魏文鋒，湛文亮

（廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，廣州 510530）

0 引言

隨著近年來國內(nèi)追趕工業(yè)4.0 步伐的加快，以新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)深度融合為特征的智能制造模式，正在引發(fā)新一輪制造業(yè)變革。機(jī)床在線自動(dòng)檢測技術(shù)是提高機(jī)床加工精度和加工效率的關(guān)鍵技術(shù)之一，人工檢測所耗工時(shí)多，并帶有一定的人為誤差。三坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）的出現(xiàn)雖然提高了檢測精度，但是也帶來了工件二次裝夾引起的定位誤差。

開發(fā)機(jī)床在線檢測系統(tǒng)，既是國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)研究的熱點(diǎn)問題，也是企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中急需解決的問題[1]。在數(shù)控加工行業(yè)，傳統(tǒng)測量方法已不能滿足企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)的需求，企業(yè)紛紛引入在線檢測技術(shù)來提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。以前企業(yè)使用的在線檢測系統(tǒng)多數(shù)是國外進(jìn)口的，技術(shù)受制于人，價(jià)格昂貴，二次開發(fā)難度大，服務(wù)和技術(shù)支持不到位。為了解決這個(gè)難題，某公司經(jīng)過不斷攻關(guān)，逐漸掌握了數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)的核心技術(shù)，價(jià)格只有國外同類產(chǎn)品的40%，性能上已能滿足大多數(shù)企業(yè)需求；并聯(lián)合其他公司開發(fā)了智能補(bǔ)償技術(shù)，從而大大促進(jìn)了國內(nèi)數(shù)控機(jī)床智能化升級改造技術(shù)的發(fā)展。目前在線測量技術(shù)在數(shù)控加工行業(yè)的應(yīng)用以極快速度普及，尤其在珠三角及長三角區(qū)域，在線測量已經(jīng)成為規(guī)模以上的數(shù)控加工廠家標(biāo)配。

1 在線檢測系統(tǒng)的組成及分類

在機(jī)床上將加工與檢測結(jié)合在一起，形成一個(gè)閉環(huán)的加工檢測系統(tǒng)，即稱該檢測方法為數(shù)控機(jī)床的在線檢測[2]。數(shù)控機(jī)床在線檢測系統(tǒng)通常叫做機(jī)床測頭系統(tǒng)，機(jī)床測頭系統(tǒng)就是把三坐標(biāo)測頭功能轉(zhuǎn)移到數(shù)控機(jī)床上，讓數(shù)控機(jī)床具備三坐標(biāo)一樣的接觸測量功能，對產(chǎn)品進(jìn)行位置或尺寸進(jìn)行在線測量。在線測量系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工領(lǐng)域，與傳統(tǒng)離線工件測量方法相比，在線測量具有采樣速度快、精度高等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了工件測量的數(shù)字化數(shù)據(jù)采集分析和精度評價(jià)[3]。

機(jī)床測頭系統(tǒng)的組成主要由測頭、接收器、軟件及宏程序包等組成，如圖1所示。機(jī)床測頭是數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)在線測量的關(guān)鍵部件，直接影響著在線檢測的精度，選擇適合的機(jī)床測頭非常重要。依據(jù)機(jī)床測頭與接收器間傳輸介質(zhì)可分為：紅外線測頭、無線電測頭及有線測頭（沒有接收器）。目前市場無線電測頭中WiFi 傳輸測頭成為主流，抗障礙能力較強(qiáng)。按照應(yīng)用功能分類有2D 測頭及3D 測頭（具備曲面測量能力）。測頭的關(guān)鍵指標(biāo)是性能穩(wěn)定性、精度、電耗及反應(yīng)靈敏度等。尤其以穩(wěn)定性和精度（正常重復(fù)定位精度小于1 μm）最為重要。機(jī)床測頭質(zhì)量驗(yàn)證的方法相對簡單，用機(jī)床連續(xù)測量工件3 萬次，對比報(bào)警次數(shù)及重復(fù)定位精度就能分出高低。報(bào)警次數(shù)是0，重復(fù)定位精度小于3 μm（在較新機(jī)床上）的才是質(zhì)量可靠的產(chǎn)品。

圖1 在線測量系統(tǒng)的組成

2 機(jī)床測頭的工作原理

在線測量的核心是數(shù)控設(shè)備與測頭系統(tǒng)的通訊以及測點(diǎn)坐標(biāo)的傳輸[4]。如圖2所示，機(jī)床測頭的工作原理是利用六點(diǎn)橋式結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)的高剛性實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向接觸通斷觸發(fā)，在觸發(fā)后傳遞信號給機(jī)床，通過后臺軟件記錄信號觸發(fā)瞬間的觸點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并對坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算得出各種形狀及位置尺寸。

圖2 在線測量工作原理圖

3 在線測量應(yīng)用軟件

3.1 宏程序包軟件

由于現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)功能強(qiáng)大，均能提供宏指令系統(tǒng)。以某25i系統(tǒng)為例。該系統(tǒng)提供給用戶的B類宏程序，使用戶可以自行開發(fā)編制各種固定循環(huán)程序（包括加工與測量循環(huán)程序等）。宏程序是典型手工編程，具有編程自由、程序可控、程序簡短等優(yōu)勢[5]。宏程序編程可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的定義、賦值及加、減、乘、除運(yùn)算、各種函數(shù)運(yùn)算、可對系統(tǒng)變量進(jìn)行存取操作、通過控制指令邏輯判斷實(shí)現(xiàn)各種程序的循環(huán)和跳轉(zhuǎn)調(diào)用。完全可滿足用戶編制測量固定循環(huán)程序的需要。

機(jī)床測頭或者對刀儀廠家根據(jù)實(shí)際需要編制一維或二維幾何特征測量宏程序包。用戶使用在機(jī)測量時(shí)通過程序調(diào)用宏程序包里面的標(biāo)準(zhǔn)指令即可實(shí)現(xiàn)一維或部分二維的在機(jī)測量。這類測量主要應(yīng)用于自動(dòng)找正，自動(dòng)分中等一維測量，最大優(yōu)點(diǎn)能夠與加工程序鑲嵌在一起，實(shí)現(xiàn)測量指導(dǎo)加工，測量加工自動(dòng)化。機(jī)床對刀儀目前100%測量軟件應(yīng)用是宏程序，包括單向/五向/激光對刀儀。機(jī)床測頭在機(jī)測量目前98%以上應(yīng)用軟件也是宏程序。

3.2 UG外掛三維測量軟件

UG 外掛三維測量軟件是一款充分利用UG 的讀圖及算法功能開發(fā)的外掛軟件，基于UG的二次開發(fā)軟件。這類軟件目前均是國內(nèi)廠家根據(jù)客戶需求定制開發(fā)，功能全面使用方便，性價(jià)比非常高。

3.3 獨(dú)立三維測量軟件

獨(dú)立三維測量軟件功能類似三坐標(biāo)測量軟件。這類軟件具備強(qiáng)大的CAD數(shù)據(jù)讀入能力，能夠讀入各種數(shù)據(jù)格式的三維CAD 模型數(shù)據(jù)，可快速讀取較大的數(shù)據(jù)模型。智能脫機(jī)編程功能，完整的模擬功能?？赡M完整的機(jī)床環(huán)境，測頭系統(tǒng)。全面檢測能力：包括各種幾何特征檢測、形位公差檢測、自由曲面檢測、邊緣檢測、截面檢測、4軸和5軸聯(lián)動(dòng)檢測等。這類軟件開發(fā)難度大，國外品牌測頭都是采用獨(dú)立測量軟件，開發(fā)成本高；目前國內(nèi)測頭生產(chǎn)廠家只有東方器度自主開發(fā)獨(dú)立三維測量軟件。對于加工復(fù)雜曲面，或者4軸和5軸聯(lián)動(dòng)加工的用戶而言，獨(dú)立測量軟件是在線測量應(yīng)用的首選。

4 在線檢測系統(tǒng)的主要功能

4.1 自動(dòng)分中、自動(dòng)找正及自動(dòng)補(bǔ)償

國內(nèi)在批量零件加工的數(shù)控機(jī)床上安裝在線測量系統(tǒng)的導(dǎo)入者多數(shù)是為富士康代工的移動(dòng)電話金屬件制造廠家。以前，以富士康為主的代工廠在加工移動(dòng)電話中框及背框時(shí)，常常遇到了無法保障質(zhì)量和效率低下的問題，問題癥結(jié)在于產(chǎn)品找正及分中等輔助時(shí)間過長。按傳統(tǒng)方法，工作臺上一個(gè)夾具裝夾多個(gè)產(chǎn)品，用千分表找正的方法速度極慢，精度又受人為因素影響，難以控制；牽涉到分中的還要中斷程序，打表調(diào)整后再啟動(dòng)程序，更耽誤時(shí)間。當(dāng)精度要求在0.05 mm內(nèi)時(shí)，移動(dòng)電話中框批量加工報(bào)廢率達(dá)到了50%，而且1個(gè)人只能負(fù)責(zé)2臺機(jī)。為了解決高報(bào)廢及效率低下問題，富士康導(dǎo)入了機(jī)床測頭。通過機(jī)床測頭自動(dòng)找正、自動(dòng)分中、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓δ?，?bào)廢率直接降低到1%以下，加工過程程序不中斷，人員效率也改善到1個(gè)人負(fù)責(zé)8臺機(jī)。目前批量加工產(chǎn)品的行業(yè)基本普及在線檢測系統(tǒng)應(yīng)用的有移動(dòng)電話中框背框等零部件加工、手表零件加工、普通氣缸加工、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸加工、鋁輪轂加工等。其中在線檢測在移動(dòng)電話制造業(yè)的應(yīng)用如圖3所示。

圖3 在線檢測在移動(dòng)電話制造業(yè)的應(yīng)用

4.2 序后測量

傳統(tǒng)的模具加工有一個(gè)老大難的問題，就是二次裝夾問題。模具精加工完成后，下機(jī)做三坐標(biāo)測量。如果有不合格的尺寸，因?yàn)檠b不回去，返工難度大而且返工質(zhì)量不好。在線測量則能完美解決這個(gè)問題。下機(jī)前對關(guān)鍵尺寸進(jìn)行在線測量，如遇不合格的尺寸則在下機(jī)前執(zhí)行返工。這就是行業(yè)俗稱的序后檢測。

模具檢測很多時(shí)候牽涉到曲面，就是所謂的3D測量。3D測量屬于三維測量，算法非常復(fù)雜，只能通過專業(yè)的測量軟件來實(shí)現(xiàn)。總而言之，就3D測量來說，軟件是決定產(chǎn)品性能的關(guān)鍵部分，就像三坐標(biāo)測量儀離不開操作軟件那樣。

4.3 外圓、內(nèi)圓及端面尺寸測量

在數(shù)控車床上應(yīng)用在線測量系統(tǒng)目前還不多，其中一個(gè)重要原因是受制于傳統(tǒng)的排刀及四工位刀架刀位數(shù)量限制；刀位數(shù)本來就不夠，加裝測頭占用刀位后就更加緊張。近年來隨著多刀位旋轉(zhuǎn)刀塔的普及應(yīng)用，車床在線測量應(yīng)用明顯得到提升。車床用測頭更多是在數(shù)控車床智能產(chǎn)線中使用，通過檢測內(nèi)圓、外圓及端面尺寸來做斷刀檢測及刀具磨損自動(dòng)補(bǔ)償。其特點(diǎn)是機(jī)械安裝接口要與刀具通用，方便裝夾。測頭均采用無線電傳輸技術(shù)，測頭的穩(wěn)定性和精度至關(guān)重要。如圖4所示。

圖4 在線檢測在數(shù)控車床的應(yīng)用

總之，測頭系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)的連接應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對刀、自動(dòng)刀具破塤檢測、工件安裝定位、工件坐標(biāo)系的確定、加工過程中的質(zhì)量檢查及控制，可以縮短90%的占機(jī)輔助時(shí)間，并消除了因手動(dòng)檢測和找正工件而導(dǎo)致的工件報(bào)廢，充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的性能[6]。

5 在線檢測和智能補(bǔ)償技術(shù)在智能產(chǎn)線的應(yīng)用

以東方器度ZY40在線檢測系統(tǒng)在廣州數(shù)控GS1001B智能制造產(chǎn)線上的應(yīng)用為例，講述如何實(shí)現(xiàn)智能補(bǔ)償功能。

5.1 在線檢測的通訊方式

如圖5所示，GS1001B智能制造產(chǎn)線由工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控車床、加工中心、立體料倉、中央電氣控制系統(tǒng)、RFID、在線檢測系統(tǒng)和制造執(zhí)行系統(tǒng)MES 等組成。首先，使用宏程序BTF 軟件包升級的方式將程序和報(bào)警文件拷入數(shù)控系統(tǒng)中；再將宏變量配置文件 USERMACROVAR.CFG USERMACROVAR.DAT 導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)中；并根據(jù)在線檢測系統(tǒng)型號及功能需求對數(shù)控系統(tǒng)PLC 進(jìn)行修改調(diào)整；最后利用在線檢測的接收器與數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行配對和測頭標(biāo)定。在線檢測系統(tǒng)通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、RFID與數(shù)控機(jī)床、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES進(jìn)行通訊連接，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)鏈接庫數(shù)據(jù)管理。

5.2 在線檢測與智能補(bǔ)償

在MES 系統(tǒng)中，根據(jù)訂單管理的工件任務(wù)，設(shè)定工件尺寸、上公差、下公差的理論值。當(dāng)工件經(jīng)過加工測量后，在線檢測系統(tǒng)通過數(shù)控系統(tǒng)的宏變量采集工件實(shí)際尺寸，MES系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)取相應(yīng)的實(shí)際測量數(shù)值與設(shè)定的理論值進(jìn)行對比和精度分析，并根據(jù)理論值與實(shí)際值的偏差，自動(dòng)完成對應(yīng)刀具的刀長補(bǔ)償、半徑補(bǔ)償值；然后依據(jù)比對結(jié)果對數(shù)控機(jī)床發(fā)出工件加工完成確認(rèn)、返修、取料等功能指令。當(dāng)進(jìn)行返修指令時(shí)，MES 系統(tǒng)會自動(dòng)將輸入的刀補(bǔ)數(shù)值，輸入至對應(yīng)機(jī)床系統(tǒng)的參數(shù)位置，并再次啟動(dòng)對應(yīng)機(jī)床進(jìn)行返修加工及測量。

在智能產(chǎn)線中的實(shí)現(xiàn)智能補(bǔ)償，實(shí)際情況要復(fù)雜很多。制造執(zhí)行系統(tǒng)MES 雖然能智能補(bǔ)償理論值與實(shí)際值的偏差，但在線檢測系統(tǒng)采集到的實(shí)際值只是一個(gè)過程數(shù)據(jù)，一個(gè)相對值，存在一定的誤差，并不是產(chǎn)品的真實(shí)尺寸，這個(gè)誤差受到機(jī)床精度、材料和夾持形變、刀具磨損、冷卻液、切削屑、環(huán)境溫度等諸多因素影響；而這多方面的因素在不同的加工領(lǐng)域、不同的加工環(huán)節(jié)所起的作用是不同的[6]。這類因素造成難以控制的復(fù)合誤差，這個(gè)復(fù)合誤差是客觀存在的，也是不可避免的。要根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝分析、幾何評價(jià)從而得出誤差的經(jīng)驗(yàn)值，再在MES 系統(tǒng)中進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，從而保障智能產(chǎn)線連續(xù)穩(wěn)定地高效生產(chǎn)。

6 對刀儀的在線檢測應(yīng)用

6.1 單向?qū)Φ秲x在加工中心的應(yīng)用

單向?qū)Φ秲x的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍。單向?qū)Φ秲x具有刀長檢測、斷刀檢測的功能。單向?qū)Φ秲x在機(jī)加工行業(yè)已經(jīng)普及。單向?qū)Φ秲x的技術(shù)原理極其簡單，如圖6所示，通過銅球與銅柱的斷開與閉合傳遞信號，類似于開關(guān)。

圖6 單向?qū)Φ秲x

單向?qū)Φ秲x技術(shù)原理簡單，但要制造好卻不容易，國內(nèi)單向?qū)Φ秲x能做好的企業(yè)很少。單向?qū)Φ秲x關(guān)鍵指標(biāo)是性能穩(wěn)定、防護(hù)性能、壽命及精度等。檢驗(yàn)的方法一個(gè)是暴力測試法，連續(xù)觸發(fā)5萬次，通過統(tǒng)計(jì)異常次數(shù)及重復(fù)定位精度來衡量質(zhì)量。另一個(gè)方法是在60°的冷卻油里浸泡48 h后功能正常而且線纜不發(fā)硬，才能證明合格。

6.2 五向?qū)Φ秲x在加工中心的應(yīng)用

五向?qū)Φ秲x與單向?qū)Φ秲x的區(qū)別就是五向?qū)Φ秲x不僅能測量刀長，還能測量刀徑，如圖7所示。受加工范圍與刀徑相關(guān)度小、價(jià)格較貴的影響，目前五向?qū)Φ秲x應(yīng)用不多。不過2019 年開始市場采購量明顯增加。五向?qū)Φ秲x分為有線及無線兩種，行業(yè)應(yīng)用目前以有線為主。

圖7 五向?qū)Φ秲x

6.3 車床對刀儀在車床及車銑復(fù)合的應(yīng)用

圖8 車床對刀儀工作示意圖

對于機(jī)械加工來講，對刀一直都是研究的問題，不論是普通車床，還是數(shù)控車床，如何才能快速準(zhǔn)確地完成對刀，縮短加工前的準(zhǔn)備時(shí)間，對加工效率的影響是非常大的[8]?，F(xiàn)實(shí)中，因?yàn)槭艿礁鞣N因素的影響，數(shù)控加工過程中經(jīng)常會出現(xiàn)對刀誤差，而這就會嚴(yán)重影響到零件的加工質(zhì)量[9]。車床對刀儀應(yīng)用價(jià)值很高，性價(jià)比高，但受制于車床對刀儀安裝麻煩，應(yīng)用較少，如圖8所示。車床對刀儀應(yīng)用難點(diǎn)在于支架的安裝，由于受不同車床內(nèi)部空間的局限性和差異性，支架安裝打孔難度等原因影響，很多工廠最終放棄。但讓車床裝備自動(dòng)對刀儀提升機(jī)床性能，提高生產(chǎn)效率，是大勢所趨。

7 結(jié)束語

隨著智能制造的深入推進(jìn)，在線檢測技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。通過全面論述在線檢測系統(tǒng)的組成分類、工作原理、主要功能應(yīng)用以及智能補(bǔ)償技術(shù)開發(fā)應(yīng)用等，從根本上解決了傳統(tǒng)測量方法在二次裝夾、多次測量存在的效率低誤差大的問題。自主研發(fā)的國產(chǎn)在線檢測系統(tǒng)，不僅能滿足大多數(shù)企業(yè)需求，還可根據(jù)企業(yè)自身需求進(jìn)行定制開發(fā)，極大地加速了企業(yè)智能化升級改造的進(jìn)程。因此，自主研發(fā)掌握核心技術(shù)，是中國制造2025的必經(jīng)之路。數(shù)控機(jī)床在線檢測和智能補(bǔ)償技術(shù)是智能制造技術(shù)中不容缺失的一環(huán)，必須踏踏實(shí)實(shí)，兢兢業(yè)業(yè)，潛心研究，加強(qiáng)核心技術(shù)攻關(guān)。