數控系統中在線測量技術的應用

馬長輝

摘 要 文章介紹了傳統測量局限性，在線測量技術應用及在線測量誤差來源及誤差分析，在線測量技術將受到越來越廣泛應用。

【關鍵詞】加工中心 傳統測量 在線測量

隨著航天、船舶及汽車等制造工業的快速發展，高精度、復雜大型零件的加工與精度評價成為業內關注的突出問題，通常這類工件產品需經過多次的加工—測量—修整，才能滿足設計要求。加工中心作為一種高效、高精度的制造裝備在制造企業中得到了廣泛應用，而且正朝著高精度、高效率、開放化、智能化、復合化的方向發展。盡可能地在一臺加工中心上利用一次裝卡完成全部或大部分的加工任務，以保證工件位置精度，提高生產效率成為業內共識。加之人們對工件加工的高精度、高效率的不斷追求，CNC在線測量技術在加工制造中受到越來越廣泛的應用。

1 傳統測量的局限性

傳統測量方法是指用傳統測量工具（如千分尺、百分表、游標卡尺、深度尺等）進行的測量，屬相對測量，因其測量基準為被加工面，而不是直接的主軸基準，是一種過度基準，再加上傳統測量工具本身精度不高，同時人為測量操作隨機性誤差也較大，這些因素導致測量結果不足夠準確；另一方面傳統測量工具量程小、被測工件尺寸、形狀受到限制，許多測量任務（如尺寸大、形狀較復雜不規則的曲面類零件）用傳統測量工具完成不了，且占用機時較長，降低生產效率，影響了加工中心功能的發揮。

在傳統測量條件下，我們通常都是將CNC機床加工后的復雜零件或精密零件，先用卡尺或其他簡單的量具確認一下，估計沒問題后卸下來送到三坐標測量機上去最終檢測，檢測如果不合格，大了3個絲或5個絲不合格怎么辦？只有到CNC機床上進行二次加工修復。二次加工修復需要重新裝夾，校表、分中、對刀，一絲不差的校表、分中、對刀幾乎是不可能做得到的，很難。往往是二次加工修復時，因為校表、分中、對刀失誤，二次裝夾沒有達到要求，該加工的地方沒有加工到，不需要加工的地方刺棱以下消掉了一塊，工件徹底報廢，白忙活了，損失時間損失了工錢又損失了材料。

2 在線測量技術的應用

2.1 在線測量

在線測量，簡而言之是加工與測量在同一設備上進行的測量方法。如在安裝了測頭系統的加工中心上，工件經過一次裝卡后即可完成加工與測量，省時省力，還能降低測量成本，也避免了二次裝夾誤差?？梢越档蛷U品率，也可以盡早發現廢品，避免造成加工浪費。特別是在多品種小批量生產條件下，在線測量的優勢體現在能將加工、檢測和誤差補償集成在一起，實現加工前、加工中和加工后的高精度自動測量，避免了由于多次裝夾而引起的誤差，大大減少了輔助時間，保證了機床的工作狀態及加工精度、降低廢品率等。

2.2 測量過程

測量過程是在數控機床上采用測頭進行測量時，先將測頭安裝在機床的主軸上，然后工作人員手動控制機床移動，使測頭測針上的觸頭接觸到工件表面，由機床的數控系統實時地記錄并顯示主軸的位置坐標值。從而可以結合測針的觸頭與工件的具體位置關系，利用機床主軸的坐標值換算出工件被測量點的相關坐標值。獲得工件的各個被測量點的相關坐標值以后，再根據各坐標點的幾何位置關系進行相關計算，便可以獲得最終的測量結果。

2.3 測量結果誤差

在任何一項測量中，由于各種因素的影響，所得到的測量值總會存在誤差。為了使測量結果更精確地逼近真實值，需要對測量結果進行補償，因此測量過程中影響測量精度的誤差組成來源應當被仔細分析和考慮。由于數控機床在線測量系統是以機床為母體，集成測量系統而生成的。所以數控機床加工過程中存在的誤差在測量過程中也同樣會影響測量精度。機床在線測量測量誤差主要包括測頭系統誤差、機床運動部件定位誤差、測量路徑不合理造成的誤差，其中測頭系統誤差又分為測頭靜態誤差、測頭動態誤差以及測頭在機床上的安裝誤差等。測頭靜態誤差包括死區誤差和測頭重復定位誤差，它隨著測桿長度、剛度以及接觸壓力的改變而改變。死區誤差是指測頭在接觸工件后，測桿發生的彎曲變形量。測頭重復定位誤差相對于死區誤差相對較小，因此測頭靜態誤差主要由死區誤差決定。測頭動態誤差主要與測頭檢測時的接觸速度以及數控系統采樣間隔有關。測頭是通過與機床配套的刀柄安裝機床主軸上，由于測頭軸線與主軸軸線的不完全對中，存在測頭的安裝誤差，在多方向測量中造成測量誤差。測頭與主軸的不對中安裝誤差，可以通過測量前的測頭偏心標定進行部分補償。

由于數控機床零部件的制造、裝配誤差、伺服系統的跟蹤誤差以及間隙、摩擦等因素，機床各工作部件在進行測量運動時，會產生定位誤差。

除此之外，測頭的半徑誤差也是一個主要的誤差來源，在數據處理時可通過測頭半徑補償來消除。但在實際測量中，情況較為復雜，測頭半徑誤差將引入測量結果，在自由曲面的測量過程中，該項誤差更為明顯。

針對測量過程中諸多的誤差來源，高效、高精度的誤差補償算法是亟待解決的一個關鍵問題。在實際應用中，可采用多次測量、誤差補償等減小測量誤差，提高測量精度。

在線檢測系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。由于利用了機床數控系統的功能，又使得數控系統能及時得到檢測系統所反饋的信息，從而能及時修正系統誤差和隨機誤差，以改變機床的運動參數，更好地保證加工質量，促進加工測量一體化的發展。

NC在線測量技術的應用優勢：

（1）杜絕CNC機床因兩次裝夾工件進行修復造成的浪費。

（2）徹底杜絕廢品，實現CNC加工下線前的100%檢測。

（3）將批量生產的首件加工、對刀、程序確認工作效率提高了若干倍。

（4）NC測量系統是用自動三坐標測量機軟件直接控制CNC加工機床的控制系統，它將強大的三坐標測量軟件功能全部移植到CNC加工機器中，使CNC加工機床在不損失原有的任何功能情況下，增加了全部的三坐標測量機的測量功能。如：點、線、面、平行度、平而度、角度、高度、同心度、孔的直徑、各個孔的坐標位置等形位公差的測量都可以在CNC機床上得到實現。

（5）逆向抄數功能NC測量技術有自動點掃描抄數功能，用于曲而抄數，因此CNC加工機床又是一臺地道的抄數機。

3 小結

測頭系統與數控機床集成構成的加工中心在線測量技術，可以明顯縮減生產輔助時間，減輕工人勞動強度，提高生產效率，同時還縮減了由離線測量誤差導致的廢品率，充分發揮了數控機床的性能。機床測量的應用可以減少中間環節，保證加工精度，提高數控機床的加工能力，提升了加工中心的應用水平。在線測量技術將受到越來越廣泛應用。

參考文獻

[1]張國忠.檢測技術[M].北京：中國計量出版社，1998.

[2]張金晶.數控機床在線測量技術與誤差分析[J].裝備制造技術，2009.

作者單位

德州職業技術學院 山東省德州市 253000