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在線檢測技術(shù)在加工中心的應(yīng)用
作者：m.zgyzsfw.com 發(fā)布時(shí)間：2020-09-02 17:00
傳統(tǒng)的零件測量方法常常采用離線測量。需把被測零件從加工設(shè)備轉(zhuǎn)移到測量設(shè)備上，有時(shí)在一個(gè)加工過程中甚至需要幾個(gè)來回，使檢測工件的費(fèi)用，超過了工件的加工費(fèi)用。因此通過使用在線測量來代替離線測量，使得在線檢測的效率和精確度得到保證的條件下，使質(zhì)量檢測過程更靠近加工過程，從而保證了工件從加工設(shè)備上卸下的時(shí)候就是合格品。本文介紹的基于Renishaw和Delcam的加工中心在線檢測是通過為加工中心配備一個(gè)Renishaw測頭以及PowerINSPECT在線檢測軟件，構(gòu)成加工中心在線檢測系統(tǒng)，如圖1所示。
圖1 加工中心在線檢測系統(tǒng)
在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，機(jī)床測頭基本上與刀具一樣成為機(jī)床不可缺少的基本備件，如德國的HAIMER公司、SIMTEK公司和BLUM公司，美國的MILLSTAR公司，英國Renishaw公司等，這些制造商的產(chǎn)品均是世界一流，并各自在自己的領(lǐng)域內(nèi)占主導(dǎo)地位。目前，國外很多知名廠家都開發(fā)出了機(jī)床在線檢測系統(tǒng)。如英國Renishaw的Renichine verification，簡稱OMV，是專為機(jī)床而編寫的軟件。意大利的Marposs公司推出的一整套計(jì)算機(jī)輔助加工中心在線檢測方案。英國DELCAM公司的檢測系統(tǒng)PowerINSPECT OMV，是一種在數(shù)控加工機(jī)床上使用的、用于自動(dòng)化測量自由曲面和幾何體的通用在線編程軟件系統(tǒng)。
在國內(nèi)，北京機(jī)床所和航天部303所等單位也相繼研制出機(jī)床在機(jī)測頭，其測量控制和數(shù)據(jù)處理都在數(shù)控宏程序中完成，可以實(shí)現(xiàn)簡單的點(diǎn)、線、面等基本形體幾何參數(shù)的測量。哈爾濱先鋒機(jī)電技術(shù)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床專用工件檢測系統(tǒng)及刀具檢測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)工裝夾具和零件的裝夾找正、零件編程原點(diǎn)的設(shè)定，加工過程中首件抽檢、工序間重點(diǎn)尺寸的檢測及加工結(jié)果的最終檢測等。
一、基于測頭的加工中心檢測方法
激光掃描檢測是指依靠激光測頭對工件進(jìn)行檢測的方式。這是一種非接觸式檢測，掃描速度快、精確度適當(dāng)，但對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，某些遮擋部位就無法測量，而且環(huán)境光照對其影響十分明顯，會帶來一定的約束限制。
坐標(biāo)測量機(jī)檢測是一種典型的接觸式測量，依靠三坐標(biāo)測量機(jī)為檢測工具，對工件進(jìn)行檢測。測量精度較高，在檢測中有一定的應(yīng)用范圍；但工作條件苛刻，檢測過程繁瑣、費(fèi)時(shí)費(fèi)力；只能用于離線質(zhì)量抽檢；返修過程復(fù)雜、繁瑣、費(fèi)時(shí)、費(fèi)力；定位不準(zhǔn)容易造成附加誤差；體積龐大、價(jià)格昂貴。
工業(yè)CT檢測是工業(yè)計(jì)算機(jī)層析照相或工業(yè)計(jì)算機(jī)層析掃描成像的簡稱。這門技術(shù)是放射學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合而產(chǎn)生的一門成像技術(shù)，在無損檢測或無損評價(jià)領(lǐng)域有其獨(dú)特的優(yōu)勢。工業(yè)CT檢測能力強(qiáng)，精度高，定量三維成像，適用于自動(dòng)檢測，但目前主要運(yùn)用于發(fā)達(dá)國家，在國內(nèi)的運(yùn)用才剛剛起步，主要用于國防工業(yè)研究，由于其價(jià)格昂貴，在民用產(chǎn)品方面使用還很少。
加工中心在線檢測是指加工中心的刀庫里裝上檢測測頭，當(dāng)需要檢測時(shí)，從刀庫里切換測頭進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，進(jìn)一步加工工件。加工中心在加工具有復(fù)雜空間曲面的產(chǎn)品方面有著明顯優(yōu)勢，它自由度大，避免了對工件多次裝夾，但制造周期長，生產(chǎn)成本高，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜且為空間曲面的零件上廣泛應(yīng)用。
二、加工中心在線檢測系統(tǒng)原理
加工中心在線檢測系統(tǒng)一般由加工中心、PC機(jī)和測頭三大部分組成。加工中心完成加工和檢測的集成，即把測頭和刀具同時(shí)安裝在刀庫中，統(tǒng)一編號，通過程序隨時(shí)進(jìn)行自動(dòng)測量，使數(shù)控機(jī)床既是加工設(shè)備，又兼?zhèn)錅y量機(jī)的某些功能。實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的在線檢測時(shí)，首先要在計(jì)算機(jī)輔助編程系統(tǒng)上自動(dòng)生成檢測主程序，將檢測主程序由通信接口傳輸給數(shù)控機(jī)床，通過跳步指令，使測頭按程序規(guī)定路徑運(yùn)動(dòng)，當(dāng)測球接觸工件時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號，通過測頭與數(shù)控系統(tǒng)的專用接口將觸發(fā)信號傳到轉(zhuǎn)換器，并將觸發(fā)信號轉(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。信號被接收后，機(jī)床停止運(yùn)動(dòng)，測量點(diǎn)的坐標(biāo)通過通信接口傳回計(jì)算機(jī)，然后進(jìn)行下一個(gè)測量動(dòng)作。
現(xiàn)場有一種接觸式測量系統(tǒng)，由PC機(jī)、機(jī)械臂、空氣壓縮機(jī)和Renishaw接觸式測頭四大部分組成，機(jī)械臂是檢測的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過對機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制，帶動(dòng)測頭檢測葉輪，當(dāng)測頭與被測工件接觸并觸發(fā)信號時(shí)，測頭將觸發(fā)信號傳給測量控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將采樣瞬間的X、Y和Z三軸位置存儲下來。對任何復(fù)雜的幾何表面與形狀，只要測量系統(tǒng)的測頭能夠安全探測到的地方，就可測出它們的幾何尺寸和相互位置關(guān)系，并借助于計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)選用的Renishaw OMP60測頭和OMI-2接收器，如圖2所示。
圖2 Renishaw OMP60測頭和OMI-2接收器
還有一種基于藍(lán)牙技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)在線監(jiān)控與維護(hù)系統(tǒng)。其特征在于：在整體裝置中包括有外圍PC機(jī)或便攜設(shè)備，并加入了藍(lán)牙監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)場的外圍PC機(jī)或便攜設(shè)備兼作藍(lán)牙監(jiān)控設(shè)備，藍(lán)牙監(jiān)控系統(tǒng)與數(shù)控主機(jī)、外圍PC機(jī)或便攜設(shè)備互連，數(shù)控主機(jī)與監(jiān)控機(jī)之間通過安裝在各自主板上的基于USB技術(shù)的藍(lán)牙設(shè)備，利用雙向的藍(lán)牙無線數(shù)據(jù)鏈道實(shí)施實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和交流。
三、加工中心在線檢測硬件系統(tǒng)
對于加工中心和計(jì)算機(jī)，這里不再贅述，主要介紹測頭。測頭是測量系統(tǒng)中重要的傳感器件。它直接影響到測量精度，也是決定測量系統(tǒng)功能和測量效率的重要因素。數(shù)控測量是在計(jì)算機(jī)控制下，測量頭按照預(yù)先編制好的測量步驟和方式順序地進(jìn)行坐標(biāo)測量，記錄測量數(shù)據(jù)并按要求輸出測量結(jié)果，其技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。測頭性能的好壞，決定著測量方式的難易，決定著測量精度的高低，所以測頭是實(shí)現(xiàn)數(shù)控測量的關(guān)鍵。要想真正實(shí)現(xiàn)加工中心的在線測量，測頭必須有反饋性能，可以搜索前進(jìn)。
測頭一般分為機(jī)械接觸式和光學(xué)非接觸式兩種。常用的有機(jī)械觸發(fā)式測頭、激光掃描式測頭和顯微鏡式測頭。激光掃描式測頭可以對工件表面連續(xù)采樣，尤其適用于復(fù)雜表面的工件、齒形和齒向誤差的測量；顯微鏡式測頭利用光學(xué)儀器能測量各種復(fù)雜零件。但是，這兩種測頭價(jià)格昂貴，且受工件表面狀況的限制，如工件表面的油膜、金屬屑等。機(jī)械觸發(fā)式測頭結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格相對較低，并且由于通過觸發(fā)力啟動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生信號，基本不受油膜干擾，具有高可靠性。此外，機(jī)械觸發(fā)式測頭還具有體積小、安裝操作方便、精度高和靈活等優(yōu)點(diǎn)，使用機(jī)械式觸發(fā)測頭只需幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)即可得到規(guī)則形狀甚至復(fù)雜形狀的尺寸及精度。因此，機(jī)械觸發(fā)式測頭為目前數(shù)控機(jī)床在線檢測技術(shù)中普遍采用的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件。
目前，接觸式測頭使用最廣、精度較高的是英國Renishaw公司生產(chǎn)的接觸式測頭。圖3所示為Renishaw OMP60測頭結(jié)構(gòu)。該測頭采用最先進(jìn)的調(diào)制光學(xué)傳輸方法，具有極強(qiáng)的抗光干擾能力，是各種加工中心的理想之選，即使對于刀庫中最短刀具所切削的表面，也能進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)360°紅外傳輸，OM P60傳輸距達(dá)6m，適用于中型和大型加工中心，也非常適合加裝到現(xiàn)有機(jī)床或者機(jī)械臂上，以改善檢測性能。OMI-2是集成型的光學(xué)收發(fā)器/接口，用于傳輸和處理工件檢測測頭與數(shù)控系統(tǒng)之間的信號。該測頭（包括刀柄）與刀具一樣，安裝在刀庫或主軸上，測量信號從光學(xué)式測頭傳到OMI-2光學(xué)接收器，然后通過電纜再傳輸?shù)睫D(zhuǎn)換器和機(jī)械臂（或機(jī)床）的控制系統(tǒng)。
圖3 Renishaw OMP60測頭結(jié)構(gòu)
四、加工中心在線檢測軟件系統(tǒng)
數(shù)控機(jī)床在線檢測技術(shù)的關(guān)鍵主要體現(xiàn)在檢測程序的編制上，檢測程序編制質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到檢測效果。目前檢測軟件有商業(yè)化軟件和自主開發(fā)的軟件。商業(yè)化軟件，如Delcam公司的檢測系統(tǒng)PowerINISPECT。自主開發(fā)軟件的編程方式有基于C、C++、VC、delphi等開發(fā)平臺的在線檢測編程和基于開發(fā)平臺的在線檢測編程。
英國Delcam公司的檢測系統(tǒng)PowerINSPECT是一款開放的檢測軟件，如圖4所示。它不受測量設(shè)備的限制，既可以在線檢測，也可以脫機(jī)檢測。它能夠快速讀取各種主流格式的三維CAD模型，并能方便地和各種知名的測量機(jī)生產(chǎn)廠商的檢測設(shè)備聯(lián)機(jī)工作，進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)與理想的CAD模型在線檢測對比；它能以不同顏色點(diǎn)云的方式來顯示誤差的信息，并能方便地輸出符合國際標(biāo)準(zhǔn)的檢測報(bào)告。PowerINSPECT不僅提供在機(jī)檢測的功能，還能夠在檢測前針對讀取的CAD模型進(jìn)行檢測路徑的編程工作，并進(jìn)行檢測的仿真。隨后可以把編制好的程序傳輸給CNC檢測設(shè)備，進(jìn)行自動(dòng)檢測。同時(shí)，編制檢測程序，可以使設(shè)計(jì)和檢測部門的相關(guān)人員協(xié)同工作，提高檢測的效率。
圖4 PowerINSPECT檢測軟件界面
PowerINSPECT具有良好的開放性，可以適合多種類型的用戶：可以和已有的手動(dòng)檢測設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī)工作；也可以和已有的CNC檢測設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī)工作；對已有的檢測設(shè)備進(jìn)行改造后聯(lián)機(jī)工作；配合最新的接觸和非接觸式檢測設(shè)備聯(lián)機(jī)工作，以滿足用戶對檢測效率和效果的更高要求；也可以配合新式數(shù)控機(jī)床上的測量裝置進(jìn)行在線檢測。
五、加工中心在線檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢
硬件方面開發(fā)高精度的三維測頭，測頭應(yīng)包括對測頭誤差的補(bǔ)償；提高探測速度，改進(jìn)探測方法，包括掃描與吃躍測量；發(fā)展測頭附件，包括各種探針、接長針、測頭回轉(zhuǎn)體和測頭自動(dòng)更換裝置等；發(fā)展非接觸測頭，提高測量速度，便于擴(kuò)大量程，測量柔軟的和易于變形的被測件。
軟件方面從單參數(shù)檢測向多參數(shù)綜合檢測，從單純檢測向檢測與控制的閉環(huán)系統(tǒng)發(fā)展；微機(jī)化、智能化，當(dāng)生產(chǎn)線參數(shù)變化及出現(xiàn)外界干擾時(shí)，在線檢測系統(tǒng)能使生產(chǎn)系統(tǒng)迅速適應(yīng)變化和排除干擾；提高檢測系統(tǒng)的可靠性等。
六、結(jié)束語
在線測量技術(shù)應(yīng)用于加工中心，其最直接的經(jīng)濟(jì)效益就在于既節(jié)省了工時(shí)又提高了測量精度。目前看來，加工中心在線檢測技術(shù)在使用上還處于普及階段，尚未得到大規(guī)模應(yīng)用。其原因是企業(yè)花費(fèi)大量資金用于購置加工中心，但由于一些附屬設(shè)備的昂貴價(jià)格，使企業(yè)在進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的分析時(shí)，不愿在這些附件上再進(jìn)行投資。在線檢測技術(shù)本身也存在一些問題：在使用上不夠方便，不易被使用者所掌握，一旦在使用中出了一點(diǎn)差錯(cuò)，容易損壞整套檢測系統(tǒng)。檢測功能較為薄弱，目前在線測頭基本上都用于簡單幾何量檢測方面，基本上停留于數(shù)控系統(tǒng)本身所提供的一些功能，在線檢測技術(shù)對于一般企業(yè)的確顯得有些奢侈。現(xiàn)代的設(shè)計(jì)制造理論及先進(jìn)的技術(shù)裝備在在線檢測方面沒有得到應(yīng)有的體現(xiàn)，致使在線檢測技術(shù)在發(fā)展上處于落后階段，同時(shí)在這方面研究的滯后，也成為相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。但在線檢測技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用未來具有廣淘的前景。
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