数控加工中的在线测量技术应用.pdf

2 0 2 3年3月第2 2卷第1期滁 州 职 业 技 术 学 院 学 报J o u r n a l o fC h u z h o uP o l y t e c h n i cM a r.2 0 2 3V o l.2 2N o.1收稿日期:2 0 2 2-0 8-3 0基金项目:滁州职业技术学院科研规划重点项目“基于视觉系统下数控零件加工在线测量研究”(Y J Z-2 0 1 8-1 5)作者简介:卢干(1 9 7 8-),男,安徽定远人,硕士,实验师;牛耀国(1 9 7 8-),男,山西吕梁人,硕士,实验师。数控加工中的在线测量技术应用卢 干1,牛耀国2(1.滁州职业技术学院,滁州2 3 9 0 0 0;2.中国计量大学,杭州3 1 0 0 1 8)摘 要:在数控加工高精度的趋势下,结合在线测量技术,实时监测加工运行情况是制造业发展的必经之路。本文阐述了当前在数控加工中的在线测量技术应用,包括在线测量技术的发展经历、基本流程、工艺原理和误差情况分析,当前在数控加工方面的应用领域及未来的发展趋势,有利于在线测量技术在数控加工领域的发展应用。关键词:数控加工;在线测量技术;数控机床中图分类号:T G 6 5 9文献标识码:A文章编号:1 6 7 1-5 9 9 3(2 0 2 3)0 1-0 0 3 3-0 4A p p l i c a t i o no fO n-l i n eM e a s u r e m e n tT e c h n o l o g y i nN CM a c h i n i n gL UG a n1,N I UY a o g u o2(1.C h u z h o uP o l y t e c h n i c,C h u z h o u2 3 9 0 0 0,C h i n a;2.C h i n aJ i l i a n g U n i v e r s i t y,H a n g z h o u 3 1 0 0 1 8,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h e t r e n do fh i g hp r e c i s i o nC N Cm a c h i n i n g,c o m b i n e dw i t ho n l i n em e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y,r e a l-t i m em o n i t o r i n go f m a c h i n i n go p e r a t i o ni st h eo n l y w a yt ot h ed e v e l o p m e n to f m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y.I nt h i sp a p e r,t h ed e t a i l e da p p l i c a t i o no f o n l i n em e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y i nN Cm a c h i n i n g i sp r e s e n t e d,i n c l u d i n gt h ed e v e l o p m e n to fo n l i n em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y,b a s i cp r o c e s s,p r o c e s s i n gp r i n c i p l e,e r r o ra n a l y s i s,c u r r e n ta p p l i c a t i o nf i e l d sa n df u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n di nN C m a c h i n i n g,w h i c hi sc o n d u c i v e t ot h ed e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o no fo n l i n em e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fN Cm a c h i n i n g.K e yw o r d s:C N Cm a c h i n i n g;o n-l i n em e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y;N Cm a c h i n e t o o l 一、在线测量技术的发展历程在线检测技术是随着世界工业自动化进程逐步发展完善的。最初在线测量技术仅仅在一些大学和实验室中被应用,后来被一部分这些地方的研究人员进入生产企业后带入了工业生产过程中,逐渐被人所重视,后随着工业自动化进程逐渐发展开来1。由于在线测量技术在中国起步较晚,建国之后因为对于工业生产精度要求不高,没有相关概念,缺乏质量控制意识,所以一直没有引起注意。这种情况一直延续到1 9 9 8年,随着改革开放浪潮的愈趋稳定,吸引了大量的电子、半导体企业投量技术。在当前测量技术的发展表现出现代化的趋势,结合现代信息数字技术的发展,实现工业生产中全过程、全方位的监测工作2。造成如今在线测量技术飞速发展的原因是电子技术与集成电路技术的发展。在集成电路的基础上,传感器的发展迅速,利用传感器进行的测量工作精度也在逐步提高。当前的传感器装置已经能够完成数据采集、分析处理、误差修正等一系列工作,大大减轻了测量分析过程的负担。另一方面,信息化技术的发展带动了测量识别系统的发展,大数据、智能33化的识别方法大大增加了测量过程的准确性。未来在线测量技术的发展过程中,人工智能技术必然会成为发展的一大方向。二、在线测量技术的基本环节在线测量技术的实现不是由一个环节构成的。而是若干个设备环节共同作用组合而成的。外观表现上可能是一个仪器,也可能是数控机床中的某一部分。功能就是能够实时检测出所需数据。在线测量系统如图1所示,一般有数据采集、处理分析、控制反馈三个环节。通常情况下设备由传感器、信号适调电路、信号处理设备与自动控制电路等部件构成。传感器是在线测量技术收集数据的主要手段,利用声光电热等手段,收集被测物体相关信息,之后转化成为原始数据向上进行传输。信号适调电路接收来自传感器的原始数据并进行一定的处理工作,比如放大、减噪,使之变为能够适应单片机处理的数据,之后将处理后的数据传递给单片机。单片机主要作用是对处理过数据进行储存、对比、计算、分析得出结果,通过与正常数据进行对比,及时发现异常数据样本进行报警,将分析检测结果传输给控制系统。自动控制电路在接收到数据结果后,根据预定程序进行操控,没有异常则维持原状,出现异常后进行自动控制,或是发出警报引起工作人员注意处理,或是关停设备避免进一步的损失。图1 在线测量系统结构图三、数控加工中的在线测量技术的工作原理当前测量技术在数控加工中的应用,基本可分为零件测量与刀具测量两类。在整体测量过程中所使用的测量原理大同小异,具体原理如图2所示,主要差别在于所使用的测量设备。对零件进行测量的仪器叫做测头3。对刀具进行测量的仪器叫做对刀仪。图2 在线测量技术原理图零件测量之前,还需要进行识别确认工作,重新认定所要加工的器件,确认后进行加工工作,将被加工部件置于操作台上,利用夹具固定,通过特定探头对加工位置进行准确定位测量。利用测量数据对于初始零件定位进行参数补偿,增进生产精度。在零件加工过程中,还需应用特定探头对操作过程中的零部件进行实时监测,确保尺寸规格符合预期要求。在尺寸测量过程中,整套测量方式与过程成本消耗较大且程序十分复杂,不过在加工过程中对于尺寸的控制十分有效。加工结束后,还需要对零件成品进行质量检测,根据对于各项尺寸参数的测量结果与原有图纸数据进行对比分析,如果存在超出误差范围的差异之处,就会相应地警报,联系工作人员进行返工或其他处理。刀具测量主要应用在对刀具参数情况、损耗情况进行测量。数控机床运行过程中,需要经常对刀具进行更换,每一次更换过程中就可以利用对刀仪测量收集,最后对信息进行记录4。在过去对于刀具参数的测量都是通过人工利用仪器进行测量,得到数据后手动输入。二者对比之下,应用在线测量技术能实时得到刀具参数,并传输给自动对刀系统进行微调,将人工安装刀具产生的误差影响降到最低,利用补偿系统提高操作精度。另一方面,还可以通过在线测量技术预防撞刀情况的产生。在运行过程中实时检测刀具磨损情况,如果出现断刀,则立刻发出警报并停止当前运作机床。具体操作原理为,将测头装置在数控机床主轴之中,由操作人员人为控制数控机床移动,令测43滁州职业技术学院学报 2 0 2 3年第1期头与被测物体相接触,采集数据后由数控系统进行收集整理,记录下此时的坐标数据信息。根据测头与被测零件之间现实的位置关系,与记录的数据信息进行计算,得出被测量出的数据信息,在测出所有需要的位置数据信息后,进行相关运算分析,得出最后所需的测量信息,并利用这些信息对加工过程进行调整。四、数控加工中的在线测量技术误差分析无论多么完美的设备,在运行过程中,因为各种因素的干扰总是会有误差现象存在,数控加工中的在线测量技术自然也是如此5。所以需要就数控加工中的在线测量技术产生误差的来源展开讨论分析。(一)在线测量技术误差来源进行任何测量时,我们得到的数据结果永远不会是准确值,只是在一定度量之下得出的近似值。在保障所有外在情况相同下进行同一项测量工作,得到的结果也可能出现不同,这种误差现象会出现在任何地方。而且对于精度要求越高的地方,误差产生的概率也就越大。对数控加工中应用在线测量技术过程进行分析,得出测量误差主要来自于以下4种原因:1.测量设备误差在线测量技术应用到实际测量过程中还是需要借助各种仪器设备的配合来实现。这些仪器在设计、生产过程中本身就会存在一些差异带来误差。比如利用近似结构替代理论结构,没有应用理论中的非均匀刻度等等,测量设备误差主要来源就是在此。一般情况下,因为现实与理论间的差异带来的误差,也被叫做理论误差。2.测量方法误差因为测量方法本身所求结果便存在一定误差而产生的误差现象,一般情况下被叫做方法误差。比如在利用在线测量技术测量数控机床主轴周长时,是通过测量主轴长度L,利用公式s=L来进行计算得出的,但是其中是一个无限不循环小数,运用公式计算得出的结果永远是一个近似值。因为测量方法的不精确性产生的误差就被叫做方法误差。3.测量环境误差因为温度、湿度等环境因素导致的误差就是测量环境误差。而在所有环境误差干扰当中,温度是其中最为活跃的,大部分环境误差的产生都是因为温度引发的。为了解决相关问题,也出台了相关规定对于测量温度进行了限制。测量环境标准温度应为2 0,进行高精度模具测量时应尽量保证温度恒定,不要出现大幅的温度波动。但是在实际生产加工过程中,对于温度的把控不可能做到标准,所以环境误差也是数控加工中的在线测量技术误差现象的主要来源。4.测量人员误差因为测量人员在测量过程中操作、触碰等问题造成的误差都被归到测量人员误差之中。随着测量系统智能化、自动化进程发展,对于人员的依赖逐渐降低,所以人员误差影响因素逐渐降低。(二)在线测量技术误差分析分析了误差产生的来源之后,还需根据数控机床特点,在实际运行过程中寻找误差来源,对数控加工中的在线测量技术误差进行确切分析。在对数控加工机床实际运行情况进行简化分析发现:可将测头与加工刀具放在一起视为同一零部件,待测物体为另一部件,将与机床直接连接的称为运行部件,被测物体称为待测部件。在数控机床加工过程中,机床必须进行相应的操作才能完成对待测部件的加工,运行部件随着进行相同操作。在加工过程中进行检测工作,会出现刀具切削力,产生相应的切削热,测头也会受到相应影响。具体误差分析如下:1.测头误差测头误差一方面来自测头自身构造与检测方法出现的静态误差,另一方面来自加工过程中刀具产生的动态误差以及安装时产生的安装误差。2.测头静态误差测头静态误差主要来自于测头测量盲区与测量过程中出现的对同一位置多次定位造成的误差。整体误差伴随着测头长度、刚度、压力的变化而变化,始终存在无法消除。而在测头进行重复定位时将出现一定程度的随机误差。因为当前应用的触发型测头本身的测量精度较高,产生误差波动范围较小,所以对于整体误差影响较小。3.测头动态误差通过对测头进行检测分析得出,测头产生的动态误差包括动态误差与动态随机误差两类。误差产生原因与机床运行过程运动轨迹和运动速53卢 干,等:数控加工中的在线测量技术应用度,机床刀具加工过程产生的切削热也会产生相应影响。4.测头安装误差测头安装误差包含许多方面因素影响,安装时锥孔锥尾情况,接触面清洁情况等都会对测量过程产生干扰。在重复定位过程中,会导致出现测头测量离散度。除了安装过程之外,更换刀具过程与刀具加工作业时的冲击现象,也会对测头安装固定产生一定影响,干扰检测精度。5.几何误差通常情况下,数控机床的坐标数据信息主要由X、Y、Z三个坐标组成。在理想条件下,对待测物体的测量是通过机床运动改变测头位置完成的,具体行程如图3所示。但在实际运行过程中,因为机床各组件之间制造、安装误差的存在,以及各组件间空隙、润滑情况的不同。机床在完成设定好的加工过程中,会出现细微的差异。虽然一处对于整体测量过程的影响微乎其微,但是随着各种因素的累计,最终导致测量过程中出现整体几何误差。图3 测图理论预行程五、数控加工中的在线测量技术的应用(一)工件测量定位在大型模具或精密模具加工过程中,对于各处加工位置与加工程度有着及其严格的规定,如果加工位置发生偏移,可能造成生产部件无法使用,浪费原料和大量人力,还会耽误设备生产工期5。为了应对这种情况,应用在线检测技术对零件生产过程中进行定位测量,确定加工位置,还可以对模具各处角度、孔洞情况进行检测,确定加工是否符合标准。在线检测过程一般几十秒就可得出结果,完全不影响加工过程进行。目前广泛应用于大型模具与精密仪器加工过程中6。(二)刀具参数测量机床刀具是数控机床加工过程中的重要设备,但是在生产过程中因为产品类型的不同,需要经常更改机床刀具参数来适应生产。在过去机床刀具参数的更改需要不断进行调试,需要大量时间7。现在利用在线测量技术实时检测刀具参数运行情况,并综合考虑跳动、热膨胀等因素,进行数据分析,在极短时间内得出所需的机床刀具参数。大幅缩短了测试时间,提高生产效率。(三)刀具磨损监测在工业生产过程中,因为与原料间的相互作用,必然对机床刀具产生磨损。刀具磨损后,对于生产精度、产品质量都会有所影响8。所以为了解决相关问题,应用在线检测技术实时监控机床刀具情况,对于轻微磨损的刀具,通过补偿等手段,保证生产精度。当前刀具测头的精度大多在1m左右,可测刀具直径0.0 3mm,可在1 s左右完成检测,对出现破损的刀具,及时预警,进行修补或更换。确保生产工作平稳高效进行。(四)零件识别判定在过去工业生产过程中,对于生产的零部件往往是通过人工进行识别核对。有时会出现生产某些零部件过程中计数出现问题,部分原料出现短缺,延误工期。在引进在线测量技术后,可以通过零部件特征识别零件类型,自行计数,并根源剩余原料存量智能分配。通过与其他智能系统相配合,达到无人化生产。(五)零件质量检测在工业生产过程中,存在着一部分原料价格较高,生产周期长的零部件,在生产加工时需要精度极高。在过去的加工过程中需要多次将零部件置入计量室进行测量,根据测量结果调整加工方式,耗时费力,增加了大量人力物力成本。在应用在线测量技术后,只需要一个检测循环就足以完成所有工作。极大减少了生产过程中造成的零部件损坏。六、未来 数 控 加 工 中 应 用 在 线 测 量 技 术 的趋势我国每年因为生产过程中造成的产品质量问题所引发的损失并不在少数,将在线测量技术应用在数控加工过程中具有节约人力物力成本,提高生产精度,缩短制造工期的优点,(下转第3 9页)63滁州职业技术学院学报 2 0 2 3年第1期图4 显微镜下观测的微球五、总结微球腔是回音壁模式光学谐振腔中的一种,且这种微球腔比较容易制备,本文介绍了C O2激光器制备微球腔和光纤熔接机制备微球腔两种制备方法,并详细介绍了基于光纤熔接机制备微球腔的方案,并制备出直径为3 8 0u m的微球腔。参考文献:1R a y l e i g hL.C X I I.T h ep r o b l e m o ft h ew h i s p e r i n gg a l l e r yJ.T h e L o n d o n,E d i n b u r g h,a n d D u b l i nP h i l o s o p h i c a lM a g a z i n e a n dJ o u r n a l o f S c i e n c e,1 9 1 0,(1 2 0):1 0 0 1-1 0 0 4.2董永超.回音壁模式微腔的耦合特性与封装技术研究D.合肥:中国科学技术大学,2 0 1 6.3王越.光纤耦合回音壁模式光学谐振腔热非线性及模式耦合研究D.北京:中国科学院大学,2 0 1 6.4曹娜.光电振荡器的关键技术研究D.成都:电子科技大学,2 0 1 9.5M a k e r,A.J.A r M a n i,A.M.F a b r i c a t i o n o fS i l i c aU l t r a H i g h Q u a l i t y F a c t o r M i c r o r e s o n a t o r sJ.V i s u a l i z e dE x p e r i M e n t s,2 0 1 2,1 0.3 7 9 1/4 1 6 4.6A r M a n i,D.K.,K i p p e n b e r g,T.J.,S p i l l a n e,S.M.,&V a h a l a,K.J.U l t r a-h i g h-Qt o r o i d M i c r o c a v i t yo nac h i p.N a t u r eJ.4 2 1,9 2 5-9 2 8(2 0 0 3).(上接第3 6页)在未来数控机床加工中对于在线测量技术的应用将会逐渐增多,应用前景广阔9。而现在随着时代的发展,机械制造正在朝着高精度、高速化、智能化方向发展。数控机床加工精度越来越精细,控制器功能越来越多样。在未来的数控加工过程中,对于人力的需要会逐渐降低,趋向于无人化生产方向发展,这其中避不开的就是测量技术的发展。在线测量技术在未来一定会成为无人化生产的支柱技术。在线测量技术未来必将朝向智能化方向发展,形成生产加工一条龙智能化操作流水线。从目前制造业发展趋势来看,数控机床加工的应用将不断扩大,生产规模不断壮大,虽然如今数控机床加工已经发展得较为成熟,但是还是存在各种原因导致各种质量问题的出现,在此时,在线测量技术就突显出了他的作用。本文通过对于在线测量技术在数控加工过程中的应用研究,论述了在线测量技术的发展历程,测量原理,分析其应用在数控机床加工过程中的优缺点和误差产生原因,以及当前在数控机床过程中的应用,展望了未来测量技术在数控机床加工中应用的前景与发展趋势,对在线测量技术在数控机床加工中应用的推广有所帮助。参考文献:1杨天时.基于神经网络的船舶机械部件数控加工误差控 制 研 究 J.舰 船 科 学 技 术,2 0 2 1,4 3(2 4):2 1 1-2 1 3.2王胜曼,牛博英,孙晓燕.一种采用动态补偿的五轴机床铣削力预测方法J.机床与液压,2 0 2 2,5 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