曹著明　賈俊良　郭家田

摘 要：在線檢測是當今先進制造技術的有效手段之一。本文介紹了當今先進的制造技術及在線檢測技術在工業(yè)體系中的發(fā)展情況，描述了在線檢測的定義、結(jié)構(gòu)、工作原理及其發(fā)展趨勢。隨著智能制造技術的普及，在線檢測技術作為加工制造中的檢測、反饋手段，將在制造業(yè)中起著越來越重要的作用，它將有效地推動當今裝備制造業(yè)的發(fā)展，為經(jīng)濟社會的發(fā)展提供動力。

關鍵詞：數(shù)控機床 在線檢測 制造技術

隨著科學技術的發(fā)展，尤其是通信技術、計算機技術、自動控制技術的高速發(fā)展，工業(yè)信息化水平的提高使得產(chǎn)品的生產(chǎn)周期大大縮短。裝備制造業(yè)作為一個跨學科、多領域的產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟的發(fā)展中起著至關重要的作用。裝備制造業(yè)要求相關設備具有高效、高精度、智能化、開放性以及適應性等特點，特別是中國制造2025的實施，表明國家已高度重視制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級，來提高社會的生產(chǎn)力，推動社會的可持續(xù)發(fā)展。

在先進制造技術中，在線檢測系統(tǒng)是其中重要的組成部分，它的發(fā)展有利于提升整個裝備制造業(yè)的水平。在裝備制造業(yè)中，對于核心零部件的加工精度要求高效、高精度，這就要求在加工過程中對零件進行在線檢測來提高零件的精度和效率，保證加工質(zhì)量和效率。在線檢測技術在裝備制造業(yè)中起著不可替代的作用，它的快速、優(yōu)質(zhì)的發(fā)展會使裝備制造產(chǎn)業(yè)得到更好、更快的發(fā)展。因此，開展數(shù)控機床的在線檢測研究能有效提升整個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平。

一、在線檢測技術

如今檢測加工零件的工作主要方式有手工檢測、離線檢測、數(shù)控加工在線檢測三種。數(shù)控機床在線檢測技術指的是將觸發(fā)式檢測觸頭安裝到數(shù)控加工中心的刀具庫中，同時將檢測觸頭所安裝的刀具位置號設定為特殊的刀具位置號碼。數(shù)控機床主軸的旋轉(zhuǎn)不影響檢測觸頭，當數(shù)控機床的控制系統(tǒng)發(fā)出實施檢測工作命令時，數(shù)控機床就會將檢測觸頭從刀具庫中調(diào)出，并控制其按照已設計的檢測路徑（數(shù)控程序）進行零件的檢測。檢測結(jié)果被數(shù)控機床控制系統(tǒng)獲取，再與零件的模型數(shù)據(jù)進行比對，然后判斷零件尺寸和精度是否達到零件設計要求，同時判別哪些位置不達標及尺寸和精度差值，為下一步進行合理的精加工提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

在線檢測技術就是將檢測和加工兩個過程充分而又有效地結(jié)合起來，實現(xiàn)零件高效、高精度的加工。對于空間復雜曲面的加工及檢測來說，數(shù)控機床在線檢測技術有著明顯的優(yōu)勢，能避免零件的多次裝夾，縮短零件制造周期，降低制造成本等。在線檢測技術已廣泛應用于空間復雜曲面的生產(chǎn)制造中，對該技術進行研究的專家也在日益增多，該項技術逐漸成為制造領域中的一項成熟技術。

與離線檢測技術相比較，數(shù)控加工在線檢測技術有四個優(yōu)點。一是加工零件被檢測之后，在線檢測工具——檢測觸頭可通過控制系統(tǒng)直接返回機床刀具庫，或移動到不影響加工的區(qū)域，這樣就能節(jié)省工件重新安裝的時間，使產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工周期得到縮減。二是可以減少或避免購買離線檢測設備，如三坐標測量儀等，從而降低生產(chǎn)成本。三是在線檢測能有效避免零件因多次拆裝造成的加工和檢測誤差，提高零件的加工精度。在離線檢測中有多次拆卸和裝夾零件的工序，而在線檢測能夠避免多次裝夾，同時避免由于這種反復拆卸工序而造成的加工精度誤差，從而提高零件加工精度和效率。四是基于在線檢測技術的穩(wěn)定和可靠性，高端數(shù)控機床增加了機床的精度檢測功能和進一步加工決策實施的功能，從而產(chǎn)生了無人操作加工和智能制造技術。圖1為基于在線檢測系統(tǒng)的智能制造技術主要的研究內(nèi)容及流程。

二、在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在線檢測系統(tǒng)根據(jù)各零件的檢測功能需求，構(gòu)建出在線檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)功能圖，如圖2所示。系統(tǒng)一共包括有7個功能模塊，系統(tǒng)的輸入文件模塊指的是被檢測零件CAD模型，即零件的“STL”文件。

系統(tǒng)的輸出文件管理模塊指的是零件加工后的加工誤差檢測報告，其中文件管理模塊指的是被檢測零件“STL”數(shù)據(jù)文件的獲取，以及系統(tǒng)文件的輸入與保存；圖形操作與編輯模塊主要指的是文件的編輯、操作及圖形的視圖設計等功能的操作；檢測路徑生成模塊指的是根據(jù)零件的曲面精度和曲率精度要求，自動生成被檢測零件的檢測點坐標，應用遺傳算法等優(yōu)化檢測指令及檢測路徑；路徑仿真模塊指的是對整個檢測過程進行仿真、驗證，優(yōu)化檢測路徑，提高檢測的安全性和可靠性及效率；測量誤差補償模塊指的是將檢測后的零件實際數(shù)據(jù)反饋回數(shù)控機床檢測系統(tǒng)，然后與模型數(shù)據(jù)進行比對，獲取各個檢測點的誤差值，然后將加工零件的程序及加工參數(shù)進行修正和補償，提高零件加工的效率和合格率；通信模塊指的是通過網(wǎng)絡、RS232等數(shù)據(jù)線將數(shù)控機床與PC機搭建連接系統(tǒng)，內(nèi)容包括安裝在線檢測軟件的PC機將檢測指令和相關數(shù)據(jù)發(fā)送給加工零件的數(shù)控機床，同時獲取被檢測點的坐標參數(shù)，PC機同時能發(fā)送脈沖信號，控制數(shù)控機床將檢測的坐標值反饋回PC機，同時還包括控制數(shù)控機床的開始、停止等；加工誤差檢測報告模塊指生成各測點檢測誤差圖，并可用相關軟件輸出具有完整信息的零件加工精度檢測報告。

三、數(shù)控機床在線檢測工作原理

數(shù)控加工過程中的在線檢測流程：①將CAD模型以“IGES或STL”的格式輸入計算機，同時設計該模型的加工刀路軌跡；②后置處理成數(shù)控加工NC代碼，完成零件的加工；③加工結(jié)束后測頭進行取樣，生成自適應式測量點，同時依據(jù)模型數(shù)據(jù)，對測量路徑進行優(yōu)化和仿真；④再實施快速尋點算法（基于空間劃分策略的），將誤差補償測量出，進行實時誤差計算；⑤優(yōu)化刀軌及數(shù)控NC指令，實現(xiàn)零件的準確加工，最終實現(xiàn)加工—測量—補償—加工的一體化的在線檢測制造技術。

在線檢測技術主要研究內(nèi)容包括：在測頭、數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控機床實踐研究的基礎上，還需要完成相關參數(shù)的匹配，搭建在線檢測系統(tǒng)，完成自動對刀、裝夾找正；然后基于機床參數(shù)設置和數(shù)控系統(tǒng)，開發(fā)出二維零件、三維零件的在線檢測。在此基礎上，完成檢測軟件與設備的參數(shù)匹配，通過可靠的擬合算法和采樣策略，在數(shù)控機床上直接對加工后的零件進行檢測實驗，然后進行精度的分析、評價，將最終的誤差反饋回數(shù)控系統(tǒng)，然后優(yōu)化數(shù)控系統(tǒng)相關參數(shù)，搭建完整的一體化在線檢測系統(tǒng)（見圖3）。

四、數(shù)控加工中心在線檢測技術的發(fā)展趨勢

1.設備的人性化及智能化

隨著當今社會信息技術和人機工程技術的發(fā)展，工業(yè)裝備正朝人性化方向發(fā)展，產(chǎn)品將朝個人訂制方向發(fā)展，設備的使用及產(chǎn)品的制造將更多地考慮人的因素。同時設備將具有一定的判斷能力，能代替人做出一定的決策，朝智能方向發(fā)展。在數(shù)控機床上表現(xiàn)出能降低操作者勞動強度，能自動裝夾零件，能自動檢測零件的精度，然后優(yōu)化加工參數(shù)直至加工出合格的零件，同時具備自我診斷能力、自我修復能力。

2.信息化和開發(fā)性

信息化和開發(fā)性是數(shù)控機床在線檢測發(fā)展的趨勢和新亮點。國內(nèi)外許多著名的數(shù)控機床和設備廠商正在開發(fā)相關的新概念數(shù)控機床，實現(xiàn)機床的遠程控制。同時可選擇開放式操作、控制系統(tǒng)，讓操作者便于快速掌握機床的操作和應用。在基于機床結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的平臺上，使用者可根據(jù)自己的特殊需求，將特色模塊和相關技術模塊集成到控制系統(tǒng)中，從而增強數(shù)控機床的功能，生產(chǎn)各種特殊需求的產(chǎn)品。因此信息化和開發(fā)性將使數(shù)控機床的在線檢測功能更加廣泛，提高了生產(chǎn)效率。

3.模塊化和標準化

由于當今世界的數(shù)控機床、數(shù)控系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)種類繁多，而且各自的研究相互獨立，缺乏通用性和拓展功能，給機床和系統(tǒng)調(diào)試帶來諸多麻煩。因此，現(xiàn)在許多國家已經(jīng)開始制定國際統(tǒng)一標準，使在線檢測系統(tǒng)模塊化，實現(xiàn)部分相關技術、標準國際統(tǒng)一，讓使用者更快進入角色，提高工作效率。

（作者單位：曹著明、賈俊良，北京電子科技職業(yè)學院；

郭家田，山東科技職業(yè)學院）