王忠平，徐鵬

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111）

數(shù)控加工中的在機(jī)檢測(cè)技術(shù)研究

王忠平，徐鵬

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111）

在機(jī)檢測(cè)技術(shù)是基于傳統(tǒng)加工的特點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的。通過(guò)高精度的觸發(fā)式測(cè)頭直接對(duì)工件實(shí)現(xiàn)加工質(zhì)量的檢測(cè)，達(dá)到了加工與檢測(cè)功能的集成。本文研究了在機(jī)檢測(cè)在數(shù)控加工中的關(guān)鍵技術(shù)，并闡述了在機(jī)檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)了“加工”—“測(cè)量”—“補(bǔ)償加工”閉環(huán)控制，已成為企業(yè)加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量控制、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、降低生產(chǎn)成本、提升企業(yè)效益的有效途徑。

在機(jī)檢測(cè)；數(shù)控加工；加工系統(tǒng)

傳統(tǒng)的機(jī)械加工，產(chǎn)品質(zhì)量的檢測(cè)往往依賴操作者的技能，難以避免人為誤差或人為錯(cuò)誤，并且難以對(duì)自由曲面進(jìn)行檢測(cè)；此外，發(fā)現(xiàn)所加工的產(chǎn)品為廢品時(shí)，通常加工過(guò)程已經(jīng)完成，造成了加工成本的浪費(fèi)，而且尋找問(wèn)題的根源困難重重。

隨著機(jī)械加工制造系統(tǒng)的集成度和自動(dòng)化水平的提高，在機(jī)檢測(cè)技術(shù)OMV（On Machine Verification）正是基于傳統(tǒng)加工的特點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的[1，2]。使用在機(jī)檢測(cè)技術(shù)對(duì)整個(gè)加工過(guò)程的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)及監(jiān)控，已成為現(xiàn)代化加工制造業(yè)的必然要求[3-5]。其優(yōu)點(diǎn)如下：先進(jìn)的作業(yè)流程改變固有工藝，實(shí)現(xiàn)工藝自動(dòng)化；提高產(chǎn)品質(zhì)量，多次的工件安裝和夾具找正簡(jiǎn)化為單步；制造過(guò)程可以通過(guò)數(shù)控在線質(zhì)量控制系統(tǒng)全程評(píng)估；機(jī)床占有時(shí)間和產(chǎn)品質(zhì)量大幅提高，最少人工干預(yù)，質(zhì)量可追溯性強(qiáng)。因此，本文重點(diǎn)研究并闡述了在機(jī)檢測(cè)的技術(shù)原理及其關(guān)鍵技術(shù)。

1 在機(jī)檢測(cè)的技術(shù)原理

在機(jī)檢測(cè)的技術(shù)原理如圖1所示。首先輸入要檢測(cè)的CAD模型，然后由裝載在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的測(cè)量軟件生成檢測(cè)的NC代碼，并將NC代碼通過(guò)通信接口傳輸給數(shù)控機(jī)床，以控制測(cè)頭按照測(cè)量的程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，當(dāng)測(cè)頭接觸工件時(shí)便發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，接收器接收觸發(fā)信號(hào)，隨后轉(zhuǎn)換為數(shù)控系統(tǒng)可識(shí)別的信號(hào)，并傳送給數(shù)控系統(tǒng)。觸發(fā)信號(hào)被數(shù)控系統(tǒng)接收后，機(jī)床停止運(yùn)動(dòng)，測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)通信接口返回計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，然后進(jìn)行下一個(gè)測(cè)量動(dòng)作直至所有測(cè)量動(dòng)作完成。測(cè)量軟件對(duì)返回的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，輸出相應(yīng)檢測(cè)報(bào)告。

圖1 在機(jī)檢測(cè)的工作原理示意圖

2 在機(jī)檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1對(duì)測(cè)頭進(jìn)行標(biāo)定

在機(jī)檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)使對(duì)測(cè)頭進(jìn)行標(biāo)定。測(cè)頭標(biāo)定是指測(cè)頭探針接觸測(cè)量固定在機(jī)床工作臺(tái)上直徑已校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)球上的不同位置，由各接觸點(diǎn)的坐標(biāo)值計(jì)算出測(cè)頭的有效半徑和標(biāo)準(zhǔn)球的球心坐標(biāo)值，并存儲(chǔ)在數(shù)控系統(tǒng)中用于后續(xù)測(cè)量。測(cè)頭的精確標(biāo)定是保證在機(jī)測(cè)量精度的前提條件。為保證測(cè)頭精確標(biāo)定，采用25點(diǎn)標(biāo)定法，如圖2所示。

圖2 測(cè)頭標(biāo)定示意圖

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)球的球心坐標(biāo)為（x0，y0，z0），將球面標(biāo)準(zhǔn)方程整理可得：

設(shè)hi（xi，yi，zi）為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，i∈（1，25），根據(jù)最小二乘法原理，可得目標(biāo)函數(shù)

2.2 對(duì)檢測(cè)路徑進(jìn)行標(biāo)定

檢測(cè)路徑的標(biāo)定采用自適應(yīng)變步長(zhǎng)原理，如圖3所示。

圖3 不同曲率的逼近誤差比較

其原理是：在同一步長(zhǎng)條件下，曲率較小的圓弧ADB處所產(chǎn)生的逼近誤差較小，曲率較大的圓弧ACB所產(chǎn)生的誤差較大，因此，比較逼近誤差就可以得知該處的圓弧曲率與上一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)的圓弧曲率的大小的情況。在滿足精度要求時(shí)，依據(jù)曲面的各部分的曲率變化，采取相對(duì)應(yīng)的編程步長(zhǎng)，從而使編程的每一步長(zhǎng)達(dá)到最優(yōu)化。這樣就可以依據(jù)組合曲面的各部分的曲率變化實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

該方法生成測(cè)點(diǎn)的基本步驟：設(shè)M、N為參數(shù)變量（M∈[0,1]，N∈[0,1]），把M、N分別從0開始以各自固定步長(zhǎng)遞增，則可分別得到M、N向參數(shù)線，兩參數(shù)線任意交點(diǎn)即為測(cè)點(diǎn)。設(shè)M向步長(zhǎng)取為a，N向步長(zhǎng)取為b，則M向第i個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，N向第j個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)為：基于B樣條基函數(shù)定義：

分別計(jì)算mi在M向基函數(shù)值UM和ni在N向基函數(shù)值UN，可以求解得到M、N參數(shù)控制點(diǎn)Pi，j的坐標(biāo)值，即測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，

其中ωi，j為控制點(diǎn)Pi，j的權(quán)因子。

按照以上測(cè)量路徑規(guī)劃，即可得到測(cè)量路徑，以某一復(fù)雜曲面為例，如圖4所示，其測(cè)量路徑為黑點(diǎn)部分。

圖4 復(fù)雜曲面測(cè)量路徑實(shí)例

3 在機(jī)檢測(cè)技術(shù)的功能

應(yīng)用在機(jī)檢測(cè)可以在加工機(jī)床上發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和判斷問(wèn)題，從而節(jié)省大量時(shí)間和成本，其主要功能有：

（1）能夠讀取各種數(shù)據(jù)格式的三維CAD模型數(shù)據(jù)，如圖5所示。保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，測(cè)量數(shù)據(jù)可以直接和CAD模型產(chǎn)生對(duì)比測(cè)量結(jié)果；可以高速輸入、輸出包括IGES、VDA-FS、STEP、ACIS、Parasolid、Pro/E、CATIA、UG、IDEAS、SolidWorks、SolidEdge、AutoCAD、Rhino 3DM、Delcam DGK和Delcam Parts在內(nèi)的廣泛格式的三維CAD數(shù)學(xué)模型，并能很好地保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。

圖5 三維CAD模型數(shù)據(jù)

（2）具有產(chǎn)生全范圍的幾何元素用于檢測(cè)工件上的標(biāo)準(zhǔn)體素特征，還可通過(guò)投影和相交這些特征到已有幾何元素而產(chǎn)生抽象特征，如圖6所示?？蓹z測(cè)的幾何元素有：平面、直線、點(diǎn)、特征如圓（孔和凸臺(tái)）、槽、長(zhǎng)方形、具有指定邊數(shù)的規(guī)則多邊形、圓柱（孔和凸臺(tái)）、圓錐、球和環(huán)等?？蓪z測(cè)數(shù)據(jù)生成直線、曲線和標(biāo)準(zhǔn)體素，并可將這些數(shù)據(jù)輸出，用于逆向工程等工作。

圖6 工件上的體素特征

（3）具有幾何特征檢測(cè)、曲面公差檢測(cè)等功能，包括：點(diǎn)、線、面、圓度、圓柱度、球度、曲面點(diǎn)等；可對(duì)幾何元素進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括：位置、直徑/半徑、角度、距離等信息；也可對(duì)形位公差進(jìn)行評(píng)價(jià)，包括：平面度、直線度、圓柱度、圓錐度、球度等等。

（4）實(shí)現(xiàn)了多種檢測(cè)功能，例如：邊緣檢測(cè)，邊緣是CAD曲面的消失處，通過(guò)檢測(cè)切口的邊緣情況與相應(yīng)的理論CAD模型邊緣進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)其精度進(jìn)行檢測(cè)；截面檢測(cè)，通過(guò)設(shè)置一截面組可對(duì)零件的平面截面進(jìn)行檢測(cè)。

（5）測(cè)量路徑可在軟件模擬，避免碰撞等干涉現(xiàn)象。如果在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)非正常觸發(fā)，將自動(dòng)停止機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)，并提示操作人員。

（6）可支持多種機(jī)床配置，包括：車銑復(fù)合中心，立臥轉(zhuǎn)換模式等。在機(jī)檢測(cè)執(zhí)行程序是標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床代碼，并且完全開放可見(jiàn)，并可在完整加工程序代碼中加入檢測(cè)程序，用于過(guò)程檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)束后，可以方便地輸出檢測(cè)報(bào)告。需提供了智能化的功能，使檢測(cè)報(bào)告的輸出既方便又可靠。

4 在機(jī)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

以某廠加工某種產(chǎn)品為例，采用Delcam高級(jí)多軸銑削和質(zhì)量實(shí)時(shí)控制的“PowerMILL+PowerINSPECT”的解決方案。其加工和檢測(cè)過(guò)程如下：

（1）通過(guò)PowerMILL輸出的NC程序進(jìn)行五軸粗加工，如圖7所示。

圖7 產(chǎn)品粗加工現(xiàn)場(chǎng)

（2）通過(guò)PowerINSPECT OMV的檢測(cè)NC程序進(jìn)行五軸檢測(cè)，如圖8所示。

圖8 產(chǎn)品粗加工后的在機(jī)檢測(cè)

本工序的目的是確認(rèn)開粗完畢后對(duì)工件的余量控制是否精確，工件基準(zhǔn)是否加工精確，工件是否有較大的變形。同時(shí)能夠及時(shí)對(duì)工藝進(jìn)行改善，減少中間過(guò)程出現(xiàn)的不良反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)“加工過(guò)程不留遺憾”。

（3）確認(rèn)粗加工完全符合要求之后，通過(guò)Power－MILL輸出的NC程序進(jìn)行五軸精加工加工，如圖9所示。

圖9 產(chǎn)品精加工現(xiàn)場(chǎng)

（4）精加工結(jié)束后，通過(guò)PowerINSPECT OMV的檢測(cè)NC程序進(jìn)行五軸檢測(cè)，如圖10所示。

圖10 產(chǎn)品精加工后的在機(jī)檢測(cè)

（5）最后輸出檢測(cè)報(bào)告。如圖11所示。

圖11 檢測(cè)報(bào)告

由檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)產(chǎn)品加工可實(shí)現(xiàn)精度控制在μm級(jí)范圍，公差范圍控制在μm級(jí)范圍，可獲得非常高精度和表面加工質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

在機(jī)測(cè)量技術(shù)作為一種先進(jìn)測(cè)量技術(shù)，將精密數(shù)控機(jī)床和精密測(cè)量設(shè)備有效集成，實(shí)現(xiàn)了“加工”—“測(cè)量”—“補(bǔ)償加工”閉環(huán)控制，減少了工件的搬運(yùn)和裝夾時(shí)間，顯著提高了生產(chǎn)效率，從而提高了機(jī)床的生產(chǎn)力，節(jié)省了公司的人員成本，節(jié)省了搬運(yùn)成本，已經(jīng)成為保證零件加工質(zhì)量的重要手段，同時(shí)企業(yè)也不需要再投入資金購(gòu)買更多的檢測(cè)設(shè)備。因此，在機(jī)檢測(cè)技術(shù)已成為企業(yè)加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量控制、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、降低生產(chǎn)成本、提升企業(yè)效益的有效途徑。

[1]鄭惠江.在機(jī)檢測(cè)中曲面拓?fù)涮卣髦亟ê蜋z測(cè)點(diǎn)分布關(guān)鍵技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[2]胡艷娥，諸進(jìn)才.在機(jī)檢測(cè)觸發(fā)式測(cè)頭系統(tǒng)的誤差分析與實(shí)驗(yàn)[J]．機(jī)電工程技術(shù)，2015：44（2）：9-13.

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Research on the Application of OMV in NC Machining

WANG Zhong-ping，XU Peng
（China Qingdao Sifang Locomotive Limited by Share Co.，Ltd.，Qingdao Shangdong 266111，China）

In machine detection technology is based on the characteristics of traditional processing and developed. The machining quality of the workpiece can be directly detected by the high-precision trigger probe，and the integration of machining and testing functions can be achieved.This paper studies the key technologies in machine detection in NC machining，and expounds the advantages of machine detection technology，can realize the“processing”and“measurement”“compensation processing”closed-loop control，has become the enterprise to strengthen quality control，improve the market competitiveness and effective way to reduce production costs，improve enterprise efficiency the.

in machine detection；NC machining；machining system

TH164

A

1672-545X（2017）06-0226-04

2017-03-15

王忠平（1980-），男，山東青島人，本科，高級(jí)工程師，研究方向：鋁合金高速加工。