數​控​機​床​在​線​檢​測​技​術（shù）

    數控機床是現代（dài）高科技發展的（de）產物（wù），每當一批零件開始加工時，有大量的檢測需（xū）要（yào）完（wán）成，包括夾具和零件的裝卡、找（zhǎo）正、零件編程原點的測定、首件零件的（de）檢測、工序間檢測及加工（gōng）完畢（bì）檢測等。目前完成這（zhè）些檢（jiǎn）測（cè）工（gōng）作的主要手（shǒu）段有手工檢（jiǎn）測、離線檢測和在線（xiàn）檢測。在線（xiàn）檢（jiǎn）測（cè）也稱實時（shí）檢測，是在加工的過程中實時對刀具進行檢測，並依據檢測的結果做出相應的處理。在線（xiàn）檢測是一種基於計算機自動控製的檢測技術，其檢測過程（chéng）由數控程序來控製。閉環在線（xiàn）檢測的優點是：能夠保證數控機床精度，擴大數控機床功能，改善數控機床性能，提（tí）高數控機床效率。
    1、數控機床在線檢測（cè）係統的組成
    數（shù）控機床在線檢測係統分為兩種，一種為直接調用基本宏程（chéng）序，而不用計算（suàn）機輔助；另一種則要自己開發宏程序庫，借助於計算機輔助（zhù）編程係統，隨時生成（chéng）檢測程序，然後傳輸到數控係統中，係統結（jié）構如圖1所示。
 
圖1 計算機輔助在線檢測係統組成
    數控機床的在線檢測係統由軟件和硬件組成。硬件（jiàn）部分通常由以下幾部分組成：
    (1) 機（jī）床本體
    機床本體是實現（xiàn）加（jiā）工、檢測的基礎，其工作部件是實（shí）現所需基本運動的部件，它（tā）的傳動部件的精度直（zhí）接影響著加工（gōng）、檢測的精（jīng）度（dù）。
    (2) 數控係統
    目前數控機床一般都采用CNC數（shù）控係統，其主要特點是輸入存儲、數控加工、插補運（yùn）算以及機床（chuáng）各種控製功能都通過程序來實現。計算機與其他裝置之間可通（tōng）過接口設備聯接，當控製對象或功能改（gǎi）變（biàn）時，隻需改（gǎi）變軟件和接口。CNC係統一般由（yóu）中央處理存儲器和輸入輸出接口組成，中央處（chù）理器又由存儲器、運算器、控製器和總線組成（chéng）。
    (3) 伺服係統
    伺服係統是數控機床的重要組成（chéng）部分，用以（yǐ）實現數控機（jī）床的進給位置伺服控製和（hé）主軸轉（zhuǎn）速(或位置)伺服（fú）控（kòng）製（zhì）。伺服係統的性能是決定機床（chuáng）加工精度、測量精度、表麵質量和生（shēng）產效率（lǜ）的主要因素。
    (4) 測（cè）量係統
    測量係統有接觸觸發式測頭、信號傳輸係統和數據采集係統組成，是數控機床（chuáng）在線檢測係統的關鍵部分，直接影響著在線檢測的精度。其中關鍵部件為測頭，使（shǐ）用測（cè）頭可在加工過程中進行尺寸測量，根據測量結果（guǒ）自動修（xiū）改加工程序，改善加工（gōng）精度，使得數控機床既是加（jiā）工（gōng）設備，又兼具測量機的某種功能。
    目前常用（yòng）的雷尼紹測頭（tóu），是英國雷尼紹公司的產品，如圖2所示。它們用於數控車（chē）床、加工中心，數控磨床、專機（jī）等大多數數（shù）控機床上。測頭按功能可分為工件檢測測頭和刀具（jù）測頭；按信號傳輸方式可分為硬線連接式、感應式（shì）、光學式（shì）和無線電式；按接觸形式可分為接觸（chù）測量和非（fēi）接觸測量。用戶可根據機床的具體型（xíng）號選擇合適的配置。
漢默歐AMP40無線（xiàn）電測頭
    (5) 計（jì）算機係統
    在線檢測係統（tǒng）利用計算（suàn）機進行（háng）測量數據的采（cǎi）集和處理、檢（jiǎn）測數控（kòng）程（chéng）序（xù）的生成、檢測過程的仿真及與數控機（jī）床通信等功能。在線檢測係統考慮到運（yùn）行目前流行的Windows和CAD/CAM/CAPP/CAM以及VC++等軟件（jiàn），以（yǐ）及減少測量結果的分析和計算時間，一般采用Pentium級別以上的計算機。
2、數控（kòng）機床在線（xiàn）檢測的工作原理
    實現數控機床的在線檢測（cè）時，首先要在（zài）計算機輔助編程（chéng）係統上自動生成檢測主程序，將檢測（cè）主程序由通信接口傳輸給數控機床，通過（guò）G31跳步（bù）指令，使測頭按程序規定路徑運動，當測球接（jiē）觸工件（jiàn）時發出觸發信號，通過測頭與數控係統的專用接口將觸發信號傳到轉（zhuǎn）換器，並將觸發信號轉換後傳給（gěi）機床的控製係（xì）統，該點的坐標被記錄下來。信號被接收後，機床停止運動，測量點的坐標通過通信接口傳回計算機，然（rán）後進行下一（yī）個測量動作。上位機（jī）通過監測CNC係統返回的測量值，可對係統測量結（jié）果（guǒ）進行計算補（bǔ）償及可視化等各項數據處（chù）理工作。測量典型（xíng）幾何形狀時檢測路徑的步驟為：
1. 確定零件的待測形狀特征幾何要素；
2. 確定零件的待（dài）測精度特征；
3. 根據測量的（de）形狀特征幾何要（yào）素和精度特（tè）征（zhēng），確定檢測點數及分布；
4. 根據測點數及分布形式建立數學計算公式；
5. 確定檢測零件的工件（jiàn）坐標係；
6. 根據（jù）檢測條件確定檢（jiǎn）測路（lù）徑。
    3、數控機床在線檢（jiǎn）測編程
    在線（xiàn）檢（jiǎn）測技術的關鍵主要體現在檢測程序的編製上（shàng），檢側程序編（biān）製質量的優劣（liè）直接（jiē）影響到檢測效果。目前檢測軟件有商業（yè）化軟件和自主（zhǔ）開發的軟件。商業（yè）化（huà）軟件如英國（guó）DELCAM公司新版本的PowerInspect，是一款開放（fàng）的檢測軟件，不受測量設備的限製，既可以在線檢測，也可以脫機檢測。不僅提供在線（xiàn）檢測的功能，還（hái）能夠（gòu）在檢（jiǎn）測前針（zhēn）對讀（dú）取的CAD模型進行檢測路徑的編程（chéng）工作，並（bìng）進行檢測的仿真。隨後可以把（bǎ）編製好（hǎo）的程序傳輸給CNC檢測設備，進（jìn）行自（zì）動檢測。又如雷尼紹公司（sī）基於（yú）PC機的在機檢測（cè）軟件OMV（on machine verification），該軟件專為數控機床配（pèi）用係統而編寫，主要應用於：根據原始CAD數據，檢（jiǎn）測樣件、複雜零件及大型零件、多（duō）工序零件以及模具。
    自主開發軟件的編（biān）程方式有：基於C、 C++、 VC++、 VB、 Delphi開發（fā）平台的在線檢測編程和基於CAD開（kāi）發（fā）平台的在線檢測編程。基於VC++ 語言的（de）在線檢測編程結構框圖（tú）如圖3所示。
 
圖3 基於VC++ 語言的在線檢（jiǎn）測係統結構框圖
    檢測部分主要模塊的功能如下：
    (1) 測量主程序自動生成模塊：主要完成零件待測信息（xī）的輸入，生成檢測主程序。
    (2) 誤差補償模塊：對測量過（guò）程（chéng）中所產生的誤差進行補償，提高測量精度。
    (3) 通信模塊（kuài）：完成主程序與被調用宏程序的（de）發送及（jí）測量（liàng）點坐標信息的接收。
    (4) 測量（liàng）宏程序模塊：實現宏程序的管理和內部（bù）調用。主模塊（kuài）要實現對宏（hóng）程序的（de）查找、增添、修改及刪除等操（cāo）作。
    (5) 數據處理模塊：對測量點坐標進行補償，完成（chéng）各種尺寸及精度計算。通過打開（kāi）測量結果數據文件，獲得測（cè）量點（diǎn）坐（zuò）標信息，經過相應的運算過程最（zuì）終得到（dào）所測值。
    基於CAD開（kāi）發平台的在線檢測自（zì）動編程是采用AutoCAD作為係統集成開發平台，並采用ObjectARY作為二次開發工具，開發該係統可彌補CAD/CAM係統所欠缺的功（gōng）能，實現檢測程序的（de）圖形化編製，即CAD在（zài）線檢測。
    4、數控（kòng）機床在線檢測係統仿真（zhēn）
    目（mù）前數控機床（chuáng）在線檢測借鑒於CAD/ CAM技術的發展思路可開發相應的在線檢測仿真係統。仿（fǎng）真（zhēn）係統以圖形化的方式再（zài）現數控機床在（zài）線檢測過程，可形象直觀地對檢測路徑規劃進行檢查，提前發現宏程序（xù）編製中的（de）錯（cuò）誤，以避免在真實檢測過程中對在線檢測係統所造成的破壞。
    以VC++作為係統開發工具，OpenGL 作為三維場景（jǐng）開（kāi）發工（gōng）具，按照麵向對象（xiàng）的程序設計（jì）思想開發數控機（jī）床在（zài）線檢測仿真係統的過程（chéng）是：
    (1) 虛擬檢測環境的建立（lì）
    采用OpenGL 標準進行圖形處理工作。OpenGL 是一個（gè）圖形硬件（jiàn）的軟件接口，利用（yòng）它（tā）可進（jìn）行（háng）幾何建模（mó）、圖形變換、渲染、光照、材（cái）質等多種操作，大（dà）部分對於圖（tú）形的底層（céng）處理工作（zuò）都由一些專門的函數（shù）來（lái）處理。
    (2) 檢測信息的提（tí）取
    在線檢（jiǎn）測仿真係統，必須（xū）在仿真過程中，如實地反映（yìng）測量宏程（chéng）序的每一條語（yǔ）句，即利用（yòng）測量宏程序驅動檢測仿真過程的進程。因而該仿真係統應具備完整（zhěng）的檢測信息提取能力，能實現（xiàn）對測量程序的語法檢查，能實現相關（guān）的計算與判斷，最為重要的是能夠提取出測頭（tóu）的運動（dòng）軌跡，以驅動測頭（tóu）的（de）檢測（cè）仿真。
    (3) 虛擬測頭的驅動
    在線檢測（cè）係（xì）統是利用測（cè）頭與待測物體的碰撞來確定接觸點的位置信息的，因而檢測仿真必須逼真的再現這一過程，這也是整個仿真係統（tǒng）的核心問（wèn）題。為保證測頭（tóu）可靠地撞（zhuàng）擊上待測物體，應使測頭檢測運動的最遠行程大於測頭到（dào）實（shí）際接觸點位置的距離，即實（shí）際接觸點位於測量起始點與測頭最遠行程點之間的直線段上。