数控机床在线检测和智能补偿技术的应用

魏文锋，湛文亮

（广州数控设备有限公司，广州 510530）

0 引言

随着近年来国内追赶工业4.0 步伐的加快，以新一代信息技术与制造技术深度融合为特征的智能制造模式，正在引发新一轮制造业变革。机床在线自动检测技术是提高机床加工精度和加工效率的关键技术之一，人工检测所耗工时多，并带有一定的人为误差。三坐标测量机（CMM）的出现虽然提高了检测精度，但是也带来了工件二次装夹引起的定位误差。

开发机床在线检测系统，既是国内外数控技术研究的热点问题，也是企业实际生产中急需解决的问题[1]。在数控加工行业，传统测量方法已不能满足企业实际生产的需求，企业纷纷引入在线检测技术来提升产品质量和生产效率。以前企业使用的在线检测系统多数是国外进口的，技术受制于人，价格昂贵，二次开发难度大，服务和技术支持不到位。为了解决这个难题，某公司经过不断攻关，逐渐掌握了数控机床在线测量系统的核心技术，价格只有国外同类产品的40%，性能上已能满足大多数企业需求；并联合其他公司开发了智能补偿技术，从而大大促进了国内数控机床智能化升级改造技术的发展。目前在线测量技术在数控加工行业的应用以极快速度普及，尤其在珠三角及长三角区域，在线测量已经成为规模以上的数控加工厂家标配。

1 在线检测系统的组成及分类

在机床上将加工与检测结合在一起，形成一个闭环的加工检测系统，即称该检测方法为数控机床的在线检测[2]。数控机床在线检测系统通常叫做机床测头系统，机床测头系统就是把三坐标测头功能转移到数控机床上，让数控机床具备三坐标一样的接触测量功能，对产品进行位置或尺寸进行在线测量。在线测量系统广泛应用于机械加工领域，与传统离线工件测量方法相比，在线测量具有采样速度快、精度高等特点，实现了工件测量的数字化数据采集分析和精度评价[3]。

机床测头系统的组成主要由测头、接收器、软件及宏程序包等组成，如图1所示。机床测头是数控机床实现在线测量的关键部件，直接影响着在线检测的精度，选择适合的机床测头非常重要。依据机床测头与接收器间传输介质可分为：红外线测头、无线电测头及有线测头（没有接收器）。目前市场无线电测头中WiFi 传输测头成为主流，抗障碍能力较强。按照应用功能分类有2D 测头及3D 测头（具备曲面测量能力）。测头的关键指标是性能稳定性、精度、电耗及反应灵敏度等。尤其以稳定性和精度（正常重复定位精度小于1 μm）最为重要。机床测头质量验证的方法相对简单，用机床连续测量工件3 万次，对比报警次数及重复定位精度就能分出高低。报警次数是0，重复定位精度小于3 μm（在较新机床上）的才是质量可靠的产品。

图1 在线测量系统的组成

2 机床测头的工作原理

在线测量的核心是数控设备与测头系统的通讯以及测点坐标的传输[4]。如图2所示，机床测头的工作原理是利用六点桥式结构，通过结构的高刚性实现各个方向接触通断触发，在触发后传递信号给机床，通过后台软件记录信号触发瞬间的触点坐标数据，并对坐标数据进行运算得出各种形状及位置尺寸。

图2 在线测量工作原理图

3 在线测量应用软件

3.1 宏程序包软件

由于现在的数控系统功能强大，均能提供宏指令系统。以某25i系统为例。该系统提供给用户的B类宏程序，使用户可以自行开发编制各种固定循环程序（包括加工与测量循环程序等）。宏程序是典型手工编程，具有编程自由、程序可控、程序简短等优势[5]。宏程序编程可以实现参数的定义、赋值及加、减、乘、除运算、各种函数运算、可对系统变量进行存取操作、通过控制指令逻辑判断实现各种程序的循环和跳转调用。完全可满足用户编制测量固定循环程序的需要。

机床测头或者对刀仪厂家根据实际需要编制一维或二维几何特征测量宏程序包。用户使用在机测量时通过程序调用宏程序包里面的标准指令即可实现一维或部分二维的在机测量。这类测量主要应用于自动找正，自动分中等一维测量，最大优点能够与加工程序镶嵌在一起，实现测量指导加工，测量加工自动化。机床对刀仪目前100%测量软件应用是宏程序，包括单向/五向/激光对刀仪。机床测头在机测量目前98%以上应用软件也是宏程序。

3.2 UG外挂三维测量软件

UG 外挂三维测量软件是一款充分利用UG 的读图及算法功能开发的外挂软件，基于UG的二次开发软件。这类软件目前均是国内厂家根据客户需求定制开发，功能全面使用方便，性价比非常高。

3.3 独立三维测量软件

独立三维测量软件功能类似三坐标测量软件。这类软件具备强大的CAD数据读入能力，能够读入各种数据格式的三维CAD 模型数据，可快速读取较大的数据模型。智能脱机编程功能，完整的模拟功能。可模拟完整的机床环境，测头系统。全面检测能力：包括各种几何特征检测、形位公差检测、自由曲面检测、边缘检测、截面检测、4轴和5轴联动检测等。这类软件开发难度大，国外品牌测头都是采用独立测量软件，开发成本高；目前国内测头生产厂家只有东方器度自主开发独立三维测量软件。对于加工复杂曲面，或者4轴和5轴联动加工的用户而言，独立测量软件是在线测量应用的首选。

4 在线检测系统的主要功能

4.1 自动分中、自动找正及自动补偿

国内在批量零件加工的数控机床上安装在线测量系统的导入者多数是为富士康代工的移动电话金属件制造厂家。以前，以富士康为主的代工厂在加工移动电话中框及背框时，常常遇到了无法保障质量和效率低下的问题，问题症结在于产品找正及分中等辅助时间过长。按传统方法，工作台上一个夹具装夹多个产品，用千分表找正的方法速度极慢，精度又受人为因素影响，难以控制；牵涉到分中的还要中断程序，打表调整后再启动程序，更耽误时间。当精度要求在0.05 mm内时，移动电话中框批量加工报废率达到了50%，而且1个人只能负责2台机。为了解决高报废及效率低下问题，富士康导入了机床测头。通过机床测头自动找正、自动分中、自动补偿的功能，报废率直接降低到1%以下，加工过程程序不中断，人员效率也改善到1个人负责8台机。目前批量加工产品的行业基本普及在线检测系统应用的有移动电话中框背框等零部件加工、手表零件加工、普通气缸加工、发动机气缸加工、铝轮毂加工等。其中在线检测在移动电话制造业的应用如图3所示。

图3 在线检测在移动电话制造业的应用

4.2 序后测量

传统的模具加工有一个老大难的问题，就是二次装夹问题。模具精加工完成后，下机做三坐标测量。如果有不合格的尺寸，因为装不回去，返工难度大而且返工质量不好。在线测量则能完美解决这个问题。下机前对关键尺寸进行在线测量，如遇不合格的尺寸则在下机前执行返工。这就是行业俗称的序后检测。

模具检测很多时候牵涉到曲面，就是所谓的3D测量。3D测量属于三维测量，算法非常复杂，只能通过专业的测量软件来实现。总而言之，就3D测量来说，软件是决定产品性能的关键部分，就像三坐标测量仪离不开操作软件那样。

4.3 外圆、内圆及端面尺寸测量

在数控车床上应用在线测量系统目前还不多，其中一个重要原因是受制于传统的排刀及四工位刀架刀位数量限制；刀位数本来就不够，加装测头占用刀位后就更加紧张。近年来随着多刀位旋转刀塔的普及应用，车床在线测量应用明显得到提升。车床用测头更多是在数控车床智能产线中使用，通过检测内圆、外圆及端面尺寸来做断刀检测及刀具磨损自动补偿。其特点是机械安装接口要与刀具通用，方便装夹。测头均采用无线电传输技术，测头的稳定性和精度至关重要。如图4所示。

图4 在线检测在数控车床的应用

总之，测头系统与数控系统的连接应用可以实现自动对刀、自动刀具破埙检测、工件安装定位、工件坐标系的确定、加工过程中的质量检查及控制，可以缩短90%的占机辅助时间，并消除了因手动检测和找正工件而导致的工件报废，充分发挥数控机床的性能[6]。

5 在线检测和智能补偿技术在智能产线的应用

以东方器度ZY40在线检测系统在广州数控GS1001B智能制造产线上的应用为例，讲述如何实现智能补偿功能。

5.1 在线检测的通讯方式

如图5所示，GS1001B智能制造产线由工业机器人、数控车床、加工中心、立体料仓、中央电气控制系统、RFID、在线检测系统和制造执行系统MES 等组成。首先，使用宏程序BTF 软件包升级的方式将程序和报警文件拷入数控系统中；再将宏变量配置文件 USERMACROVAR.CFG USERMACROVAR.DAT 导入数控系统中；并根据在线检测系统型号及功能需求对数控系统PLC 进行修改调整；最后利用在线检测的接收器与数控系统进行配对和测头标定。在线检测系统通过工业互联网、RFID与数控机床、制造执行系统MES进行通讯连接，实现动态链接库数据管理。

5.2 在线检测与智能补偿

在MES 系统中，根据订单管理的工件任务，设定工件尺寸、上公差、下公差的理论值。当工件经过加工测量后，在线检测系统通过数控系统的宏变量采集工件实际尺寸，MES系统将自动调取相应的实际测量数值与设定的理论值进行对比和精度分析，并根据理论值与实际值的偏差，自动完成对应刀具的刀长补偿、半径补偿值；然后依据比对结果对数控机床发出工件加工完成确认、返修、取料等功能指令。当进行返修指令时，MES 系统会自动将输入的刀补数值，输入至对应机床系统的参数位置，并再次启动对应机床进行返修加工及测量。

在智能产线中的实现智能补偿，实际情况要复杂很多。制造执行系统MES 虽然能智能补偿理论值与实际值的偏差，但在线检测系统采集到的实际值只是一个过程数据，一个相对值，存在一定的误差，并不是产品的真实尺寸，这个误差受到机床精度、材料和夹持形变、刀具磨损、冷却液、切削屑、环境温度等诸多因素影响；而这多方面的因素在不同的加工领域、不同的加工环节所起的作用是不同的[6]。这类因素造成难以控制的复合误差，这个复合误差是客观存在的，也是不可避免的。要根据采集数据进行工艺分析、几何评价从而得出误差的经验值，再在MES 系统中进行相关数据处理，从而保障智能产线连续稳定地高效生产。

6 对刀仪的在线检测应用

6.1 单向对刀仪在加工中心的应用

单向对刀仪的应用已经非常普遍。单向对刀仪具有刀长检测、断刀检测的功能。单向对刀仪在机加工行业已经普及。单向对刀仪的技术原理极其简单，如图6所示，通过铜球与铜柱的断开与闭合传递信号，类似于开关。

图6 单向对刀仪

单向对刀仪技术原理简单，但要制造好却不容易，国内单向对刀仪能做好的企业很少。单向对刀仪关键指标是性能稳定、防护性能、寿命及精度等。检验的方法一个是暴力测试法，连续触发5万次，通过统计异常次数及重复定位精度来衡量质量。另一个方法是在60°的冷却油里浸泡48 h后功能正常而且线缆不发硬，才能证明合格。

6.2 五向对刀仪在加工中心的应用

五向对刀仪与单向对刀仪的区别就是五向对刀仪不仅能测量刀长，还能测量刀径，如图7所示。受加工范围与刀径相关度小、价格较贵的影响，目前五向对刀仪应用不多。不过2019 年开始市场采购量明显增加。五向对刀仪分为有线及无线两种，行业应用目前以有线为主。

图7 五向对刀仪

6.3 车床对刀仪在车床及车铣复合的应用

图8 车床对刀仪工作示意图

对于机械加工来讲，对刀一直都是研究的问题，不论是普通车床，还是数控车床，如何才能快速准确地完成对刀，缩短加工前的准备时间，对加工效率的影响是非常大的[8]。现实中，因为受到各种因素的影响，数控加工过程中经常会出现对刀误差，而这就会严重影响到零件的加工质量[9]。车床对刀仪应用价值很高，性价比高，但受制于车床对刀仪安装麻烦，应用较少，如图8所示。车床对刀仪应用难点在于支架的安装，由于受不同车床内部空间的局限性和差异性，支架安装打孔难度等原因影响，很多工厂最终放弃。但让车床装备自动对刀仪提升机床性能，提高生产效率，是大势所趋。

7 结束语

随着智能制造的深入推进，在线检测技术将发挥越来越重要的作用。通过全面论述在线检测系统的组成分类、工作原理、主要功能应用以及智能补偿技术开发应用等，从根本上解决了传统测量方法在二次装夹、多次测量存在的效率低误差大的问题。自主研发的国产在线检测系统，不仅能满足大多数企业需求，还可根据企业自身需求进行定制开发，极大地加速了企业智能化升级改造的进程。因此，自主研发掌握核心技术，是中国制造2025的必经之路。数控机床在线检测和智能补偿技术是智能制造技术中不容缺失的一环，必须踏踏实实，兢兢业业，潜心研究，加强核心技术攻关。