基于數(shù)控銑床加工過程實時檢測系統(tǒng)的研究與應用

周智人 王重慶 張威

摘 要：本項目在不改變原機床結構的情況下，只需增加價格不高、結構簡單的光電檢測環(huán)節(jié)，即可實現(xiàn)實時檢測功能。在結構上簡單可行、經濟上投資少，將數(shù)控機床的高加工精度和高位移精度有機結合，從而實現(xiàn)產品的加工、檢測環(huán)節(jié)的自動化，在大大提高產品生產效率的同時，減少對勞動力的需求，節(jié)約生產成本。而且隨著科學技術的日益發(fā)展，數(shù)控機床精度不斷提高，檢測精度也將隨之提高，此項目開發(fā)后將應用到柔性制造系統(tǒng)中，在很大程度上可代替三坐標測量儀，縮短產品檢測運輸環(huán)節(jié)的時間，在生產過程中隨時檢測，操作方便，具有可觀的經濟效益和發(fā)展前景。

關鍵詞：光電檢測裝置;數(shù)控系統(tǒng);柔性制造系統(tǒng);遠程控制

中圖分類號：TG547 ? ? ? ?文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.03.001

隨著科技的發(fā)展和制造工藝的進步，以及消費者對產品多樣化需求的增長，企業(yè)為了能夠在日益激烈的市場競爭中得以生存和發(fā)展，生產規(guī)模已由過去的單一品種大批量生產向多品種小批量的生產方式轉變，而高效柔性的數(shù)控機床能夠很好地滿足這種多品種變批量生產方式的要求。數(shù)控技術極大地推動了計算機輔助設計、計算機輔助制造、柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)、虛擬制造系統(tǒng)和敏捷制造的發(fā)展，并為綠色加工打下了基礎。數(shù)控機床正逐漸成為機械工業(yè)技術改造的首選設備。

另一方面，現(xiàn)代加工中，產品的質量控制和質量管理也是企業(yè)生產的重要環(huán)節(jié)。本項目在柔性制造系統(tǒng)數(shù)控銑床零件加工過程中加入了零件檢測環(huán)節(jié)，通過該系統(tǒng)自動完成對零件的加工、檢測并統(tǒng)計零件的加工件數(shù)、合格件數(shù)及廢品率等有關生產管理信息。

在本項目研究前期的工作中，指導教師一直從事數(shù)控機床的研究及指導學生實訓工作，同時對數(shù)控機床硬件及操作系統(tǒng)方面進行了深入細致的研究，這為本項目研究奠定了堅實的理論基礎和完備的試驗條件。

項目組調研、了解、收集國內外現(xiàn)有的研究，征求有關專家的意見，提出了基于數(shù)控銑床加工過程實時檢測系統(tǒng)的研究目標。

1 工藝系統(tǒng)精度誤差分析及對銑削加工影響

銑削加工的工藝系統(tǒng)，在自身制造質量和不同切削條件下，都會產生誤差，其中，銑床本身的幾何精度誤差是產生誤差的主要根源，其次是銑刀誤差、夾具誤差、測量誤差、回轉部位的調整誤差以及銑床附件誤差等。銑削中，這些誤差都會直接反映到被切削表面上去，也正是由于工藝系統(tǒng)存在著各種原始誤差，才使得工件銑削表面的尺寸、形狀和位置發(fā)生變化，導致加工誤差的產生。誤差主要分為工藝系統(tǒng)的誤差和銑床精度誤差兩類。

2 實時檢測系統(tǒng)

保證零件的加工質量是切削加工中最重要的任務之一。經過上面對工藝系統(tǒng)加工過程各種誤差及其影響的分析，現(xiàn)在我們有針對性地提出具有可行性方案。

由于本項目是機械、電氣、計算機等領域相結合的一項研究，需要設計、加工光電檢測裝置并安裝到數(shù)控銑床上，并將檢測結果顯示到操作面板上以便實現(xiàn)實時檢測。

項目設計思路主要有以下幾個方面：

（1）設計并制作光電檢測裝置，用于零件檢測;

（2）檢測過程與數(shù)控系統(tǒng)互聯(lián)，并將檢測結果顯示到數(shù)控銑床操作面板上;

（3）通過PMC將檢測過程與數(shù)控系統(tǒng)鏈接。

擬解決的關鍵問題為：怎樣使檢測裝置達到較高精度。

3 實時檢測系統(tǒng)的設計及試驗

3.1 光電檢測裝置的設計

設計制作一個光電檢測裝置如圖1所示，將其裝夾到刀柄并安裝到數(shù)控銑床主軸上，從而形成一個尺寸檢測系統(tǒng)，如圖2所示。

光電檢測裝置原理：光電檢測裝置擁有獨立電源，柄部與測量頭用絕緣體斷開，中間安裝一個發(fā)光發(fā)聲器，當檢測頭接觸金屬工件時形成回路，發(fā)光發(fā)聲器發(fā)光報警。

3.2 光電檢測裝置的初步試驗以及數(shù)據(jù)的測量及采集

（1）將機床調到手輪狀態(tài)，通過手輪調整，將檢測頭接近工件左側，觀察快要接近工件時，將手輪調到微調，直至光電檢測裝置發(fā)光為止，這時將X尺寸歸零，即 X相對坐標為0000。

（2）調整手輪，檢測頭接近工件右側，直至指示燈發(fā)光為止，即X相對坐標為測量結果。

測量結束系統(tǒng)自動采集當前X坐標，并減去測量頭直徑D，即為工件實際尺寸，然后進行運算并判斷工件是否合格以及能否再次加工。

3.3 檢測結果

通過PMC程序，檢測結果顯示到操作面板上，如圖3所示。

4 產品實用性分析

該產品可用于單件小批量生產及首件試切的檢測環(huán)節(jié)，可避免量具手動檢測產生的誤差，在不卸載工件的情況下檢測，又避免了二次裝夾產生的裝夾及定位誤差，可在X、Y、Z三個方向對工件進行精密檢測。在大批量生產中也可以作為零件定期檢測環(huán)節(jié)，由于刀具磨損或刀尖積削瘤等情況的產生，使工件尺寸發(fā)生變化，通過檢測可以判斷出零件是否合格，如有問題及時調整，通過改變刀補、磨耗、更換刀具等方式，進行補救，可減少工件的廢品率。避免在批量生產中，由于上述問題的出現(xiàn)，導致大量廢品的產生。對于大型零件的檢測，也可將其應用到數(shù)控龍門銑床上，更能節(jié)省量具成本。

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