现代机床在机测量技术研究与发展趋势.pdf

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1、发展趋势张建明。罗松保，庞长涛，杜海涛(中航工业北京航空精密机械研究所精密制造技术航空科技重点实验室，北京100076)【摘要】介绍了现代机床在机测量系统的基本构成、功能和效能，以及普通数控加工、超精密加工和复杂曲面及特殊结构工件加工3类场合在机测量系统的特点。阐述了在机测量系统核心技术——测头技术，重点讨论了各类测头的工作原理、特性、控制系统要求，以及适用场合。最后，提出了在机测量系统未来发展方向。关键词：在机测量；测头；机床DoI：l0．16080a．issnl67l-833x．20l6．09．043张建明研究员．研究方向为超精密加工、测量、

2、测试与装备制造。主持完成了多项国家重点科技攻关课题、多项国防预研重点课题。包括国家863重点项目、973子项目等。荣获航空工业总公司“有突出贡献专家”、国防科工委“511学术技术带头人”、国务院政府特殊津贴等荣誉称号。随着现代数控加工、传感和测量技术的发展，机床在机测量(on—machineMeasurement．On—machineGauging；或译作在位测量，在线测量)技术对提高加工精度、效率和产品质量，解决离线测量的问题或障碍，发挥着越来越重要的作用。机床在机测量技术已成为现代先进制造技术的重要发展方向之一。通用数控机床在机测量技术1应用

3、系统构成与效能利用数控加工中心或车、铣中心等通用数控机床上已有的导轨坐标测量、运动控制系统，配置适当的刀具检测、工件检测用途的测头，使机床具备数控多坐标测量机功能。图l所示为典型的在机测量系统结构简图，其中伺服系统为多坐标伺服系统，测头在机床加工过程中储存在刀具库，测量周期中换装在刀具主轴上，形成数控多坐标测量机系统。工作台上安装刀具测头，可对刀具主轴上的刀具进行检测。具有测量功能的扩展机床可实现：(1)利用刀具测头实现自动对刀、刀具破损监测；(2)工件测头识别并设定工件定位状态，可省去工装卡具，减少机床停机时间，消除手动设定误差，降测量宏程序1

4、仉不土制十丁件测头Ll’cNc}—I—刮i贝0头检i贝0刀具测头、．五1工件阜奉上山+工作台计算机伺服系统．石yz{．⋯，^自驱动!标测量图1在机测量系统结构简图Fig．1Schematicdiagramofon—machinemeasurementsystemstructure2016年第9期·航空制造技术43钐论坛嘲uM低废品率，提高生产力和批量产品尺寸的灵活性；(3)通过对工件特征进行有序工件测量，自动修正偏置值，增强无人加工的可靠性、适应性，提供过程反馈，减小变化，利用自动偏置更新进行首件检测，缩短等候首件检测结果的停机时间；(4)确认成

5、品工件的尺寸等。2测头技术测头技术是在机测量的核心关键技术。测头的类型和性能将决定整个测量系统可达到的功能、精度和效率等性能水平。(1)触发式测头系统。目前，通常的数控机床在机测量系统大多配置触发式测头系统。触发式测头工作原理如下[1】：图2所示测针后端3个等分圆柱与测头内6个钢球(或圆柱)精密接触，形成三维空间6个线性无关的精密定位点机构，从而确定了测头坐标系内3个直线、3个旋转坐标6自由度空间位置的唯一向量坐标点。3个钢柱和6个钢球同时又形成了导电回路，检测导电回路导电状态可判断税

6、銎I定位状态。当测球接触工件，改变机构定位状态时，检测电路发

7、出测量触发信号。测量采样触发后，机床数控系统即时锁存各运动坐标测量值，并使运动减速停止，完成一次“飞越”测量过程。触发式测头应用要点：需采取适当的检测对策，防止非测量态测头定位机构误触发输出。机床数控系统也需依工作状态识别误触发信号。触发式测头优点：机械结构和检测电路简单，成本低；测针使用、更换灵活、方便；触发力可调，以适应不同材质工件和不同测针的测量要求；支持通过加长组件进行深入特征测量；能够运用星形测针作复杂测量，因而具有很好的空间可探测性(也被称为“万向测头”)；可达到较高的探测精度(测头机械精密定位机构重复性可达o．1斗m；单向触发重复测

8、量精度为亚微米级；全向触发测量精度为微米级)。触发式测头缺点主要有：不能进行扫描测量，测量效率较低；受测球半径影响，对于曲率变化大的复杂工件形面的测量适应性差，甚至不能≥俯视『g接触／J动力学放大降．●■■■■■●～器啡翟图2触发式测头测针定位机构及工作原理Fig．2PositioningmechanismandworkingprIncipleoftnggerprobestyIus44航空制造技术·2016年第9期有效测量；受接触测力影响，不适合软材料工件测量。(2)测头信号传输方式。在机测量系统的构建首先需要解决测头信号传输的问题。当采取刀具主

9、轴换装测头的方案，测头信号传输必须为无线传输方式。根据机床结构特点和工作方式，测头信号传输方式可分为有线和无线两类。有线式传输成本低、可