数控机床在线检测系统构建与误差测量研究

杨红平 车小伟 梁海涛 张自涵 董全宏 杨锟

摘 要：为提高数控机床的高度自动化，有效保证机床加工精度的跟踪，文章针对天水某机床企业生产的大型卧式车镗数控机床内孔和小型卧式数控车床的外圆沿轴向直线度误差，通过搭建的接触式在线检测系统进行了在线测量与分析。研究结果表明：大型卧式车镗数控机床内孔轴向直线度误差在±1 mm之内；小型卧式数控机床的外圆沿轴向直线度误差在±0.05 mm之内。研究有效实现了机床的加工精度和性能的评价，文章的测量数据为产品的优化提供了一定的理论指导。

关键词：数控机床；在线检测；测量；误差

中图分类号：TG659 文献标志码：A

《中国制造2025》把提高国家制造业创新能力作为9项战略任务之一，明确指出：数控机床和基础制造装备是装备制造业的“工作母机”，机床行业技术水平和产品质量是衡量国家装备制造业发展水平的重要标志，智能装备制造产业对机床加工精度要求不断提高，在线检测技术将发挥越来越重要的作用。

国内外学者针对机床在线检测系统、数控机床的误差补偿等方面进行了大量的理论研究和技术应用。王作学[1]基于虚拟仪器开发的数控机床测试分析系统，实时监测和记录切削加工数据，为机床大数据集成、切削机理研究和切削参数优化提供便捷工具。胡艳娥等[2]对数控加工精度在机检测技术的国内外研究现状与进展，包括在机检测系统开发应用、测头预行程误差补偿技术和带修正功能的在机检测系统开发等。魏文锋和湛文亮[3]通过调研企业自主研发的在线检测系统的应用情况，论述了自动对刀、工件找正、智能补偿等功能在线检测系统的构成和工作原理，最终形成制造、测量一体化的生产模式。张安社[4]开展了基于数控机床在线检测系统的体系结构、功能和关键技术，以及加工误差分离技术的研究，研究了基于数控机床在线检测系统的体系结构、功能和关键技术，以及如何有效分离加工误差，通过实验验证数控机床在线检测系统的测点布置、路径优化、测头运动仿真、检测代码生成、加工误差实时显示等模块功能的可行性。刘丽娟等[5]通过构建的螺钉紧固与法兰结构刀具系统，研究了刀具模型各分段长度与初始惯性矩的关系。Yan

[6]和Liu等[7]建立了误差模型，通过测头的误差处理技术大大提高了机床的加工精度和效率，提升了机床的加工误差检测速度和精度。Li等[8]和高一鸣等[9]提出了一种新的测量点标定方法，该方法目的在于精确捕捉参考点的球心位置。方瑞等[10]针对数控机床误差补偿进行实验研究，将激光干涉仪安装在数控机床上，通过激光干涉仪精确测量了各个轴的定位误差，并依据测量结果通过3次样条曲线的算法程序将各个轴的定位误差依次进行补偿，达到可以预测机床任意点误差的效果。

综上所述，机床在线监测系统产品开发、误差补偿等方面的研究取得了一定的成果，并且在一定区域内得到初步应用，但是在欠发达地区数控机床上还没到广泛应用，为了能将该技术在装备制造企业得到应用，提升机床附加值和加工精度，以天水某企业生产的数控机床为研究对象，构建了接触式机床在线检测试件外径与内孔检测，测量数据结果为评价机床加工性能及工件的精度提供实验依据。

1 在线检测系统设计

数控机床在线检测系统的核心在于实现了被加工零件加工精度的在线状态测量与评价，测头、接收器、数控机床CNC系统进行数据的实时交互与传递，实现了被加工零件误差的检测和加工表面质量跟踪，该技术在精密数控机床得到应用，在一定程度上不仅提高了机床的生产效率，节省了必要的硬件和软件成本，而且能够快速获得零件的误差值，保证了机床加工可靠性。

1.1 工作原理

在线检测系统的前端测头采用红宝石触头接触式检测，其核心构件是测头系统、触头通讯系统以及测点坐标的传输系统。机床在线检测系统构成如图1所示。

首先，根据被测工件的结构特点和测量点的布置方式设计在线监测系统的驱动程序，并将设计的程序通过一定的数据接口传输到数控机床CNC系统中，机床的伺服驱动系统执行驱动程序驱动相应的执行机构运动；其次，将在线检测系统的接触式测头安装在数控车床的刀架上，数控机床刀架在执行相应的运动指令程序时带动测头进行相应的动作，测头将沿着测量规划的路径遍历和动作；再次，测头前端安装高硬度的球形红宝石，当红宝石与被测工件表面进行点接触时，测头内置通讯传感器触发信号指令开关而触发测头的发射器，此时触发器会发出一定波段的脉冲信号携带关键表面测量信息与信号接收器进行数据交互，接收器将该信号通过有线方式传输到机床中央处理CNC系统；最后，CNC 系统将传输的信号经过滤波、坐标换算等工作，计算并获得测头的绝对坐标值，计算结果实时存储到相应CNC寄存器中，CNC系统会根据存储数据进行公差评定，同时，进一步计算机床下一道工序加工时的误差补偿值。机床在线检测系统实现流程如图2所示。

1.2 在线检测参数

用于机床工件测量的在线检测系统测头选用HK-RFX产品，测头能实现全方向测量，具有超宽频波段输出，可靠性强，无线电自动控制激活测头，可以对工件进行外形尺寸以及位置度进行测量，系统通过调用专用程序进行循环加工，不需要人为介入，测量头测出数据，并根据数据量自行分析，自动修正工件加工的偏置量，广泛适用于小型数控加工中心及数控车床类，其参数见表1。

实验数控机床采用天水某企业生产的卧式数控车镗床，该机床的数控系统采用的是SINUMER?IK 840D 操作系统，该操作系统的 PLC 是基于 SI?MATIC S7-200的指令组的集成PLC。主程序如下：G290G40G0G94 特定机床或控制系统的自定义，取消刀具半径补偿。

G01X150Z150D1F1000 将刀具寄存并移动到X=150， Z=150的位置

$A_OUT[4]=1 用于设置输出端口或信号，将输出端口4设置为1

G04F1 暂停指令，输出为1

L9020 调用子程序

R24=150 R26=30 R09=1000 设置寄存器R24、R26和R09的值为150、30和1 000

L9010 调用子程序

M0 主轴停止

R26=0 将寄存器R26的值设置为0

L9018 调用子程序

R80=HPC[37]将寄存器R80的值设置为HPC数组的第37个元素的值。

R24=100 R26=150 R09=2000 设 置 寄 存 器R24、R26和R09的值为100、150和2 000

L9010 调用子程序

R26=0 将寄存器R26的值设置为0

L9018 调用子程序

R81=HPC[37]将寄存器R81的值设置为HPC数组的第37个元素的值

$A_OUT[4]=0 用于设置输出端口或信号，将输出端口4设置为0

M17；启动主轴

1.3 在线测量路径规划

数控机床在线检测系统，需要根据被测物体的形状、尺寸和测量要求，合理选择测量点位和数量，确保测量数据能够全面反映被测物体的特征和误差[11-12]。在路径规划方面，需要结合被测物体的形状和测量要求，设计合理的测量路径，确保测量过程的高效性和安全性。图3是搭建接触式在线检测系统分别对被加工零件进行了内孔和外圆沿轴向直线度误差测量路径规划示意图，可以看出，红宝石测头初始位置在离被测表面一定距离处，当机床CNC系统发出测量指令后，测头沿着表面法矢量方向靠近被测表面，当红宝石测头接触到被测表面时，红宝石测头立即发出指令，通过信号接收器与机床CNC系统进行信息交互，实现测量信息的传输，此时机床 CNC 系统发出测头运动指令，机床CNC系统计算测头所在机床系统绝对坐标系，并将计算结果自动存储到CNC指定地址。接着红宝石测头在CNC指令下沿着表面法矢量方向回退确定距离，完成图3所示的a段路径规划，并沿着轴向方向移动一定的位移，完成图3所示的b段路径规划，CNC将记录下测头所在的位置，红宝石测头完成了第1个周期的运动路径规划，记录了被测加工表面的第1个测量点数据；接着红宝石触头进入c段路径规划，其他测点以此类推。

测头运动主要由3部分构成，分别为a段、b段、c段。进一步推广到其他测点，其中a段和c段测点之间距离随测量现场实际而定。测头运行总距离s为：

式中： s a 为回退距离， s c 为安全距离， di （i=1，2， n?1）为第i个测点到第i+1个测点之间的快速移动距离。

待测工件内表面存在n个测点的情况下，有n段安全和回退距离，在实际测量中，因为检测点数、检测点和安全距离都是定值，要想得到尽可能短的检测路径，就要对路径b段进行优化，对路径总长度d优化的目标函数为：

式中： （x i+1 ，y i+1 ，z i+1 ）为第i个测点坐标， （x i+1 ，y i+1 ，z i+1 ）为第i+1个测点坐标。

2 导轨误差的分离理论

在线检测系统的红宝石测头固定在车床刀架的一个车刀工位上，测头的运动通过刀架的运动实现测头到达预定的工作位置，因此，测头的测量误差受到机床导轨的误差影响。为此，采用程序运算的方法实现导轨带来的测量误差是最好的选择，即：误差分离技术[13]，该技术既可提高测量精度，又可降低仪器成本。

误差分离技术的基本思路是利用被测对象的轮廓固定不变的特征，采用一个或多个探头进行测量，将测量结果应用数学方法进行运算分析，最终将测量信号中包含的被测对象特征的形状误差进行分离，得到被测工件的形状误差。

设定已知的若干测量点A1，A2，…，An，利用构建的检测程序分别对测点进行第1次检测，读出这有限测点的坐标值。然后再让工件旋转180°，重复测量工件上的第1次的测量点，实现确定测量点的第2次测量，同样读取这有限测点的坐标值。如果z是在线测头沿着车床导轨纵向移动距离，待测表面轮廓不平度值为R（z）、S（z），即被测表面测点的实际测量返回坐标值和机床导轨直线度误差，也就是机床导轨的直线度误差在测头测量运动方向上的分量。将待测工件通过夹具装夹在工作台上，其下面同时装夹了一块厚度为σ z 的垫块，保证被测工件底部与垫块紧密接触。

若在第一位置上的一点离机床直线导轨面S（z）的距离为K 0 （z），当沿着被测试件轴向移动σ z 后，该点与S（z）的距离为K 1 （z），则在分离过程的第一步中，测头沿着刀架导轨进行滑动实现第一次的检测运动，测头采集的坐标值K 0 （z），在进一步分离时，由于垫块被抽取，此时试件沿着轴向下移σ z 的距离，装有测头在导轨上进行第二次检测运动，测头对相同的测点开始采集第二组坐标返回值K 1 （z）。则测量方程式可写成[14]：

K 0 （z）=R（z）+S（z） （3）

K 1 （z）=R（z）+S（z） （4）

对K 1 （z）测量值，在数据样本采样时上移一位，则有：

K 0 （z-σ z ）=R（z）+S（z-σ z ） （5）

由式（3）和（5）可以得到：

S（z-σ z ）=S（z）+[K 1 （z-σ z ）-K 0 （z）]（6）

由式（6）的递推关系式，可以逐一分离出各测量样本点所对应的导轨直线度误差。

ΔK=R（z+σ z ）-R（z） （7）

因为式（7）中的前后两次每个测量点的检测误差相互独立且与机床导轨无关，可用n次多项式表示，即

假设在被测工件上有m个测量点，m≥n，联立m个方程，按照最小二乘原理可解得其系数a 1 ，从而得到被测工件表面所选测量点的误差值。设所选测量 点 返 回 坐 标 值 分 别 为 （z 1 ，ΔK 1 ） ， （z 2 ，ΔK 2 ） ，…，（z n ，ΔK n ） ，如果其中点 （z 1 ，ΔK 1 ） 正好在下式的直线上[14]

式（10）准确地反映了 z 1 ，ΔK 1 之间的数学关系。如果该点不在式（9）的直线上，则：

b 1 反映了 z 1 ，ΔK 1 之间的相互关系产生的误差值。根据小二乘法原理[14]，使这些误差的平方和为最小，根据极值的必要条件，取偏导数并令其等于0。

计算出 a 1 ，a 2 值、R（z）的值，并代入式（3），最终计算出导轨直线的误差值S（z），用误差分离技术可以提高工件误差检测的精度。

3 测量实验与误差分析

为了通过接触式在线测量系统评价重型数控机床内径直线度误差，以某机床企业生产的镗杆与主轴分离式重型数控机床镗削加工工件表面为研究对象，在线检测系统安装在与镗杆相连接的刀架上，机床工作时，镗杆在独立驱动下实现工件轴向运动，测头通过专用工装夹具安装在机床内孔加工的刀架上，测头与信号接收器通过无线进行信息交互，信号接收器与数控CNC控制系统相连接。测量工件材质为铸钢，工件直径1.8 m，测量有效长度为1 m，取 d i =100 mm测量1次，连续测量了5次。

图4是内孔车削径向误差随测量长度变化图，其中基准线是测头第一次对刀的位置参照线，可以看出，所有测量点在基准线附近上下变化，但在300 mm处出现了较大的跳动，相对基准值变化5 mm，这是因为主轴在驱动行走过程中由于振动器的打滑导致刀架出现窜动，通过该过程测量，实现了机床刀架在加工过程中由于其他零部件的安装与装配误差降低了机床的加工精度，跟踪了机床加工误差引起的原因。

通过以上数据还可以看出，测量得到的数据在基准线附近±1 mm处变化，该机床的加工精度误差值是不大于1 mm，测量结果与该数控机床加工精度要求一致，实验验证了该在线测头系统的可行性和优越性，该系统可以在机床上快速、准确地测量工件尺寸和形位公差，提高了企业的生产效率和产品质量。

为了进一步评价该在线测量系统的测量性能，选取卧式数控车床进行外圆车削零件的直线度误差测量。测头通过工装夹具将测头系统安装在该数控车床的一个工位上外圆加工的刀架上，测头与信号接收器通过无线进行信息交互，信号接收器与数控CNC控制系统相连接。测量工件材质为铸钢，工件直径280 mm，测量有效长度为220 mm，取 d i =20 mm测量1次，连续测量了8次。

图5外圆车削轴向误差随测量长度变化图，其中基准线同内圆加工基准一样，即测头第一次对刀的位置参照线，第一点的误差值设为0 mm，可以看出，所有测量点在基准线附近来回震荡变化，最大的误差为0.04 mm，平均误差值为0.007 mm，误差完全控制在机床所要求的误差±0.05 mm之内，表明了该机床具有较高的加工精度，再一次评价了外圆车削加工机床的可靠性和高精度。

4 结论

（1）通过搭建的在线检测系统对天水某机床企业生产的大型卧式车镗数控机床内孔和小型卧式数控车床的外圆沿轴向直线度误差测量与分析测量结果表明，内孔直线度误差在±1 mm之内，外圆沿轴向直线度误差在±0.05 mm之内，有效实现了相关机床的加工性能的测试与评价。

（2）在线检测系统有效减少了人工分中、找正等误差，并且避免了加工零件由于多次装夹带来的相应误差。

（3）实现了工件加工时测试系统对测量数据的实时记录，CNC系统可以实时通过数据接口进行数据交互，为机床再次加工的误差补偿提供可靠的数据参考，为提高生产效率和产品质量做出更大的贡献。

参考文献：

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[2]胡艳娥，诸进才，陈敏. 数控加工精度在机检测技术研究现状[J]. 机床与液压，2021，49（16）：168-173.

[3]魏文锋，湛文亮. 数控机床在线检测和智能补偿技术的应用[J]. 机电工程技术，2020，49（7）：141-144.

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Research on the Construction and Error Measurement of CNC Machine Tool On-line Detection System

YANG Hongping 1 ，CHE Xiaowei 1 ，LIANG Haitao 1 ，ZHANG Zihan 1 ，DONG Quanhong 2 ，YANG Kun 3

（1.School of Electromechanics and Automobile Engineering，Tianshui Normal University，Tianshui Gansu 741001，China；2.Tianshui Spark Machine Tool Co.， Ltd.，Tianshui Gansu 741024，China；3.International school，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100876，China）

Abstract： ：In order to improve the high degree of automation of CNC machine tools and effectively ensure the tracking of machine tool processing accuracy.The paper is based on the axial straightness error of the inner hole of large horizontal lathe boring CNC machine tools and the outer circle of small horizontal CNC lathe produced by a machine tool enterprise of Tianshui City， the on-line measurement and analysis are carried out through the contact on-line detection system.The research results show that the axial straightness error of the inner hole of the large hor?izontal turn-boring CNC machine tool is within ± 1 mm， and the axial straightness error of the outer circle of the small horizontal CNC machine tool is within ± 0.05 mm， which effectively realizes the evaluation of the machining accuracy and performance of the machine tool. The measurement data provides some theoretical guidance for the op?timization of the product.

Key word： ：CNC machine tools; on-line testing; measurement; error