有關數(shù)控機床的測量技術與分析探討
點擊次數(shù)：4170 更新時間：2013-12-04
我們?yōu)榱吮ＷC數(shù)控機床這樣的高度自動化設備連續(xù)可靠的工作，需要具有自動檢測的功能。現(xiàn)代制造工業(yè)的發(fā)展，對數(shù)控機床的在線檢測技術提出了更高的要求，要實現(xiàn)數(shù)控機床高精度在線檢測，應對監(jiān)測系統(tǒng)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(jù)這些來源情況采取相應的措施，以對誤差進行補償，實現(xiàn)計算機輔助數(shù)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(fā)達的，測量技術對一個國家的綜合發(fā)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(chǎn)品，就很難制造出單項性能及綜合性能均優(yōu)良的產(chǎn)品，更談不上發(fā)展現(xiàn)代高新技術。這里所涉及到的測量，具體是指機械加工生產(chǎn)過程中機械產(chǎn)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(chǎn)中應用，適于流水生產(chǎn)線作業(yè)、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(yè)，是先進制造系統(tǒng)中zui基本zui活躍的環(huán)節(jié)。其基本目標是在低成本、高生產(chǎn)率的條件下，保證產(chǎn)品的質量。為了實現(xiàn)該目標，急需研究開發(fā)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(chǎn)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(tǒng)有機地結合起來，即可實現(xiàn)零件加工，又可實現(xiàn)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(xiàn)
傳統(tǒng)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)問題及時處理，這也是并行工程的思想體現(xiàn)。
1.3數(shù)控機床上的在線測量
在數(shù)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(shù)控系統(tǒng)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(tài)，也會引起測量誤差。
2.2環(huán)境誤差
由于環(huán)境因素的影響而產(chǎn)生的測量誤差，被稱為環(huán)境誤差。環(huán)境因素中溫度的影響一般比較大，因此規(guī)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(shù)控機床在線測量工作過程及特點的分析研究表明，數(shù)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(shù)控機床的一個末端件，工件作為另一個末端件，由數(shù)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(shù)控機床在線檢測與加工的主要區(qū)別是：首先是執(zhí)行部件不同，在線檢測的執(zhí)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(chǎn)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(tǒng)誤差
測頭系統(tǒng)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(tài)誤差、測頭動態(tài)誤差以及測頭在機床上的安裝誤差。測頭觸發(fā)信號通過機床與測頭接口成為數(shù)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。
?。?）靜態(tài)誤差。包括測頭預行程（死區(qū)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(chǎn)生的隨機誤差，由于觸發(fā)式測頭是一種高精度測量儀器，誤差傳遞中間環(huán)節(jié)少，此項誤差很小。因此，測頭的靜態(tài)誤差主要由測頭預行程量決定。
?。?）測頭動態(tài)誤差。根據(jù)觸發(fā)式測頭檢測過程時序和檢測誤差分析可知，測頭動態(tài)誤差分為兩種：動態(tài)誤差和動態(tài)隨機誤差。動態(tài)誤差與測頭檢測時的接觸速度和數(shù)控系統(tǒng)采樣間隔有關。
?。?）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(chǎn)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(chǎn)生誤差，直接影響測頭在數(shù)控機床上的測量精度。
4、結束語
目前的數(shù)控機床在線測量系統(tǒng)大都是系統(tǒng)，缺乏通用的設計思路和概念。因此，針對目前的數(shù)控加工的要求和曲面測量的實際需求，開發(fā)用于數(shù)控機床的自動測量系統(tǒng)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(tǒng)的誤差。
1、在線測量技術
當今的科技是非常發(fā)達的，測量技術對一個國家的綜合發(fā)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(chǎn)品，就很難制造出單項性能及綜合性能均優(yōu)良的產(chǎn)品，更談不上發(fā)展現(xiàn)代高新技術。這里所涉及到的測量，具體是指機械加工生產(chǎn)過程中機械產(chǎn)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(chǎn)中應用，適于流水生產(chǎn)線作業(yè)、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(yè)，是先進制造系統(tǒng)中zui基本zui活躍的環(huán)節(jié)。其基本目標是在低成本、高生產(chǎn)率的條件下，保證產(chǎn)品的質量。為了實現(xiàn)該目標，急需研究開發(fā)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(chǎn)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(tǒng)有機地結合起來，即可實現(xiàn)零件加工，又可實現(xiàn)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(xiàn)
傳統(tǒng)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)問題及時處理，這也是并行工程的思想體現(xiàn)。
1.3數(shù)控機床上的在線測量
在數(shù)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(shù)控系統(tǒng)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(tài)，也會引起測量誤差。
2.2環(huán)境誤差
由于環(huán)境因素的影響而產(chǎn)生的測量誤差，被稱為環(huán)境誤差。環(huán)境因素中溫度的影響一般比較大，因此規(guī)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(shù)控機床在線測量工作過程及特點的分析研究表明，數(shù)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(shù)控機床的一個末端件，工件作為另一個末端件，由數(shù)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(shù)控機床在線檢測與加工的主要區(qū)別是：首先是執(zhí)行部件不同，在線檢測的執(zhí)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(chǎn)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(tǒng)誤差
測頭系統(tǒng)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(tài)誤差、測頭動態(tài)誤差以及測頭在機床上的安裝誤差。測頭觸發(fā)信號通過機床與測頭接口成為數(shù)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。
?。?）靜態(tài)誤差。包括測頭預行程（死區(qū)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(chǎn)生的隨機誤差，由于觸發(fā)式測頭是一種高精度測量儀器，誤差傳遞中間環(huán)節(jié)少，此項誤差很小。因此，測頭的靜態(tài)誤差主要由測頭預行程量決定。
?。?）測頭動態(tài)誤差。根據(jù)觸發(fā)式測頭檢測過程時序和檢測誤差分析可知，測頭動態(tài)誤差分為兩種：動態(tài)誤差和動態(tài)隨機誤差。動態(tài)誤差與測頭檢測時的接觸速度和數(shù)控系統(tǒng)采樣間隔有關。
?。?）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(chǎn)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(chǎn)生誤差，直接影響測頭在數(shù)控機床上的測量精度。
4、結束語
目前的數(shù)控機床在線測量系統(tǒng)大都是系統(tǒng)，缺乏通用的設計思路和概念。因此，針對目前的數(shù)控加工的要求和曲面測量的實際需求，開發(fā)用于數(shù)控機床的自動測量系統(tǒng)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(tǒng)的誤差。