数控系统中在线测量技术的应用

马长辉

摘 要 文章介绍了传统测量局限性，在线测量技术应用及在线测量误差来源及误差分析，在线测量技术将受到越来越广泛应用。

【关键词】加工中心 传统测量 在线测量

随着航天、船舶及汽车等制造工业的快速发展，高精度、复杂大型零件的加工与精度评价成为业内关注的突出问题，通常这类工件产品需经过多次的加工—测量—修整，才能满足设计要求。加工中心作为一种高效、高精度的制造装备在制造企业中得到了广泛应用，而且正朝着高精度、高效率、开放化、智能化、复合化的方向发展。尽可能地在一台加工中心上利用一次装卡完成全部或大部分的加工任务，以保证工件位置精度，提高生产效率成为业内共识。加之人们对工件加工的高精度、高效率的不断追求，CNC在线测量技术在加工制造中受到越来越广泛的应用。

1 传统测量的局限性

传统测量方法是指用传统测量工具（如千分尺、百分表、游标卡尺、深度尺等）进行的测量，属相对测量，因其测量基准为被加工面，而不是直接的主轴基准，是一种过度基准，再加上传统测量工具本身精度不高，同时人为测量操作随机性误差也较大，这些因素导致测量结果不足够准确；另一方面传统测量工具量程小、被测工件尺寸、形状受到限制，许多测量任务（如尺寸大、形状较复杂不规则的曲面类零件）用传统测量工具完成不了，且占用机时较长，降低生产效率，影响了加工中心功能的发挥。

在传统测量条件下，我们通常都是将CNC机床加工后的复杂零件或精密零件，先用卡尺或其他简单的量具确认一下，估计没问题后卸下来送到三坐标测量机上去最终检测，检测如果不合格，大了3个丝或5个丝不合格怎么办？只有到CNC机床上进行二次加工修复。二次加工修复需要重新装夹，校表、分中、对刀，一丝不差的校表、分中、对刀几乎是不可能做得到的，很难。往往是二次加工修复时，因为校表、分中、对刀失误，二次装夹没有达到要求，该加工的地方没有加工到，不需要加工的地方刺棱以下消掉了一块，工件彻底报废，白忙活了，损失时间损失了工钱又损失了材料。

2 在线测量技术的应用

2.1 在线测量

在线测量，简而言之是加工与测量在同一设备上进行的测量方法。如在安装了测头系统的加工中心上，工件经过一次装卡后即可完成加工与测量，省时省力，还能降低测量成本，也避免了二次装夹误差。可以降低废品率，也可以尽早发现废品，避免造成加工浪费。特别是在多品种小批量生产条件下，在线测量的优势体现在能将加工、检测和误差补偿集成在一起，实现加工前、加工中和加工后的高精度自动测量，避免了由于多次装夹而引起的误差，大大减少了辅助时间，保证了机床的工作状态及加工精度、降低废品率等。

2.2 测量过程

测量过程是在数控机床上采用测头进行测量时，先将测头安装在机床的主轴上，然后工作人员手动控制机床移动，使测头测针上的触头接触到工件表面，由机床的数控系统实时地记录并显示主轴的位置坐标值。从而可以结合测针的触头与工件的具体位置关系，利用机床主轴的坐标值换算出工件被测量点的相关坐标值。获得工件的各个被测量点的相关坐标值以后，再根据各坐标点的几何位置关系进行相关计算，便可以获得最终的测量结果。

2.3 测量结果误差

在任何一项测量中，由于各种因素的影响，所得到的测量值总会存在误差。为了使测量结果更精确地逼近真实值，需要对测量结果进行补偿，因此测量过程中影响测量精度的误差组成来源应当被仔细分析和考虑。由于数控机床在线测量系统是以机床为母体，集成测量系统而生成的。所以数控机床加工过程中存在的误差在测量过程中也同样会影响测量精度。机床在线测量测量误差主要包括测头系统误差、机床运动部件定位误差、测量路径不合理造成的误差，其中测头系统误差又分为测头静态误差、测头动态误差以及测头在机床上的安装误差等。测头静态误差包括死区误差和测头重复定位误差，它随着测杆长度、刚度以及接触压力的改变而改变。死区误差是指测头在接触工件后，测杆发生的弯曲变形量。测头重复定位误差相对于死区误差相对较小，因此测头静态误差主要由死区误差决定。测头动态误差主要与测头检测时的接触速度以及数控系统采样间隔有关。测头是通过与机床配套的刀柄安装机床主轴上，由于测头轴线与主轴轴线的不完全对中，存在测头的安装误差，在多方向测量中造成测量误差。测头与主轴的不对中安装误差，可以通过测量前的测头偏心标定进行部分补償。

由于数控机床零部件的制造、装配误差、伺服系统的跟踪误差以及间隙、摩擦等因素，机床各工作部件在进行测量运动时，会产生定位误差。

除此之外，测头的半径误差也是一个主要的误差来源，在数据处理时可通过测头半径补偿来消除。但在实际测量中，情况较为复杂，测头半径误差将引入测量结果，在自由曲面的测量过程中，该项误差更为明显。

针对测量过程中诸多的误差来源，高效、高精度的误差补偿算法是亟待解决的一个关键问题。在实际应用中，可采用多次测量、误差补偿等减小测量误差，提高测量精度。

在线检测系统是利用测头与待测物体的碰撞来确定接触点的位置信息的。由于利用了机床数控系统的功能，又使得数控系统能及时得到检测系统所反馈的信息，从而能及时修正系统误差和随机误差，以改变机床的运动参数，更好地保证加工质量，促进加工测量一体化的发展。

NC在线测量技术的应用优势：

（1）杜绝CNC机床因两次装夹工件进行修复造成的浪费。

（2）彻底杜绝废品，实现CNC加工下线前的100%检测。

（3）将批量生产的首件加工、对刀、程序确认工作效率提高了若干倍。

（4）NC测量系统是用自动三坐标测量机软件直接控制CNC加工机床的控制系统，它将强大的三坐标测量软件功能全部移植到CNC加工机器中，使CNC加工机床在不损失原有的任何功能情况下，增加了全部的三坐标测量机的测量功能。如：点、线、面、平行度、平而度、角度、高度、同心度、孔的直径、各个孔的坐标位置等形位公差的测量都可以在CNC机床上得到实现。

（5）逆向抄数功能NC测量技术有自动点扫描抄数功能，用于曲而抄数，因此CNC加工机床又是一台地道的抄数机。

3 小结

测头系统与数控机床集成构成的加工中心在线测量技术，可以明显缩减生产辅助时间，减轻工人劳动强度，提高生产效率，同时还缩减了由离线测量误差导致的废品率，充分发挥了数控机床的性能。机床测量的应用可以减少中间环节，保证加工精度，提高数控机床的加工能力，提升了加工中心的应用水平。在线测量技术将受到越来越广泛应用。

参考文献

[1]张国忠.检测技术[M].北京：中国计量出版社，1998.

[2]张金晶.数控机床在线测量技术与误差分析[J].装备制造技术，2009.

作者单位

德州职业技术学院 山东省德州市 253000