面向曲面零件的数控机床加工精度在线检测软件开发

　　概述

　　为了适应国内对零件加工精度及效率越来越高的要求,数控机床得到了广泛的应用。与此同时,高精密零件加工精度的检测技术也面临着更大的挑战。三坐标测量机(CMM)的出现虽然大大地提高了检测的精度,但也带来了工件二次装夹的定位误差和大型零件无法检测等问题。为满足各方面的要求,越来越多的厂商及用户希望能直接在数控机床上配置自动检测系统。目前,国内已有一些院校和企业正在进行这方面的研究。但基本上是针对规则形体特征方面的检测,而对自由曲面零件的在线检测技术研究则落后于国外。

　　在国内,陈明娟和史文彬[1-2]对平缓的曲面测量采用等间距布置网格的方法获取曲面上的测点,而对曲面上变化较大的区域通过收缩网格间距的方法加密测点的分布,但该方法操作起来较复杂,难以在实际检测中实现。刘波[3]开发了曲面零件在线检测的用户宏程序,并建立了相关的曲面数据处理数学模型和误差分析模型,但是对于曲面类零件的接触式测量的三维测球补偿问题采用的微平面近似计算曲面法矢的方法大大地影响了在线测量的效率和精度。在国外,一些商用在线检测软件已经包含了曲面类零件的检测功能,如英国Delcam公司早在2002年就在PowerIN-SPECT软件上推出了基于CAD模型数据的在机检测(OnMachine Verification, OMV)模块,测量精度极高(在定位精度为±(3~4)μm的加工中心上,采用三维测头测量的综合精度为±(5~8)μm),可对包括具有自由曲面的几乎所有零件进行路径规划、在线检测等一体化操作[4]。2006年,英国Renishaw公司也推出了与其公司生产的测头配套的数控机床在机检测系统Renishaw OMV。该检测系统针对难以定位的曲面类零件采用最佳拟合和最佳匹配的方法较好地完成曲面测量的误差评定,接近或达到了CMM测量软件的功能^[5]。

　　1　在线检测系统的功能模块设计

　　零件加工精度的在线检测系统的精度取决于机床、测头的制造精度和软件程序的计算精度。机床和测头的精度是由生产厂家决定和保证的,因此,开发数控机床在线检测系统的主要任务是努力提高软件系统的计算精度和效率。作者主要对软件部分进行较深入的探讨,所设计的软件系统功能模块如图1所示。

　　(1)输入模块

　　检测开始前,由输入模块完成检测零件的CAD模型(STL格式)或测点文件和其他检测相关信息的输入。其中STL格式模型是标准零件模型,几乎可以从所有商业CAD建模工具输出。测点文件是特定格式的待检测的测点信息,根据零件的检测要求,可以从其他CAD建模工具输出该检测点信息,也可以通过手工创建此测点文件。检测相关信息包括被测工件的型号、被测工件的名称、操作者姓名等相关信息,为后续的检测报告等提供必要的信息。