郝春玲HAO Chun-ling

（渤海船舶職業(yè)學院，葫蘆島 125000）

0 引言

數(shù)控機床是現(xiàn)代高科技發(fā)展的產物，每當一批零件開始加工時，有大量的檢測需要完成，包括夾具和零件的裝卡、找正、零件編程原點的測定、首件零件的檢測、工序間檢測及加工完畢檢測等。數(shù)控機床的加工精度主要與機械精度，數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)有關，這幾個環(huán)節(jié)的精度都必須達到要求。分辨率是機床能識別的最小單位，直接決定機床精度的好壞。完成檢測工作的主要手段有手工檢測、離線檢測和在線檢測。

1 數(shù)控機床位置檢測系統(tǒng)的組成

數(shù)控機床計算機位置檢測系統(tǒng)組成結構如圖1所示。

圖1 計算機位置檢測系統(tǒng)組成

數(shù)控機床的位置檢測系統(tǒng)由軟件和硬件組成。硬件部分通常由以下幾部分組成：

1.1 機床本體

機床本體是實現(xiàn)加工、檢測的基礎，其工作部件是實現(xiàn)所需基本運動的部件，它的傳動部件的精度直接影響著加工、檢測的精度。

1.2 數(shù)控系統(tǒng)

目前數(shù)控機床一般都采用CNC數(shù)控系統(tǒng)，其主要特點是按照監(jiān)控軟件的控制邏輯，在輸入、譯碼、刀具補償、進給速度處理、插補、位置控制、輸入/輸出處理、顯示以及診斷等方面進行控制，其功能都通過程序來實現(xiàn)。CNC系統(tǒng)一般由中央處理存儲器和輸入輸出接口組成，中央處理器又由存儲器、運算器、控制器和總線組成。

1.3 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是 (servomechanism)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。它是數(shù)控機床的重要組成部分，主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調控等處理，使驅動裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。用以實現(xiàn)數(shù)控機床的進給位置伺服控制和主軸轉速(或位置)伺服控制。伺服系統(tǒng)的性能是決定機床加工精度、測量精度、表面質量和生產效率的主要因素。

1.4 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)是用來對被測特性定量測量或定性評價的儀器或量具、標準、操作、方法、夾具、軟件、人員、環(huán) 境和假設的集合；用來獲得測量結果的整個過程。有接觸觸發(fā)式測頭、信號傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，是數(shù)控機床位置檢測系統(tǒng)的關鍵部分，直接影響著檢測的精度。

如圖2所示，測量探頭對毛坯工件進行位置檢測。它們用于數(shù)控車床、加工中心，數(shù)控磨床、專機等大多數(shù)數(shù)控機床上。

圖2 測量探頭對毛坯工件進行位置檢測

1.5 計算機系統(tǒng)

在檢測系統(tǒng)通常應用Windows和CAD/CAM/CAPP/CAM以及VC++等軟件，為了減少測量結果的分析和計算時間，大都采用Pentium級別以上的計算機， 完成測量數(shù)據(jù)的采集和處理、檢測數(shù)控程序的生成、檢測過程的仿真及與數(shù)控機床通信等功能。

2 數(shù)控機床位置檢測的工作原理

實現(xiàn)數(shù)控機床的位置檢測時，首先要在計算機輔助編程系統(tǒng)上自動生成檢測主程序，通過光電編碼器的工作原理，根據(jù)檢測原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，可分為增量式、絕對式以及混合式三種。把檢測主程序通過通信接口傳輸給數(shù)控機床，能夠讓測頭按程序規(guī)定路徑運動，當測量探頭接觸工件時發(fā)出觸發(fā)信號，用測量探頭與數(shù)控系統(tǒng)的專用接口把觸發(fā)信號傳到轉換器上，再把觸發(fā)信號轉換后傳給機床的控制系統(tǒng)，此點的坐標被記錄下來。把信號接收后，機床停止運動，被測點的坐標可以被通信接口傳回計算機，然后進行下一個測量動作。

光柵是用于數(shù)控機床的精密檢測元件，是閉環(huán)系統(tǒng)中另一種用得較多的測量裝置，用作位移或轉角的測量，測量精度可達幾微米。

測量典型幾何形狀時檢測路徑的過程是：

1）確定零件的待測形狀特征幾何要素；

2）確定零件的待測精度特征；

3）根據(jù)測量的形狀特征幾何要素和精度特征，確定檢測點數(shù)及分布；

4）根據(jù)測點數(shù)及分布形式建立數(shù)學計算公式；

5）確定檢測零件的工件坐標系；

6）根據(jù)檢測條件確定檢測路徑。

3 數(shù)控機床位置檢測編程

位置檢測的關鍵技術主要在于檢測編寫其程序，檢側程序編制質量的優(yōu)劣直接影響到檢測效果?，F(xiàn)在檢測軟件有商業(yè)化軟件和自主開發(fā)的軟件。部分軟件專為數(shù)控機床配用系統(tǒng)而編寫，主要應用于：根據(jù)原始CAD數(shù)據(jù)，檢測樣件、復雜零件及大型零件、多工序零件以及模具。

編程方式中自主開發(fā)軟件的有：基于C、C++、VC++、VB、Delphi開發(fā)平臺位置檢測編程和基于CAD開發(fā)平臺的位置檢測編程。位置檢測編程結構框圖如圖3所示。

圖3 基于VC++ 語言的位置檢測系統(tǒng)結構框圖

位置檢測主要模塊作用如下：

1）位置測量的主程序自動生成模塊：主要完成零件待測信息的輸入，生成檢測主程序；

2）誤差補償模塊：對測量過程中所產生的誤差進行補償，提高測量精度；

3）通信模塊：完成主程序和被調用宏程序的發(fā)送及測量點坐標信息的接收；

4）測量宏程序模塊：實現(xiàn)宏程序的管理和內部調用。主模塊要實現(xiàn)對宏程序的查找、增添、修改及刪除等操作；

5）數(shù)據(jù)處理模塊：對測量點坐標進行補償，完成各種尺寸及精度計算。通過打開測量結果數(shù)據(jù)文件，獲得測量點坐標信息，經過相應的運算過程最終得到所測值。

4 數(shù)控機床位置檢測系統(tǒng)仿真

現(xiàn)在數(shù)控機床位置檢測主要借鑒于CAD/ CAM技術的來完成相應的位置檢測仿真系統(tǒng)。仿真系統(tǒng)以圖形化的方式呈現(xiàn)數(shù)控機床位置檢測過程，可以直觀形象地對檢測路徑規(guī)劃進行檢查，能夠發(fā)現(xiàn)程序編制中的錯誤，以避免在真實檢測過程中對位置檢測系統(tǒng)所造成的破壞。

系統(tǒng)開發(fā)工具為VC++，三維的場景開發(fā)工具用OpenGL，采用面向對象的程序設計思想開發(fā)數(shù)控機床位置檢測仿真系統(tǒng)的過程是：

4.1 建立虛擬檢測環(huán)境

圖形處理用OpenGL 標準完成。OpenGL 是一個圖形硬件的軟件接口，它可完成幾何建模、圖形變換、渲染、光照、材質等多種操作，圖形的底層等大部分處理工作由一些專門的函數(shù)來處理。

4.2 提取檢測信息

位置檢測仿真系統(tǒng)，是在仿真過程中，真實地反映測量宏程序的每一條語句，即檢測仿真過程是利用測量宏程序驅動來完成。因此仿真系統(tǒng)應具備完整的檢測信息提取能力，對測量程序的語法檢查能夠完成，能夠實現(xiàn)相關的判斷與計算，更為重要的是能夠提取出測頭的運動軌跡，以驅動測頭的檢測仿真。

4.3 驅動虛擬測頭

位置檢測系統(tǒng)是利用測頭與待測物體的碰撞來確定接觸點的位置信息的，所以檢測仿真能夠確切的完成這一過程，整個仿真系統(tǒng)的核心問題就能夠完成。測頭檢測運動的最遠行程不小于測頭到實際接觸點位置的距離能夠保證測頭可靠地撞擊上待測物體，即實際接觸點位于測量起始點與測頭最遠行程點之間的直線段上。

5 結束語

總之，將檢測技術融于數(shù)控加工的內容之中，采用在線測量的方式，能使操作者及時發(fā)現(xiàn)工件存在的問題，并反饋給數(shù)控系統(tǒng)。位置測量技術應用于數(shù)控系統(tǒng)，最大直接的經濟效益就是既節(jié)省了工時又提高了測量精度。位置控制一般是指控制機床的位移軸的移動位置，比如CNC發(fā)出指令，控制軸通過伺服電機，傳動裝置等移動到指定位置，通過位置檢測裝置（編碼器或者光柵）反饋回CNC，是否準確到達，同時進行位置的補正。也就是CNC通過指令讓它能控制移動的東西移動到了它要求的地方，同時檢查實際到了沒有。從而能及時修正系統(tǒng)誤差和隨機誤差，以改變機床的運動參數(shù)，更好地保證加工質量，能夠完成在加工的過程中實時對刀具進行檢測，并依據(jù)檢測的結果做出相應的處理，其檢測過程由數(shù)控程序來控制，能夠保證數(shù)控機床精度，擴大數(shù)控機床功能，改善數(shù)控機床性能，提高數(shù)控機床效率。

[1] 王愛玲.現(xiàn)代數(shù)控機床伺服及檢測技術(第3版)[M].國防工業(yè)出版社,2009.

[2] 數(shù)控機床故障檢測與維修問答[M].機械工業(yè)出版社,2005.

[3] 盧勝利,王睿鵬,祝玲.現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)——原理、構成與實例[M].機械工業(yè)出版社,2006.