数控加工技术与在线检测

【摘 要】数控加工技术是科学技术发展带来的重要成果之一，对机械制造意义重大。基于其自动化程度极高，想要控制零件精度，必然需要在加工过程中进行多次检测。本文重点探讨了在线检测方案，首先指出了此类系统的一般组成、工作原理等，进而对其的应用与发展做出了一定的展望，旨在为该技术的发展做出贡献。

【关键词】数控加工；在线检测；应用；发展

数控加工对零件测量的要求极高，不经过有效的零件测量，是无法有效控制零件质量、指导后续生产，同时对整个加工工艺提供优化信息的。传统上，我们往往依赖高精度测量机进行离线测量，其测量环境可控，因此误差极小，但需要对零件进行多次搬运，装夹麻烦，且效率不高，同时对加工状态不稳定的零件，适应性不高。近年来，随着科研人员的深入研究，在线测量成为了可能，通过该技术，我们能够在保持零件位置不变的前提下，直接对其进行测量，虽然在一定程度上降低了机床的加工使用率，且测量环境不可控，容易影响测量精度，但操作却极其方便，零件适应性也极高。本文首先深入研究了数控加工技术及在线检测系统的基本原理，进而对在线检测的发展进行了一定的展望。

1 数控加工技术的特点

数控加工的基本含义比较模糊，一般只要是在数控机床上进行的零件加工，均可归入到数控加工领域（其具体加工工艺如图1所示）。这里的数控机床与普通机床最大的差异在于，其控制通过计算机实现，使得机械生产过程中“人”的影响降到了最低。用于实现这个控制过程的计算机，被称作数控系统。数控系统能根据基本程序控制数控机床的运动，其基本程序则是程序员在深入研究工件材质、机床性能、加工需要等问题后，联系系统指令格式编制而成的。系统的输出指令一般需要包括机床和主轴的启停指令、主轴的旋转及转速控制指令、进给运动控制指令、刀具更换及运动指令等。其主要优点包括如下四点：

首先，精度高。因为采用了计算机插补技术，即便是机床各部件存在着一定的误差，也能够通过及时的反馈，修正这一误差，从而实现高精度加工。

其次，加工速度快。数控加工工序集中，自动化程度高，同一批零件许多工序都能够在同一台机床上进行加工，不仅省去了频繁编写程序的麻烦，且不会出现人为误差，更重要的是，工序集中后，省去了繁杂的零件装卸工序，有效提升了加工速度。

再次，能够实现复杂加工。由于计算进控制精度较高，能够实现及其极为的进给变化，因此数控加工能够实现复杂零件的加工。

最后，数控加工能够实现高效批量的生产。

2 数控加工对在线检测的需求

由于数控加工具备一系列的优点，因此得到了广泛的应用，然而从上面的分析可以看出，在加工过程中，必须对零件进行有效的检测，不然无法找出误差进行及时的处理，这无疑会降低数控加工的有效性。数控加工对检测的需求主要体现在以下几方面上：

首先，检测需要具备快速响应能力。一方面，响应速度提升后，能够有效减少零件加工全过程的时间；另一方面，极快的响应速度又能够使零件的检测具备一个实时性，能够有效指导数控加工。

其次，检测还需要具备实时测量条件。零件的加工往往在瞬间就会产生很大的变化，因此需要得到及时的检测，但是其加工环境往往温度较高，空间受限，难以放置更多的传感器，这就需要我们进行深入的研究，以使检测能够具备实时测量条件。

再次，检测需要有灵敏的传感性。一方面，测量得到的数据必须准确传输至上层设备，另一方面，数据储存装置还需要从传感器中获得极为准确的数据。

最后，检测还需要具备数据搜集整理、在线传输的能力。

3 在线检测技术基本原理

数控加工在线检测的一般步骤如下：首先，计算机系统自动生成检测程序，并将其传输给机床测量系统；随后测量系统编译程序，生成控制代码，控制测头，按照要求移动；移动过程中，测头一旦接触到（直接或间接均可）零件，即发出一个触发信号，并将其传输到转换器中，经过转换后，传输到数控系统中；数控系统接收到信号后，记录点位坐标，发出运动停止的信号，使机床停止运动，并将点位坐标传输至计算机。如此循环往复，直到完成所有的测量动作。上位机可以在整个测量工作中，进行及时的数据处理。

几何形状的检测步骤，主要为：首先，确定零件的几何要素和精度特征；随后，确定检测点的数量和位置分布；接下来建立合理的数学计算方法；最后，根据计算方法及点位分布，确定工件坐标系和检测路径。

4 在线检测装置构成实例分析

数控加工在线检测技术需要基于一定的宏程序工作，因此其基本组成可以分为软件和硬件两个部分。其中硬件部分主要包括：机床本体、数控系统、伺服系统、测量系统、计算机系统等，分述如下：

（1）机床本体。即直接负责零件加工及检测的部分，其工作部件实现了整个工序的基本运动，其传动部件直接影响着零件精度。

（2）数控系统。即CNC系统，又可以细分为中央处理存储器和I/O接口，前者实现了输入存储、插补运算、控制命令的生成，同时通过I/O接口对加工过程进行实时控制。其普遍适应性较高，即便控制对象、控制功能发生了很大的变化，也仅需要改变系统软件及接口系统，即可适应。

（3）伺服系统。即对数控机床刀具或零件的进给位置、主轴转速或位置进行伺服控制的中心系统，优秀的伺服系统能在机床本体传动精度受限的情况下，有效保证零件的加工精度和生产效率。

（4）测量系统。即实现数控加工在线检测的主要部分，又可进一步分为测头、信号传输部件、数据采集部件等部分，其中测头直接负责尺寸测量，即可对工件进行检测，又可对刀具进行检测。

（5）计算机系统。计算机系统首先处理采集到的测量数据，进而生成数控程序，通过数控及伺服系统控制零件的加工，同时还可对检测过程进行仿真分析。

5 数控加工在线检测技术的发展展望

5.1 在线检测的主要问题探讨

5.1.1 优点分析

在线检测最大的优势，不仅在于能够提高生产效率，更在于能够为优化加工提供重要信息，指导加工及测量困难零件的生产。同时，在线检测实现了测量的实时化，非常适应于高值零件的加工，可以使我们及时掌握零件加工状态，一旦发现误差，能够及时进行调整，从而避免加工完成后再进行测量时遇到质量问题无法有效处理的问题。另有一些零件加工变形较大，装夹形态不宜发生变化，难以进行离线检测，而只能适应于在线检测。

总之，采用在线检测，能够保证加工测量的同步，还能够减少对零件的重复装夹、定位，有助于优化零件的加工与测量工艺。

5.1.2 缺点分析

虽然在线检测具备无可比拟的优势，但其缺点也是明显的，主要表现在：首先，在同一台机床上，同时进行零件的加工与测量，分散了生产能力，降低了其加工效率；其次，在线检测过程对自动化要求高，因此对管理与维护的要求较高，同时还需要操作者具备测量方面的编程与解决问题能力；最后，在线检测环境不可控，因此无法完全排除周围的影响因素，测量结果不稳定，容易出现各种误差。

5.2 在线检测的发展方向展望

5.2.1 检测智能化、操作人性化

数控机床对自动化的要求较高，人工介入往往会对加工精度造成严重影响，因此在线检测的智能化也必须得到提高，系统应该实现自动选择加工及测量坐标系、自适应调整测量点位、自动生成工艺参数及检测路径，同时还应该主动操作的人性化发展，配置友善的人机界面，自动补偿误差，诊断甚至修复系统故障。

5.2.2 检测开放化、技术网络化

在线检测系统如果能够将用户特殊应用或独特技巧集成到控制系统中，必然能更加适应于特定的用户，这就需要将检测技术开放化，使用户能够在系统中嵌入特定的技术。同时，技术的网络化发展，则能够使获得权限的客户根据自身需求，从网络数据库中挑选需要的检测技术，完善己方系统。

5.2.3 技术标准化、流程规范化

技术标准、流程规范后，有助于提升数控加工在线检测系统的通用性和拓展能力，也是在线检测技术的主要发展方向之一。

5.2.4 实现非接触式测量

非接触式测量不仅能够提升测量效率，还能够充分发挥柔性工装的优势，具有显著的应用意义，也是亟需实现的一项技术。

6 结束语

数控加工技术与在线检测技术，对提高机械生产能力具有重要的意义，是我们需要发展的主要技术之一。在经济日益全球化的今天，技术创新与应用逐渐突破现时光概念，成为各国竞争的资源，而竞争力差异又往往取决于现场应用水平的高低，提升数控加工技术与在线检测的应用水平应当成为长期坚持的方向。

参考文献：

[1]刘雄伟，张平，刘飞鹏等.基于三角面-三角形相交检测的五轴数控加工碰撞干涉检测算法研究[J].机床与液压，2011（9）.

[2]孙殿柱，崔传辉，康新才等.基于散乱点云数据的五轴数控加工刀轨生成算法[J].农业机械学报，2012（5）.

[3]董友耕，陈博，管声启等.刀具裂纹检测技术在数控加工中心上的应用[J].组合机床与自动化加工技术，2009（6）.

[4]张庆梅.外三角螺纹的数控加工与检测[J].企业导报，2012（23）.

[5]孙殿柱，崔传辉，李延瑞等.三角Bézier曲面数控加工刀轨生成算法研究[J].高技术通讯，2011（11）.