有關數控機床的測量技術與分析探討
點擊次數：4625 更新時間：2013-12-04
我們為了保證數控機床這樣的高度自動化設備連續可靠的工作，需要具有自動檢測的功能。現代制造工業的發展，對數控機床的在線檢測技術提出了更高的要求，要實現數控機床高精度在線檢測，應對監測系統的組成、工作原理及主要誤差進行仔細地分析，才可能盡量避免誤差，或根據這些來源情況采取相應的措施，以對誤差進行補償，實現計算機輔助數控機床高精度在線測量。
1、在線測量技術
當今的科技是非常發達的，測量技術對一個國家的綜合發展，起著十分重要的基礎作用。如果沒有先進的測量技術與測量手段，就不可能有先進的高質量產品，就很難制造出單項性能及綜合性能均優良的產品，更談不上發展現代高新技術。這里所涉及到的測量，具體是指機械加工生產過程中機械產品的成品及半成品的測量。按加工過程和測量過程是否在同一設備上進行，測量方法大致可分為離線測量和在線測量兩種方式。離線測量，一般是在大批量生產中應用，適于流水生產線作業、加工與測量分別在設備上進行，在加工設備上加工完工件后需將工件移至測量設備上進行測量。
1.1在線測量技術的重要性
機械加工是先進制造技術的基層作業，是先進制造系統中zui基本zui活躍的環節。其基本目標是在低成本、高生產率的條件下，保證產品的質量。為了實現該目標，急需研究開發的關鍵技術之一就是機械加工在線測量技術。特別是在多品種小批量生產條件下，研究先進的在線測量技術，意義尤其重大。在超精密加工中，機床的精度比一般測量儀器和三坐標測量機的度還高，如果把機床和合適的測量系統有機地結合起來，即可實現零件加工，又可實現工件精度的在線測量。這樣機床即可作加工用，又可作測量用，擴大了機床的應用范圍，又解決了零件的測量問題。
1.2在線測量是并行工程的思想體現
傳統的零件測量方法是很費時的，常常采用離線測量。需把校測零件從加工設備轉移到測量設備上，有時在一個加工過程中甚至需要幾個來回，在很多情況下傳統方法檢測工件的費用上升，超過了工件的加工費用。邊加工邊測量，及時發現問題及時處理，這也是并行工程的思想體現。
1.3數控機床上的在線測量
在數控機床上采用測頭進行測量時，先將測頭安裝在機床的主軸上，然后操作者手動控制機床移動，使測頭測針上的觸頭與工件表面接觸，由機床的數控系統實時地記錄并顯示主軸的位置坐標值。
2、測量誤差的來源與分類
在任何一項測量中，無論采用多么完善的測量方法和測量器具，由于各種因素的影響，所得到的測量值總會存在誤差。就是同一臺儀器，按同一種方法，由同一測量者對同一個測量對象進行測量，其結果往往也是不同的。因此，在任何一次測量中，所得到的測量結果，僅僅是被測量的近似值，在每次測量過程中，要考慮影響測量精度的誤差組成來源。測量誤差主要來源于以下4個方面。
2.1測量裝置誤差
測量裝置誤差，指的是量具或者量儀及其附近和提供標準量值的基準件。測量器具因為本身設計上的原因，如用近似機構代替理論機構，用均勻刻度代替理論上要求的非均勻刻度，會給測量結果帶來誤差。這種誤差稱為理論誤差。測量器具零件的制造誤差和裝配調整達不到理想狀態，也會引起測量誤差。
2.2環境誤差
由于環境因素的影響而產生的測量誤差，被稱為環境誤差。環境因素中溫度的影響一般比較大，因此規定：標準的測量溫度為20℃，高精度測量應在恒溫條件下進行；溫度和濕度需視測量精度的不同，保持在不同的允許范圍內；被測體與量具都達到標準溫度后，才能進行測量。
3、誤差分析
對數控機床在線測量工作過程及特點的分析研究表明，數控機床在線測量和加工的共同點是：測頭與刀具分別作為數控機床的一個末端件，工件作為另一個末端件，由數控機床工作部件帶動進行在線檢測或加工所必須的工作運動，工作部件和工作運動相同；數控機床在線檢測與加工的主要區別是：首先是執行部件不同，在線檢測的執行部件是測頭，而加工時為刀具；其次是進行在線檢測時，無切削運動，不產生切削力和切削熱；而測頭測量時，受測量力的影響。
3.1測頭系統誤差
測頭系統誤差主要包括由測頭的結構和測量方式所決定的測頭靜態誤差、測頭動態誤差以及測頭在機床上的安裝誤差。測頭觸發信號通過機床與測頭接口成為數控機床可識別且反應的信號。一旦測量力消失，測頭芯體帶動測桿在彈簧力的作用下復位。
（1）靜態誤差。包括測頭預行程（死區誤差）和測頭重復定位誤差，它隨測桿長度、剛度、接觸壓力的改變而改變，是一項不可忽略的誤差。測頭重復定位誤差，是測頭機構重復定位時產生的隨機誤差，由于觸發式測頭是一種高精度測量儀器，誤差傳遞中間環節少，此項誤差很小。因此，測頭的靜態誤差主要由測頭預行程量決定。
（2）測頭動態誤差。根據觸發式測頭檢測過程時序和檢測誤差分析可知，測頭動態誤差分為兩種：動態誤差和動態隨機誤差。動態誤差與測頭檢測時的接觸速度和數控系統采樣間隔有關。
（3）測頭安裝定位誤差。包括測頭重復定位誤差、主軸錐孔誤差、測頭錐柄誤差，并受配合面清潔程度的影響。由于重復定位誤差，可使測頭檢測產生離散度。除了制造安裝誤差外，用機械手換測頭（或刀具），常造成自動換刀中的撞擊，也使主軸錐孔和測頭錐柄產生誤差，直接影響測頭在數控機床上的測量精度。
4、結束語
目前的數控機床在線測量系統大都是系統，缺乏通用的設計思路和概念。因此，針對目前的數控加工的要求和曲面測量的實際需求，開發用于數控機床的自動測量系統是十分迫切的。本文首先簡要介紹在線測量技術，然后介紹了測量誤差的來源與分類，zui后分析了系統的誤差。
1、在線測量技術
當今的科技是非常發達的，測量技術對一個國家的綜合發展，起著十分重要的基礎作用。如果沒有先進的測量技術與測量手段，就不可能有先進的高質量產品，就很難制造出單項性能及綜合性能均優良的產品，更談不上發展現代高新技術。這里所涉及到的測量，具體是指機械加工生產過程中機械產品的成品及半成品的測量。按加工過程和測量過程是否在同一設備上進行，測量方法大致可分為離線測量和在線測量兩種方式。離線測量，一般是在大批量生產中應用，適于流水生產線作業、加工與測量分別在設備上進行，在加工設備上加工完工件后需將工件移至測量設備上進行測量。
1.1在線測量技術的重要性
機械加工是先進制造技術的基層作業，是先進制造系統中zui基本zui活躍的環節。其基本目標是在低成本、高生產率的條件下，保證產品的質量。為了實現該目標，急需研究開發的關鍵技術之一就是機械加工在線測量技術。特別是在多品種小批量生產條件下，研究先進的在線測量技術，意義尤其重大。在超精密加工中，機床的精度比一般測量儀器和三坐標測量機的度還高，如果把機床和合適的測量系統有機地結合起來，即可實現零件加工，又可實現工件精度的在線測量。這樣機床即可作加工用，又可作測量用，擴大了機床的應用范圍，又解決了零件的測量問題。
1.2在線測量是并行工程的思想體現
傳統的零件測量方法是很費時的，常常采用離線測量。需把校測零件從加工設備轉移到測量設備上，有時在一個加工過程中甚至需要幾個來回，在很多情況下傳統方法檢測工件的費用上升，超過了工件的加工費用。邊加工邊測量，及時發現問題及時處理，這也是并行工程的思想體現。
1.3數控機床上的在線測量
在數控機床上采用測頭進行測量時，先將測頭安裝在機床的主軸上，然后操作者手動控制機床移動，使測頭測針上的觸頭與工件表面接觸，由機床的數控系統實時地記錄并顯示主軸的位置坐標值。
2、測量誤差的來源與分類
在任何一項測量中，無論采用多么完善的測量方法和測量器具，由于各種因素的影響，所得到的測量值總會存在誤差。就是同一臺儀器，按同一種方法，由同一測量者對同一個測量對象進行測量，其結果往往也是不同的。因此，在任何一次測量中，所得到的測量結果，僅僅是被測量的近似值，在每次測量過程中，要考慮影響測量精度的誤差組成來源。測量誤差主要來源于以下4個方面。
2.1測量裝置誤差
測量裝置誤差，指的是量具或者量儀及其附近和提供標準量值的基準件。測量器具因為本身設計上的原因，如用近似機構代替理論機構，用均勻刻度代替理論上要求的非均勻刻度，會給測量結果帶來誤差。這種誤差稱為理論誤差。測量器具零件的制造誤差和裝配調整達不到理想狀態，也會引起測量誤差。
2.2環境誤差
由于環境因素的影響而產生的測量誤差，被稱為環境誤差。環境因素中溫度的影響一般比較大，因此規定：標準的測量溫度為20℃，高精度測量應在恒溫條件下進行；溫度和濕度需視測量精度的不同，保持在不同的允許范圍內；被測體與量具都達到標準溫度后，才能進行測量。
3、誤差分析
對數控機床在線測量工作過程及特點的分析研究表明，數控機床在線測量和加工的共同點是：測頭與刀具分別作為數控機床的一個末端件，工件作為另一個末端件，由數控機床工作部件帶動進行在線檢測或加工所必須的工作運動，工作部件和工作運動相同；數控機床在線檢測與加工的主要區別是：首先是執行部件不同，在線檢測的執行部件是測頭，而加工時為刀具；其次是進行在線檢測時，無切削運動，不產生切削力和切削熱；而測頭測量時，受測量力的影響。
3.1測頭系統誤差
測頭系統誤差主要包括由測頭的結構和測量方式所決定的測頭靜態誤差、測頭動態誤差以及測頭在機床上的安裝誤差。測頭觸發信號通過機床與測頭接口成為數控機床可識別且反應的信號。一旦測量力消失，測頭芯體帶動測桿在彈簧力的作用下復位。
（1）靜態誤差。包括測頭預行程（死區誤差）和測頭重復定位誤差，它隨測桿長度、剛度、接觸壓力的改變而改變，是一項不可忽略的誤差。測頭重復定位誤差，是測頭機構重復定位時產生的隨機誤差，由于觸發式測頭是一種高精度測量儀器，誤差傳遞中間環節少，此項誤差很小。因此，測頭的靜態誤差主要由測頭預行程量決定。
（2）測頭動態誤差。根據觸發式測頭檢測過程時序和檢測誤差分析可知，測頭動態誤差分為兩種：動態誤差和動態隨機誤差。動態誤差與測頭檢測時的接觸速度和數控系統采樣間隔有關。
（3）測頭安裝定位誤差。包括測頭重復定位誤差、主軸錐孔誤差、測頭錐柄誤差，并受配合面清潔程度的影響。由于重復定位誤差，可使測頭檢測產生離散度。除了制造安裝誤差外，用機械手換測頭（或刀具），常造成自動換刀中的撞擊，也使主軸錐孔和測頭錐柄產生誤差，直接影響測頭在數控機床上的測量精度。
4、結束語
目前的數控機床在線測量系統大都是系統，缺乏通用的設計思路和概念。因此，針對目前的數控加工的要求和曲面測量的實際需求，開發用于數控機床的自動測量系統是十分迫切的。本文首先簡要介紹在線測量技術，然后介紹了測量誤差的來源與分類，zui后分析了系統的誤差。