机床在线检测编程

    在线检测技术的关键主要体现在检测程序的编制上，检侧程序编制质量的优劣直接影响到检测效果。目前检测软件有商业化软件和自主开发的软件。商业化软件如英国DELCAM公司新版本的PowerInspect，是一款开放的检测软件，不受测量设备的限制，既可以在线检测，也可以脱机检测。不仅提供在线检测的功能，还能够在检测前针对读取的CAD模型进行检测路径的