在線檢測技術在加工中心的應用

作者：消防檢測設備
發布時間：2020-11-06 07:21:07
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在線檢測技術在加工中心的應用

　　傳統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備轉移到測量設備上，有時在一個加工過程中甚至需要幾個來回，使檢測工件的費用，超過了工件的加工費用。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，使質量檢測過程更靠近加工過程，從而保證了工件從加工設備上卸下的時候就是合格品。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Renishaw測頭以及PowerINSPECT在線檢測軟件，構成加工中心在線檢測系統，如圖1所示。

圖1 加工中心在線檢測系統

　　在工業發達國家，機床測頭基本上與刀具一樣成為機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，這些制造商的產品均是世界一流，并各自在自己的領域內占主導地位。目前，國外很多知名廠家都開發出了機床在線檢測系統。如英國Renishaw的Renichine verification，簡稱OMV，是專為機床而編寫的軟件。意大利的Marposs公司推出的一整套計算機輔助加工中心在線檢測方案。英國DELCAM公司的檢測系統PowerINSPECT OMV，是一種在數控加工機床上使用的、用于自動化測量自由曲面和幾何體的通用在線編程軟件系統。

　在國內，北京機床所和航天部303所等單位也相繼研制出機床在機測頭，其測量控制和數據處理都在數控宏程序中完成，可以實現簡單的點、線、面等基本形體幾何參數的測量。哈爾濱先鋒機電技術開發有限公司生產的數控機床專用工件檢測系統及刀具檢測系統，可實現工裝夾具和零件的裝夾找正、零件編程原點的設定，加工過程中首件抽檢、工序間重點尺寸的檢測及加工結果的最終檢測等。

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，但對于結構復雜的工件，某些遮擋部位就無法測量，而且環境光照對其影響十分明顯，會帶來一定的約束限制。

　坐標測量機檢測是一種典型的接觸式測量，依靠三坐標測量機為檢測工具，對工件進行檢測。測量精度較高，在檢測中有一定的應用范圍；但工作條件苛刻，檢測過程繁瑣、費時費力；只能用于離線質量抽檢；返修過程復雜、繁瑣、費時、費力；定位不準容易造成附加誤差；體積龐大、價格昂貴。

　工業CT檢測是工業計算機層析照相或工業計算機層析掃描成像的簡稱。這門技術是放射學和計算機科學結合而產生的一門成像技術，在無損檢測或無損評價領域有其獨特的優勢。工業CT檢測能力強，精度高，定量三維成像，適用于自動檢測，但目前主要運用于發達國家，在國內的運用才剛剛起步，主要用于國防工業研究，由于其價格昂貴，在民用產品方面使用還很少。

加工中心在線檢測是指加工中心的刀庫里裝上檢測測頭，當需要檢測時，從刀庫里切換測頭進行檢測，根據檢測結果，進一步加工工件。加工中心在加工具有復雜空間曲面的產品方面有著明顯優勢，它自由度大，避免了對工件多次裝夾，但制造周期長，生產成本高，在結構復雜且為空間曲面的零件上廣泛應用。

二、加工中心在線檢測系統原理

　加工中心在線檢測系統一般由加工中心、PC機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安裝在刀庫中，統一編號，通過程序隨時進行自動測量，使數控機床既是加工設備，又兼備測量機的某些功能。實現數控機床的在線檢測時，首先要在計算機輔助編程系統上自動生成檢測主程序，將檢測主程序由通信接口傳輸給數控機床，通過跳步指令，使測頭按程序規定路徑運動，當測球接觸工件時發出觸發信號，通過測頭與數控系統的專用接口將觸發信號傳到轉換器，并將觸發信號轉換后傳給機床的控制系統，該點的坐標被記錄下來。信號被接收后，機床停止運動，測量點的坐標通過通信接口傳回計算機，然后進行下一個測量動作。

　現場有一種接觸式測量系統，由PC機、機械臂、空氣壓縮機和Renishaw接觸式測頭四大部分組成，機械臂是檢測的執行機構，通過對機械臂的運動控制，帶動測頭檢測葉輪，當測頭與被測工件接觸并觸發信號時，測頭將觸發信號傳給測量控制系統，控制系統將采樣瞬間的X、Y和Z三軸位置存儲下來。對任何復雜的幾何表面與形狀，只要測量系統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系，并借助于計算機完成數據處理。該系統選用的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

　　還有一種基于藍牙技術的數控系統在線監控與維護系統。其特征在于：在整體裝置中包括有外圍PC機或便攜設備，并加入了藍牙監控系統，現場的外圍PC機或便攜設備兼作藍牙監控設備，藍牙監控系統與數控主機、外圍PC機或便攜設備互連，數控主機與監控機之間通過安裝在各自主板上的基于USB技術的藍牙設備，利用雙向的藍牙無線數據鏈道實施實時數據傳輸和交流。

三、加工中心在線檢測硬件系統

　對于加工中心和計算機，這里不再贅述，主要介紹測頭。測頭是測量系統中重要的傳感器件。它直接影響到測量精度，也是決定測量系統功能和測量效率的重要因素。數控測量是在計算機控制下，測量頭按照預先編制好的測量步驟和方式順序地進行坐標測量，記錄測量數據并按要求輸出測量結果，其技術實現過程包括數據采集和數據處理。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，所以測頭是實現數控測量的關鍵。要想真正實現加工中心的在線測量，測頭必須有反饋性能，可以搜索前進。

　測頭一般分為機械接觸式和光學非接觸式兩種。常用的有機械觸發式測頭、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采樣，尤其適用于復雜表面的工件、齒形和齒向誤差的測量；顯微鏡式測頭利用光學儀器能測量各種復雜零件。但是，這兩種測頭價格昂貴，且受工件表面狀況的限制，如工件表面的油膜、金屬屑等。機械觸發式測頭結構簡單，價格相對較低，并且由于通過觸發力啟動機械結構產生信號，基本不受油膜干擾，具有高可靠性。此外，機械觸發式測頭還具有體積小、安裝操作方便、精度高和靈活等優點，使用機械式觸發測頭只需幾個關鍵點即可得到規則形狀甚至復雜形狀的尺寸及精度。因此，機械觸發式測頭為目前數控機床在線檢測技術中普遍采用的關鍵基礎部件。

　目前，接觸式測頭使用最廣、精度較高的是英國Renishaw公司生產的接觸式測頭。圖3所示為Renishaw OMP60測頭結構。該測頭采用最先進的調制光學傳輸方法，具有極強的抗光干擾能力，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，也能進行測量，實現360°紅外傳輸，OM P60傳輸距達6m，適用于中型和大型加工中心，也非常適合加裝到現有機床或者機械臂上，以改善檢測性能。OMI-2是集成型的光學收發器/接口，用于傳輸和處理工件檢測測頭與數控系統之間的信號。該測頭（包括刀柄）與刀具一樣，安裝在刀庫或主軸上，測量信號從光學式測頭傳到OMI-2光學接收器，然后通過電纜再傳輸到轉換器和機械臂（或機床）的控制系統。

圖3 Renishaw OMP60測頭結構

四、加工中心在線檢測軟件系統

　數控機床在線檢測技術的關鍵主要體現在檢測程序的編制上，檢測程序編制質量的優劣直接影響到檢測效果。目前檢測軟件有商業化軟件和自主開發的軟件。商業化軟件，如Delcam公司的檢測系統PowerINISPECT。自主開發軟件的編程方式有基于C、C++、VC、delphi等開發平臺的在線檢測編程和基于開發平臺的在線檢測編程。

　英國Delcam公司的檢測系統PowerINSPECT是一款開放的檢測軟件，如圖4所示。它不受測量設備的限制，既可以在線檢測，也可以脫機檢測。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生產廠商的檢測設備聯機工作，進行檢測數據與理想的CAD模型在線檢測對比；它能以不同顏色點云的方式來顯示誤差的信息，并能方便地輸出符合國際標準的檢測報告。PowerINSPECT不僅提供在機檢測的功能，還能夠在檢測前針對讀取的CAD模型進行檢測路徑的編程工作，并進行檢測的仿真。隨后可以把編制好的程序傳輸給CNC檢測設備，進行自動檢測。同時，編制檢測程序，可以使設計和檢測部門的相關人員協同工作，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：可以和已有的手動檢測設備進行聯機工作；也可以和已有的CNC檢測設備進行聯機工作；對已有的檢測設備進行改造后聯機工作；配合最新的接觸和非接觸式檢測設備聯機工作，以滿足用戶對檢測效率和效果的更高要求；也可以配合新式數控機床上的測量裝置進行在線檢測。

五、加工中心在線檢測技術的發展趨勢

　硬件方面開發高精度的三維測頭，測頭應包括對測頭誤差的補償；提高探測速度，改進探測方法，包括掃描與吃躍測量；發展測頭附件，包括各種探針、接長針、測頭回轉體和測頭自動更換裝置等；發展非接觸測頭，提高測量速度，便于擴大量程，測量柔軟的和易于變形的被測件。

　軟件方面從單參數檢測向多參數綜合檢測，從單純檢測向檢測與控制的閉環系統發展；微機化、智能化，當生產線參數變化及出現外界干擾時，在線檢測系統能使生產系統迅速適應變化和排除干擾；提高檢測系統的可靠性等。

六、結束語

　在線測量技術應用于加工中心，其最直接的經濟效益就在于既節省了工時又提高了測量精度。目前看來，加工中心在線檢測技術在使用上還處于普及階段，尚未得到大規模應用。其原因是企業花費大量資金用于購置加工中心，但由于一些附屬設備的昂貴價格，使企業在進行技術經濟方面的分析時，不愿在這些附件上再進行投資。在線檢測技術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差錯，容易損壞整套檢測系統。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，基本上停留于數控系統本身所提供的一些功能，在線檢測技術對于一般企業的確顯得有些奢侈。現代的設計制造理論及先進的技術裝備在在線檢測方面沒有得到應有的體現，致使在線檢測技術在發展上處于落后階段，同時在這方面研究的滯后，也成為相關領域發展的瓶頸。但在線檢測技術在數控機床中的應用未來具有廣淘的前景。

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