数控加工精度在机检测技术研究现状

数控加工精度在机检测技术研究现状
发布时间：2023-02-07T02:31:43.540Z 来源：《福光技术》2023年1期作者：彭新愿
[导读] 已实现快速读取主流CAD格式、方便获取零件数模上各种特征数据并快速在机检测和提供个性化检测报告等功能。

广东鸿图南通压铸有限公司江苏省南通市 226300
摘要：通过为数控机床配备零件精度检测用测头以及相应的检测代码，即构成在机检测系统。

该技术将加工和检测集成在同一台机床上完成，避免了多次装夹、重复定位误差，可以较好地解决零件精度超差难以修正和辅助时间长等现实问题。

主要介绍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。

并指出目前在该领域存在的一些关键问题，急需进一步解决和提升。

关键词：在机检测；预行程误差；修正加工；数控加工精度
1在机检测系统开发应用
目前已在工业发达国家大力推广应用的通用型在机检测系统典型代表主要有英国Delcam公司和测量巨头Reinishaw公司分别推出的PowerINSPECT和OMV，这两款在机检测软件搭载Reinishaw机床检测专用测头几乎兼容当前主流的数控系统，已实现快速读取主流CAD格式、方便获取零件数模上各种特征数据并快速在机检测和提供个性化检测报告等功能。

此外还有一些专用机床制造公司在其机床产品上自行研制配套使用的在机检测系统，如美国LLNL公司在其研制的LODTM机床上配备了在机测量系统，通过电感测头扫描加工完毕仍装夹在工作台上的复杂自由曲面零件，报道称该设备对面轮廓测量的精度可达数十纳米。

美国的IHARA和NAGASAWA比较了市面上主要的在机测量系统配备的触发探针后指出，在机检测必须深刻理解测头相对工件的位置以及对工件形状的精准触碰，其核心技术在于可以生成适合自动测量的在机检测软件。

德国的IRIGUCHI等发明了一种数控机床的自动编程装置和方法，能在复杂加工中方便、快速地生成正确的加工程序，为在机检测和修正加工程序的生成提供了参考。

尽管已有国外测量巨头开发的先进在机检测系统投入商用，但由于其价格昂贵，且关键技术一直掌握在国外公司，在中国制造2025大背景之下，国内制造业对数字化、智能化制造技术的需求日益增长，相关院校科技单位也涌现了大批学者对在机检测进行深入研究。

如马云辉和陶崇德早在1990年就论述了直接利用高端数控机床或加工中心上自带的位置检测功能实现工件测量的原理。

如田鹏基于SolidWorks开发出基于特征的在机检测数据自动生成系统。

刘黎建立了飞机结构件在机检测测点自适应生成方法，实现了在线检测三维路径自动生成，针对五轴数控机床在线检测后置处理算法和测头控制的需求，基于CATIA开发了基于特征的在机检测数据自动生成系统。

关云鹏基于NX软件二次开发出在机测量系统，实现在机测量系统中面向测量对象的测量点和测量位置的智能选取。

然而二次开发检测系统终究不能拥有系统的自主产权，因此更多的学者开始探索自主开发在机检测系统。

李鹏针对加工中心的定位误差，提出基于G代码修正的误差补偿算法，从而提高检测系统（机床）的检测精度。

上述在机检测系统要么基于其他三维软件进行二次开发缺乏自主知识产权，要么检测对象比较单一导致系统使用范围受限，要么缺乏必要的误差补偿功能致使测量精度无法满足实际的需要，因此还需要继续努力才能最终走向现场应用。

2测头误差补偿技术
检测与加工都在同一台机床上进行，机床自身的定位精度势必影响在机检测精度，因此在实施在机检测之前，须对在机检测的关键误差进行及时的补偿。

在机检测的误差来源主要有硬件本身（包括机床和测头硬件误差）的误差和测量方法（包括测量路径规划和测头预行程、测头半径等误差）引起的误差。

机床几何误差比较复杂，很多专家中对机床系统的几何误差、热误差等进行了深入的研究，建立了一套较为成熟的机床误差分析和补偿方法，此处不作深入探讨，而仅对测头系统补偿技术进行探索。

触发式测头最初只应用在CMM上，直至二十世纪80年代才被用在机床上在加工前对工件的定位等进行一些辅助性的测量。

在机检测过程中，触发式测头如同在CMM上的应用一样，数控系统记录的数据只能是探针前端测球中心的坐标，而不是被测零件表面上的点位置，于是就产生了测头半径误差。

陈岳坪等尝试直接利用商业化三维软件精确的法矢计算功能，在复杂曲面上获取任意测点坐标及其法向矢量值，然后通过软件编程技术获得测球半径补偿量；该方法充分考虑了测头半径的补偿问题，但没有充分考虑触发式测头系统的预行程误差、标定误差等。

高健等人基于团队前期应用BP神经网络预测测头预行程误差的成果，进一步通过建立正则化径向基函数误差预测模型，提出一种更高精度的测头预行程误差预测方法。

上述有关测头预行程误差的测量原理和补偿方法更多地是停留在实验室测试阶段，从理论上提出了解决在机检测测头预行程误差的补偿方法，然而由于加工现场生产任务的紧迫性和机床的最大效益化导致在机检测所能占用机床的工作时间非常有限，因此寻求一种高效可行的测头系统误差补偿方法迫在眉睫。

3带修正功能的在机检测系统开发
检测的目的不只是剔除废品，而更应是避免出现不合格品，提高产品的成品率。

因此，在加工过程中即对零件进行检测并及时根据零件加工误差状况修正下道加工程序方可真正实现检测不仅仅作为一种废品过滤器的功能，而是转变成为一种实时监控加工精度、尽量避免
废品产生及提高零件数控加工自动化程度的手段。

国外带修正功能的在机检测技术的研究应用主要集中在一些专机上，如美国Precitech公司在其推出的超精密机床Nanoform上配备了可对非球抛物面零件实施在机自动测量、计算分析、校正并调整下一步加工工艺参数的气浮电感测头，实现了加工、在机测量和修正加工过程的一体化。

又如德国KAPP公司在其开发的齿轮磨齿机中植入了在机检测系统，并利用在机检测得到的加工数据及时调整磨齿工艺参数，进一步提高了齿轮磨削的精度。

俞冠珉在五轴数控机床上基于机床自带的3D测量功能，提出了“误差镜像－数据匹配－补偿加工”的复杂自由曲面加工误差反馈和修正加工策略。

上述方法中都没有考虑测头预行程误差和曲面测点的自适应分配策略，因此其补偿效果仍有待进一步验证。

杜成立基于在线检测技术，在获得测量数据后使零件在空间的加工余量处于均匀化的最优姿态，然后通过调整工件的坐标系达到修正加工的目的。

边立健根据曲面曲率的变化趋势，基于物体重心原理面向自由曲面提出一种自适应采样的方法，并通过有限测量点重构NURBS曲面对面轮廓误差进行了评定，其测量精度较平均间隙布点明显提高。

上述针对在机检测误差的修正系统要么是针对特殊产品的专项制造设备而研制，要么利用五轴等高端数控机床而开展的研究。

而针对使用量占绝大多数的三轴数控机床等通用型加工设备的在机检测修正技术则少有涉及，因此开发面向通用性更广的三轴机床修正加工技术是众多在机检测技术研究学者提高国内众多小微制造企业加工精度所面临的迫切问题。

4结论
带修正功能的数控机床在机检测技术涉及到计算机编程、精密测量、系统集成及最优化设计理论等诸多研究领域，可以说此类检测手段是各类精密测量中涉及技术最广、过程最为复杂的。

然而基于数控机床带修正功能的加工精度在机检测技术一旦应用于生产实际，必将给我国的汽车、高铁、船舶和航空航天等先进制造业带来深远的影响。

参考文献：
[1]徐亮胜.复杂曲面零件的在线检测误差评定与补偿方法研究[D].广州：广东工业大学，2011.
[2]赵锐.五轴工具磨床立铣刀在机测量系统研发[D].成都：西南交通大学，2019.
[3]丁海骜.雷尼绍：能够精准测量的产品质量[J].CAD/CAM与制造业信息化，2015（S1）：40－41.。