数控加工中心在线测量的研究

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1、1前言1.1加工中心在机检测的背景意义1.1.1机床行业现状我国是世界第一大机床消费国和进口国。目前，国内中档数控机床已显现出替代外国同类产品的趋势，而高端数控机床与德国等国仍存在大差距，国内机床难以占领高端市场。同时，发达国家对于进口的数控机床始终有所限制，这不利于我国数控机床的发展。船舶、工程机械、航空航天、风电等都是机床行业的下游产业。在相关政策的推动下，我国汽车产量不断攀升。随着汽车零部件制造加工工艺水平的提升，也会进一步提高对机床的要求。在航空航天领域，势必需求大型高速精密的数控机床。我国数控机床功能部件技术水平、产品的种类、服务的范围等都有了

2、一定的进步，但国产功能部件远远达不到市场的需求的适应性和满足度。我国功能部件的产品水平和国外有差距。高技术的功能部件对数控机床影响大，如轴、直线导轨、直线电机、机械手。而我国目前生产的功能部件大多数以劳动密集型为主，技术含量很低，难以适应国产数控机床的发展速度和要求。这些关键的功能部件，我国还没有形成规模。1.1.2加工中心在线检测的意义数控加工中心在线检测免去了工件的反复装夹、校正的过程。比离线检测减少了工件检测的时间，提高了检测效率;数控加工中心配备光栅尺等检测装置，可以有较好的检测精度;在成本方面，由于仅需附安装在机检测测头和相应软件即可完成检测工

3、作，与三坐标测量机检测工件相比，大大降低了检测成本;由于加工与检测在同机上完成，检测反馈信息可用于修改加工G代码，形成加工—检测—再加工的闭环系统，将大大地提高成品率。不仅在工件检测方面，在工件的装夹找正方面，在线测头也能发挥出独有的优势。采用工件测头，可在机床上快速、准确测量工件的位置，再将测量结果快速反馈到数控系统中，修正工件坐标。采用在线测头可替代使用百分表及芯棒寻找基准的方法[1]。1.2加工中心在线检测的研究现状1.2.1国内研究现状国内对加工中心在线检测方面做了很多深入的研究，主要有误差补偿、基于CAD的加工中心在线检测技术研究、基于示教的加

4、工中心在线检测、自动编程技术、路径规划、软件设计等方面。刘丽冰等人研究了加工中心在线检测误差通用数学模型，探讨了测量系统误差参数辨识方法，实现了基于模型的加工中心在线检测软件误差补偿。[2]王广彦研究了检测是产品设计阶段应法考虑的工作的观点并开发了基于CAD的加工中心在线检测编程系统，完成检测程序的图形化编制汇。邓三鹏、姜庆华等人基于多体动力学理论研究了加工中心在线检测系统的拓扑结构，实现了相邻体间坐标变换矩阵，建立了检测系统的几何误差与热误差综合模型，对测头误差处理技术进行了研究。该模型可以同时补偿测头误差、机床几何误差与热误差，并且在MAKINO立式

5、加工中心上验证了此方法。2005年，刘丽冰、田大伟、桑宏强等人研究用于加工中心在线检测的规范化方法，对检测信息进行特征抽象及特征分类，建立了检测路径规划的数学模型，完成了基于特征的工件检测路径自动规划及检测程序自动生成。还研究了牙轮牙掌在线监控方法并开发了相应系统，在加工中心上用触发式测头实现了加工基准位置的在线监控。1.2.2国外发展现状目前，国外在理论方面也有很多在线检测方面的研究，包括通过在线测头减少机床的误差，提高机床加工精度等。在实际应用中，国外很多机床制造厂都开发出了机床在线检测系统。如英国的DELCAM公司，其推出的质量检测、在线检测系统P

6、owerINSPECT得到广泛应用，它可以支持多种测量设备类型，功能强大，是易学易用的独立检测软件系统。PowerINSPECT提供了强大的CAD数据接口转换软件，与广泛格式的三维数学模型进行联机或脱机检测比较误差分析，生成图文并茂的、符合PTB认证、符合1509002标准的、清晰易懂的检测报告。英国ReniShaw公司也提供机床了测头和软件，可以完成对刀、刀具破损检测、工件找正、序中测量和首件检测等。意大利的MARPOS提供整套的机床在机检测方案。如图1.1为意大利MARPOS的产品。图1.1意大利MARPOS公司机床检测方案2.数控机床在线测量系统的

7、组成和误差分析为保证数控机床这样高度自动化设备连续可靠的工作，需要具有自动检测功能。现代制造工业的快速发展对数控机床的在线检测技术提出了更高的要求，要实现数控机床高精度的在线检测，不可避免应对监测系统的组成、工作原理及主要误差进行仔细地分析，才可能尽量避免误差，或根据这些来源情况采取相应的措施，以对误差进行补偿，实现计算机辅助数控机床进行高精度在线测量。2.1在线测量系统的需求分析由于一些客观存在的原因，如生产现场环境恶劣、价格原因等，而且自动测量中常用的三坐标测量机和工业CT机均有各自的使用限制，均不能很好的满足生产的需求。然而由测量软件+测头+数控机

8、床组成的简单的三坐标测量系统，没有使用环境限制，测量范围原则上就是机床的加工范围