傳統(tǒng)的零件測(cè)量方法常常采用離線(xiàn)測(cè)量。需把被測(cè)零件從加工設(shè)備轉(zhuǎn)移到測(cè)量設(shè)備上,有時(shí)在一個(gè)加工過(guò)程中甚至需要幾個(gè)來(lái)回,使檢測(cè)工件的費(fèi)用,超過(guò)了工件的加工費(fèi)用。因此通過(guò)使用在線(xiàn)測(cè)量來(lái)代替離線(xiàn)測(cè)量,使得在線(xiàn)檢測(cè)的效率和精確度得到保證的條件下,使質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程更靠近加工過(guò)程,從而保證了工件從加工設(shè)備上卸下的時(shí)候就是合格品。本文介紹的基于Renishaw和Delcam的加工中心在線(xiàn)檢測(cè)是通過(guò)為加工中心配備一個(gè)Renishaw測(cè)頭以及PowerINSPECT在線(xiàn)檢測(cè)軟件,構(gòu)成加工中心在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng),如圖1所示。
圖1 加工中心在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)
在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,機(jī)床測(cè)頭基本上與刀具一樣成為機(jī)床不可缺少的基本備件,如德國(guó)的HAIMER公司、SIMTEK公司和BLUM公司,美國(guó)的MILLSTAR公司,英國(guó)Renishaw公司等,這些制造商的產(chǎn)品均是世界一流,并各自在自己的領(lǐng)域內(nèi)占主導(dǎo)地位。目前,國(guó)外很多知名廠(chǎng)家都開(kāi)發(fā)出了機(jī)床在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)。如英國(guó)Renishaw的Renichine verification,簡(jiǎn)稱(chēng)OMV,是專(zhuān)為機(jī)床而編寫(xiě)的軟件。意大利的Marposs公司推出的一整套計(jì)算機(jī)輔助加工中心在線(xiàn)檢測(cè)方案。英國(guó)DELCAM公司的檢測(cè)系統(tǒng)PowerINSPECT OMV,是一種在數(shù)控加工機(jī)床上使用的、用于自動(dòng)化測(cè)量自由曲面和幾何體的通用在線(xiàn)編程軟件系統(tǒng)。
在國(guó)內(nèi),北京機(jī)床所和航天部303所等單位也相繼研制出機(jī)床在機(jī)測(cè)頭,其測(cè)量控制和數(shù)據(jù)處理都在數(shù)控宏程序中完成,可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的點(diǎn)、線(xiàn)、面等基本形體幾何參數(shù)的測(cè)量。哈爾濱先鋒機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床專(zhuān)用工件檢測(cè)系統(tǒng)及刀具檢測(cè)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)工裝夾具和零件的裝夾找正、零件編程原點(diǎn)的設(shè)定,加工過(guò)程中首件抽檢、工序間重點(diǎn)尺寸的檢測(cè)及加工結(jié)果的最終檢測(cè)等。
一、基于測(cè)頭的加工中心檢測(cè)方法
激光掃描檢測(cè)是指依靠激光測(cè)頭對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)的方式。這是一種非接觸式檢測(cè),掃描速度快、精確度適當(dāng),但對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件,某些遮擋部位就無(wú)法測(cè)量,而且環(huán)境光照對(duì)其影響十分明顯,會(huì)帶來(lái)一定的約束限制。
坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)是一種典型的接觸式測(cè)量,依靠三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)為檢測(cè)工具,對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)量精度較高,在檢測(cè)中有一定的應(yīng)用范圍;但工作條件苛刻,檢測(cè)過(guò)程繁瑣、費(fèi)時(shí)費(fèi)力;只能用于離線(xiàn)質(zhì)量抽檢;返修過(guò)程復(fù)雜、繁瑣、費(fèi)時(shí)、費(fèi)力;定位不準(zhǔn)容易造成附加誤差;體積龐大、價(jià)格昂貴。
工業(yè)CT檢測(cè)是工業(yè)計(jì)算機(jī)層析照相或工業(yè)計(jì)算機(jī)層析掃描成像的簡(jiǎn)稱(chēng)。這門(mén)技術(shù)是放射學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合而產(chǎn)生的一門(mén)成像技術(shù),在無(wú)損檢測(cè)或無(wú)損評(píng)價(jià)領(lǐng)域有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。工業(yè)CT檢測(cè)能力強(qiáng),精度高,定量三維成像,適用于自動(dòng)檢測(cè),但目前主要運(yùn)用于發(fā)達(dá)國(guó)家,在國(guó)內(nèi)的運(yùn)用才剛剛起步,主要用于國(guó)防工業(yè)研究,由于其價(jià)格昂貴,在民用產(chǎn)品方面使用還很少。
加工中心在線(xiàn)檢測(cè)是指加工中心的刀庫(kù)里裝上檢測(cè)測(cè)頭,當(dāng)需要檢測(cè)時(shí),從刀庫(kù)里切換測(cè)頭進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)檢測(cè)結(jié)果,進(jìn)一步加工工件。加工中心在加工具有復(fù)雜空間曲面的產(chǎn)品方面有著明顯優(yōu)勢(shì),它自由度大,避免了對(duì)工件多次裝夾,但制造周期長(zhǎng),生產(chǎn)成本高,在結(jié)構(gòu)復(fù)雜且為空間曲面的零件上廣泛應(yīng)用。
二、加工中心在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)原理
加工中心在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)一般由加工中心、PC機(jī)和測(cè)頭三大部分組成。加工中心完成加工和檢測(cè)的集成,即把測(cè)頭和刀具同時(shí)安裝在刀庫(kù)中,統(tǒng)一編號(hào),通過(guò)程序隨時(shí)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量,使數(shù)控機(jī)床既是加工設(shè)備,又兼?zhèn)錅y(cè)量機(jī)的某些功能。實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的在線(xiàn)檢測(cè)時(shí),首先要在計(jì)算機(jī)輔助編程系統(tǒng)上自動(dòng)生成檢測(cè)主程序,將檢測(cè)主程序由通信接口傳輸給數(shù)控機(jī)床,通過(guò)跳步指令,使測(cè)頭按程序規(guī)定路徑運(yùn)動(dòng),當(dāng)測(cè)球接觸工件時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號(hào),通過(guò)測(cè)頭與數(shù)控系統(tǒng)的專(zhuān)用接口將觸發(fā)信號(hào)傳到轉(zhuǎn)換器,并將觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換后傳給機(jī)床的控制系統(tǒng),該點(diǎn)的坐標(biāo)被記錄下來(lái)。信號(hào)被接收后,機(jī)床停止運(yùn)動(dòng),測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)通過(guò)通信接口傳回計(jì)算機(jī),然后進(jìn)行下一個(gè)測(cè)量動(dòng)作。
現(xiàn)場(chǎng)有一種接觸式測(cè)量系統(tǒng),由PC機(jī)、機(jī)械臂、空氣壓縮機(jī)和Renishaw接觸式測(cè)頭四大部分組成,機(jī)械臂是檢測(cè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),通過(guò)對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制,帶動(dòng)測(cè)頭檢測(cè)葉輪,當(dāng)測(cè)頭與被測(cè)工件接觸并觸發(fā)信號(hào)時(shí),測(cè)頭將觸發(fā)信號(hào)傳給測(cè)量控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)將采樣瞬間的X、Y和Z三軸位置存儲(chǔ)下來(lái)。對(duì)任何復(fù)雜的幾何表面與形狀,只要測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)頭能夠安全探測(cè)到的地方,就可測(cè)出它們的幾何尺寸和相互位置關(guān)系,并借助于計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)處理。該系統(tǒng)選用的Renishaw OMP60測(cè)頭和OMI-2接收器,如圖2所示。
圖2 Renishaw OMP60測(cè)頭和OMI-2接收器
還有一種基于藍(lán)牙技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)在線(xiàn)監(jiān)控與維護(hù)系統(tǒng)。其特征在于:在整體裝置中包括有外圍PC機(jī)或便攜設(shè)備,并加入了藍(lán)牙監(jiān)控系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)的外圍PC機(jī)或便攜設(shè)備兼作藍(lán)牙監(jiān)控設(shè)備,藍(lán)牙監(jiān)控系統(tǒng)與數(shù)控主機(jī)、外圍PC機(jī)或便攜設(shè)備互連,數(shù)控主機(jī)與監(jiān)控機(jī)之間通過(guò)安裝在各自主板上的基于USB技術(shù)的藍(lán)牙設(shè)備,利用雙向的藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)鏈道實(shí)施實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和交流。
三、加工中心在線(xiàn)檢測(cè)硬件系統(tǒng)
對(duì)于加工中心和計(jì)算機(jī),這里不再贅述,主要介紹測(cè)頭。測(cè)頭是測(cè)量系統(tǒng)中重要的傳感器件。它直接影響到測(cè)量精度,也是決定測(cè)量系統(tǒng)功能和測(cè)量效率的重要因素。數(shù)控測(cè)量是在計(jì)算機(jī)控制下,測(cè)量頭按照預(yù)先編制好的測(cè)量步驟和方式順序地進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)量,記錄測(cè)量數(shù)據(jù)并按要求輸出測(cè)量結(jié)果,其技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。測(cè)頭性能的好壞,決定著測(cè)量方式的難易,決定著測(cè)量精度的高低,所以測(cè)頭是實(shí)現(xiàn)數(shù)控測(cè)量的關(guān)鍵。要想真正實(shí)現(xiàn)加工中心的在線(xiàn)測(cè)量,測(cè)頭必須有反饋性能,可以搜索前進(jìn)。
測(cè)頭一般分為機(jī)械接觸式和光學(xué)非接觸式兩種。常用的有機(jī)械觸發(fā)式測(cè)頭、激光掃描式測(cè)頭和顯微鏡式測(cè)頭。激光掃描式測(cè)頭可以對(duì)工件表面連續(xù)采樣,尤其適用于復(fù)雜表面的工件、齒形和齒向誤差的測(cè)量;顯微鏡式測(cè)頭利用光學(xué)儀器能測(cè)量各種復(fù)雜零件。但是,這兩種測(cè)頭價(jià)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(jī)械觸發(fā)式測(cè)頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格相對(duì)較低,并且由于通過(guò)觸發(fā)力啟動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生信號(hào),基本不受油膜干擾,具有高可靠性。此外,機(jī)械觸發(fā)式測(cè)頭還具有體積小、安裝操作方便、精度高和靈活等優(yōu)點(diǎn),使用機(jī)械式觸發(fā)測(cè)頭只需幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)即可得到規(guī)則形狀甚至復(fù)雜形狀的尺寸及精度。因此,機(jī)械觸發(fā)式測(cè)頭為目前數(shù)控機(jī)床在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)中普遍采用的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件。
目前,接觸式測(cè)頭使用最廣、精度較高的是英國(guó)Renishaw公司生產(chǎn)的接觸式測(cè)頭。圖3所示為Renishaw OMP60測(cè)頭結(jié)構(gòu)。該測(cè)頭采用最先進(jìn)的調(diào)制光學(xué)傳輸方法,具有極強(qiáng)的抗光干擾能力,是各種加工中心的理想之選,即使對(duì)于刀庫(kù)中最短刀具所切削的表面,也能進(jìn)行測(cè)量,實(shí)現(xiàn)360°紅外傳輸,OM P60傳輸距達(dá)6m,適用于中型和大型加工中心,也非常適合加裝到現(xiàn)有機(jī)床或者機(jī)械臂上,以改善檢測(cè)性能。OMI-2是集成型的光學(xué)收發(fā)器/接口,用于傳輸和處理工件檢測(cè)測(cè)頭與數(shù)控系統(tǒng)之間的信號(hào)。該測(cè)頭(包括刀柄)與刀具一樣,安裝在刀庫(kù)或主軸上,測(cè)量信號(hào)從光學(xué)式測(cè)頭傳到OMI-2光學(xué)接收器,然后通過(guò)電纜再傳輸?shù)睫D(zhuǎn)換器和機(jī)械臂(或機(jī)床)的控制系統(tǒng)。
圖3 Renishaw OMP60測(cè)頭結(jié)構(gòu)
四、加工中心在線(xiàn)檢測(cè)軟件系統(tǒng)
數(shù)控機(jī)床在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵主要體現(xiàn)在檢測(cè)程序的編制上,檢測(cè)程序編制質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到檢測(cè)效果。目前檢測(cè)軟件有商業(yè)化軟件和自主開(kāi)發(fā)的軟件。商業(yè)化軟件,如Delcam公司的檢測(cè)系統(tǒng)PowerINISPECT。自主開(kāi)發(fā)軟件的編程方式有基于C、C++、VC、delphi等開(kāi)發(fā)平臺(tái)的在線(xiàn)檢測(cè)編程和基于開(kāi)發(fā)平臺(tái)的在線(xiàn)檢測(cè)編程。
英國(guó)Delcam公司的檢測(cè)系統(tǒng)PowerINSPECT是一款開(kāi)放的檢測(cè)軟件,如圖4所示。它不受測(cè)量設(shè)備的限制,既可以在線(xiàn)檢測(cè),也可以脫機(jī)檢測(cè)。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(cè)量機(jī)生產(chǎn)廠(chǎng)商的檢測(cè)設(shè)備聯(lián)機(jī)工作,進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)與理想的CAD模型在線(xiàn)檢測(cè)對(duì)比;它能以不同顏色點(diǎn)云的方式來(lái)顯示誤差的信息,并能方便地輸出符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)報(bào)告。PowerINSPECT不僅提供在機(jī)檢測(cè)的功能,還能夠在檢測(cè)前針對(duì)讀取的CAD模型進(jìn)行檢測(cè)路徑的編程工作,并進(jìn)行檢測(cè)的仿真。隨后可以把編制好的程序傳輸給CNC檢測(cè)設(shè)備,進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。同時(shí),編制檢測(cè)程序,可以使設(shè)計(jì)和檢測(cè)部門(mén)的相關(guān)人員協(xié)同工作,提高檢測(cè)的效率。
圖4 PowerINSPECT檢測(cè)軟件界面
PowerINSPECT具有良好的開(kāi)放性,可以適合多種類(lèi)型的用戶(hù):可以和已有的手動(dòng)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī)工作;也可以和已有的CNC檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī)工作;對(duì)已有的檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行改造后聯(lián)機(jī)工作;配合最新的接觸和非接觸式檢測(cè)設(shè)備聯(lián)機(jī)工作,以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)檢測(cè)效率和效果的更高要求;也可以配合新式數(shù)控機(jī)床上的測(cè)量裝置進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)。
五、加工中心在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
硬件方面開(kāi)發(fā)高精度的三維測(cè)頭,測(cè)頭應(yīng)包括對(duì)測(cè)頭誤差的補(bǔ)償;提高探測(cè)速度,改進(jìn)探測(cè)方法,包括掃描與吃躍測(cè)量;發(fā)展測(cè)頭附件,包括各種探針、接長(zhǎng)針、測(cè)頭回轉(zhuǎn)體和測(cè)頭自動(dòng)更換裝置等;發(fā)展非接觸測(cè)頭,提高測(cè)量速度,便于擴(kuò)大量程,測(cè)量柔軟的和易于變形的被測(cè)件。
軟件方面從單參數(shù)檢測(cè)向多參數(shù)綜合檢測(cè),從單純檢測(cè)向檢測(cè)與控制的閉環(huán)系統(tǒng)發(fā)展;微機(jī)化、智能化,當(dāng)生產(chǎn)線(xiàn)參數(shù)變化及出現(xiàn)外界干擾時(shí),在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)能使生產(chǎn)系統(tǒng)迅速適應(yīng)變化和排除干擾;提高檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性等。
六、結(jié)束語(yǔ)
在線(xiàn)測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于加工中心,其最直接的經(jīng)濟(jì)效益就在于既節(jié)省了工時(shí)又提高了測(cè)量精度。目前看來(lái),加工中心在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)在使用上還處于普及階段,尚未得到大規(guī)模應(yīng)用。其原因是企業(yè)花費(fèi)大量資金用于購(gòu)置加工中心,但由于一些附屬設(shè)備的昂貴價(jià)格,使企業(yè)在進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的分析時(shí),不愿在這些附件上再進(jìn)行投資。在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)本身也存在一些問(wèn)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(diǎn)差錯(cuò),容易損壞整套檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)功能較為薄弱,目前在線(xiàn)測(cè)頭基本上都用于簡(jiǎn)單幾何量檢測(cè)方面,基本上停留于數(shù)控系統(tǒng)本身所提供的一些功能,在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)對(duì)于一般企業(yè)的確顯得有些奢侈。現(xiàn)代的設(shè)計(jì)制造理論及先進(jìn)的技術(shù)裝備在在線(xiàn)檢測(cè)方面沒(méi)有得到應(yīng)有的體現(xiàn),致使在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)在發(fā)展上處于落后階段,同時(shí)在這方面研究的滯后,也成為相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。但在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用未來(lái)具有廣淘的前景。
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