数控加工中在线测量技术

时间：2024-05-04

房明

（白银矿冶职业技术学院甘肃省白银市 730900）

在国民经济日渐发展的今天，人们对机械产品等的质量要求日渐提高，为提升生产质量，很多生产企业都建立了数控加工生产线，不仅提升了生产效率，更保障了生产质量和产品精度，给企业创造了巨大的效益。但数控加工领域，在线测量技术的应用非常关键，很多建立了数控加工线的企业，在当下都致力于在线测量技术的创新和研发，计算机集成技术等的出现，给在线测量技术的发展提供了新的思路，相关生产企业要通过先进在线测量技术的应用，来提升数控加工的整体水平。

1 测量技术的发展

在生产领域，测量技术是一个关键性的技术，在长期的生产技术变革中，测量技术呈现出静态化的特征，其测量对象在一定的时间段内呈现出静态化的特征，或者即使存在变化也仅仅是极其微小的变化，为离线状态下的测量。因此，这种离线测量技术下，更适用于原材料、零部件和成本的测量，无法实现全过程、动态化的测量。如果各个生产企业能够在加工生产过程中在生产线、加工中心实现对生产过程的测量，也就是变离线测量为在线测量，使得生产过程中的总体消耗和成本都得以降低，在产量提高的同时增加效益，提升在同类型企业中的竞争水平[1]。因此，在线测量作为动态化监测的关键，可以有效实现全过程跟踪监测，及时帮助生产企业识别和诊断各类风险和故障，促进生产的高效实施。

测量技术在当下的技术条件下已然呈现出现代化的特征，现代测量技术的出现，使得在测量系统、被测系统和环境之间的互相配合下，被测系统和要素都得到了全过程的监测。根据当下测量技术的发展现状，电子技术和集成电路工业等是带动测量技术发展的关键技术，将敏感元件与调节电路集中于一体的传感器，使得集成电路技术在测量领域的应用作用越来越突出。传感器构成复杂，计算装置仅仅是其中的一个部分，在传感器的信息采集中，也就可以同步进行相应的计算，进而来实现对误差的修正，兼具误差修正、环境适应补偿和自诊断的功能，保持与数字计算机的高效通讯，使得测量技术能够在传感器的辅助下，实现测量结果的实时传输和指令发送、执行。在技术快速发展的过程中，专用集成电路在测量技术中已经成为了关键性的配备，有效提高了测量结果可靠性。市场上的一些专有测量仪器中，同样有着数字计算机技术的应用，比如，系统辨识和模式识别，使得测量过程中的信息处理更具智能化，当前及未来的发展中，人工智能势必成为关键性的技术。

2 在线测量的基本环节

数控加工中的在线测量技术应用，关键是要发挥测量系统的作用，测量系统为完成某一种或者多种测量工作中所涉及的全部仪器设备的综合，有时测量系统仅仅为一台仪器，有时为一体机械加工装备中的基本构成，具体的测量工作进行时，在测量过程中，测量系统可以在一定的误差范围内帮助人们准确了解关于被测对象的相关量值。

在数控加工中，测量系统的测量工作是通过对相应的信息数据采集，来进行相应参数的进一步处理，结合总体的目标进行相应的优化。测量系统的构成复杂，包含了传感器、信号适调电路、微机信号处理和自动控制电路，测量系统的运行中，传感器作为系统输入端而存在，负责各种数据和信息的采集，可以在数据信息采集的过程中获得关于被测对象的原始数据；信号适调为系统中的适调处理装置，负责的前期传感器所采集信号的前置放大和适调，在经由这一处理流程以后，也就形成了与微机处理要求相一致的数据形式；信号处理是对前期失调部分的输出信号加以存储、比较、运算的过程，根据最终的数据处理结果，来精准进行零件加工精度的评定，必要情况下向控制装置进行控制信号和指令的发送；控制部分是整个测量系统中的输出端，可直接进行测量数据和结果的显示[2]。

表1：非接触式探头与接触式测头对比

图1：在线测量系统构成

3 机床在线检测技术的工作原理及优缺点

根据当下数控加工中的在线测量技术发展现状，主要包含了工件测量和刀具测量两种，二者的工作原理有着极高的相似度，但在具体的测量工作开展时，所选用的测量设备却有着明显的区别，其中，工件测量设备和刀具测量设备分别统称为测头、对刀仪。

工件测量工作开展的过程中，为使得测量工作能够顺利实施，一般包含了机床加工程序运行之前的工件确认、程序运行中的尺寸监测、加工结束后的尺寸验收。在工件加工的过程中，首先将工件放入机床中，当夹具夹紧以后，利用专有测头对工件位置加以精准测量，这一测量工作实施中，也就能够实现对工件定位中的误差补偿，提升整体的加工精度。测量工作实施中，专有测头负责对工件加工尺寸的测量，这一测量技术应用中，整体的测量流程复杂且需要投入较高的成本，在精密磨床、抛光机的在线尺寸控制中非常有效[3]。当工件加工作业全部结束以后，再由测头来进行加工部位的测量，根据测量结果来进行加工尺寸的有效判定，如果加工尺寸不符合相应的加工设计要求，机床相应模块就会立即发送相应的警报，快速进行相应问题的处理。

刀具测量在机床新刀具的刀长刀径测量、断刀测量方面都非常有效，当在数控机床的生产过程中，一旦更换了新的刀具，为完成相应的测量工作，就可以借助于对刀仪来负责测量工作，并将所掌握到的测量数据在刀具表中记录下来。与传统的离线刀具测量中数据手动输入的模式相比，自动对刀模式下，能够对刀具的安装误差加以科学补偿，并减少在操作方面的输入问题，不仅可以使得在数控加工过程中的加工精度得以提升，更可以起到对撞刀现象的预防。在刀具加工作业全面结束并放回刀库之前，同样需借助于对刀仪来负责进行刀具折断现象的检查，一旦发现了存在断刀现象，机床会立即发送报警信号并停止加工作业。

4 在线测量的系统组成

在线测量技术在应用中，关键是要进行数控机床控制系统和加工平台的建设，当下在信息技术日渐发展的今天，专家学者逐步开发出了接触式在线测量系统，该系统已然被应用到了一些数控加工企业。

从宏观性角度分析，硬件系统和软件系统是其中的关键构成，在相应的控制模块下，也就保持了软硬件之间的可靠连接，再进一步细分以后，硬件系统主要为数控机床的机械系统和附属系统，软件系统为数控编程模块、后置处理软件。数控加工系统与在线测量系统的软硬件构成部分和运行原理都有着高度的相似下，以接触式在线测量系统为例，该系统开发是在数控编程软件基础上进行的，充分整合了数控机床控制系统和测量系统，软硬件系统经由控制系统和测量系统的可靠连接，使得该系统能够在数控加工测量中保障数据的采集和处理，也就提升了测量精度[4]。在线测量系统构成如图1所示。

5 数控机床在线检测过程

数控机床的在线检测系统运行中，测头系统作为其中的关键构成部分，其对于测量精度的影响十分直接。在当下的数控加工领域，无论是各个工件的加工还是测量，几乎都配备的是触发式测头，此类测头相对特殊，非接触式测头与接触式测头的对比如表1所示。在开展测量工作时，该测头可以根据其所掌握到的相关信息和数据来给系统提供对应的触发信号，并将该信号直接传输于数控系统中，获取对应的坐标信息[5]。经由相关程序的中断，也就可以进行相应的指令发送，当测头与空间直接接触以后，系统中的相应模块就会立即向数控机床发出指令中断请求，当接收到中断信号后，经由定位系统，坐标值获得更为便捷，定位精度高。与其他的系统相比，这一在线检测系统的测量精度更高，且系统的构成简单，操作便捷，未来具有更大的发展潜力。

6 规划好检测路径

在数控机床加工中的在线测量技术应用中，重点是要进行检测路径的科学规划，以通过路径规划来保障测量工作的顺利实施。在线检测技术下，采样是测量的首要环节，为获得更为准确的测量结果，在采样过程中需对采样点的数量和分布情况加以科学控制。事实上，就当下的数控加工测量现状而言，全部采样的目标并不能实现，为最大程度上减小测量误差，专业测量人员可以通过检测点数量的方式来实现，整体的测量效率更高[6]。因此，为全面推进测量工作的顺利实施，需进行检测路径的科学规划，使得检测路径可以在顺利完成测量任务的基础上达到高效测量的目标。

7 对于在线检测过程当中所产生的误差进行分析

数控加工在线测量的过程中，常常会受到各种因素的影响而出现测量误差，测量误差的出现可能会最终影响相应的判定。因此，在线测量技术应用中，要重视各种测量误差的分析和预防，尽可能采取必要的控制措施，来将测量结果与实际的偏差控制在标准范围内，误差控制中，首先应针对误差类型和可能引发误差的原因展开详细的分析，在测量数据的处理过程中，适当补偿测头半径。因为在实际的测量工作中常常会面临很多的复杂性问题，为提高测量结果可靠性，需通过多次测量取平均值的方式、误差补偿等方式来减小误差。

8 数控加工-在线测量效率分析

以某数控加工企业为例，该企业在开展数控加工的过程中，采用的就是接触式在线检测技术，该技术在测量过程中取得了理想的效果，给数控加工工艺的改进和优化提供了切实的保障，提升了产品生产质量。选择该企业中的钣金件数控加工轮廓、真空吸附装夹作为测量对象，经由在线测量系统，实现了对数控加工全过程的实时跟踪和监测，也就大大提升了生产效率[7]。当零件基本的检测要求和测量稳定性都符合时，测量和加工都更为有效，在规模化和批量化生产的过程中，在线测量速率相对较高，这些情况表面加工-在线测量系统十分有效，无论是测量技术还是测量效率，都表现出了明显的优势。

如果直接在生产的过程中借助于数控机床来完成在线测量，因为数控机床负责部分的在线测量，也就影响了数控机床的正常加工，导致机床的总体生产能力显著降低。在线测量系统可以改善这一局面，即使是十分复杂的生产工序或者多次测量工作中，在线测量也比离线测量更为有效，在保持了正常的数控加工条件下，也保障了加工质量，产品生产质量显著提升。未来的很多数控加工中，都可以借鉴这一在线测量系统的应用经验，实现对生产流程的适当调整和优化。

9 在线测量发展的趋势

现阶段的很多产品生产中，几乎都实现了数控加工生产，虽然数控加工生产下的生产效率和质量都有所提高，但在整个的生产作业进行中，受到各种因素的影响，势必会出现一定的生产问题，当数控加工中出现了产品质量问题以后，势必会使得企业蒙受巨大的经济损失。因此，在线测量系统已然成为了数控加工中的关键环节，经由在线测量系统的应用，也就可以帮助生产企业及时发现数控加工中的各种问题，并及时进行相应的处理，避免了数控加工中产品质量问题，提高了加工精度。数控加工中的在线测量系统应用，使得在测量过程中实现了对机床数控系统部分功能的利用，测量系统通过测量工作，也就可以快速进行相应信息的反馈，也就可以快速进行系统误差和随机误差的修正，保持了数控机床中各个参数的合理性，保持了数控加工的可靠运行，具有加工测量一体化特征。未来随着技术的不断进步，在机床本身的加工精度和在线测量准确度都显著提升，有数控加工生产线的各个企业，在条件允许的情况下都应该进行高准确度的自适应误差补偿模型构建，在数控机床生产线内形成具有坐标测量功能的在线测量系统。