具有良好成本效益的加工中测量

    加工中测量具有两大潜在好处：一是在开始切削加工之前，就能检查机床的加工性能，即可以用它来确定机床能否满足工件的加工要求；加工中测量还能减少将工件送到测量装置或计量室进行检测的必要性，因为这样做不但花费时间，而且意味着需要对工件进行可能导致出错的重新装夹。

    雷尼绍（Renishaw）公司的Barry Rogers指出，虽然很久以前人们就开始在加工机床上利用测头来解决工件装夹问题，但如今，有更多的机床测头是作为一种验证机床和校核其性能的手段，目的是消除加工过程的变化，无论其来自机床、操作者，还是工件材料等因素。

    软件的进步是广泛采用探测功能辅助加工控制的一个重要因素。Rogers解释说，“我们希望将探测程序纳入切削循环之中。首先输入一个CAD模型，然后编程人员可以选出需要测量的特征——只需在某个特征上点击一下，并将其拖拽和放进检测程序即可。”

    运行检测程序获得的测量数据，可用于在实时反馈闭环加工中自动更新刀具偏置量；或者发送给操作者，由其手动改变加工设置。对于自动实时反馈方式，可采用雷尼绍公司的AE Pro闭环加工软件；对于手动测量方式，该公司的OMV开放式软件可将特征测量数据发送给操作者，如有必要，即可据此设置刀具偏置量。

    机床测头还可用于在切削加工开始之前对机床进行校验。可以用一个已知尺寸的标准件或测量基准件校核机床性能。校验程序可对标准件上的一系列点进行触测。机床测量值与控制尺寸的偏差决定了需要的刀具偏置量。

    Rogers说，“你还可以对机床性能进行比对。首先用机床测头测量一个工件特征，然后在三坐标测量机上校核该测量数据，并对机床进行必要的修正。”

    他补充说，“为了满足加工医疗和航空工业常见的小尺寸零件的需要，我们提供了OMP 400型机床测头，它可用于小直径细长测杆而不会发生挠曲。它采用一种应变式测量装置，与转换式测头相比，可获得更小、一致性更好的触测力。这种测头是我们的OMP 700型测头的小型化版本，其测量精度可达到0.25μm。”

    在每个加工步骤对结构复杂的高价值零件进行在线检测，可校验各种工件特征之间的精确尺寸关系，以避免出现可能导致二次返工或零件报废的各种质量问题。雷尼绍的MP700机床测头在对零件的在机检测中，可达到类似坐标测量机测头的亚微米级测量精度。该测头的应变测量设计可提供很小的触测力，以及均匀一致的三维触测模式，长度50mm的测针可达到0.5μm的重复性精度。

    另一种可用于加工前预先校验的新型系统是OTS无线双测头系统。这种系统的刀具安装测头与主轴安装触测测头共用一个光学传输系统，通过红外信号来传送数据。这种测头可提供一个无电缆线的加工环境，并使用户能够实现自动在机调试、刀具破损检测、工件安装和工件校验等功能。

    雷尼绍的激光刀具破损检测系统是一种广受欢迎的产品。这种低成本测量装置可在加工开始之前校验刀具状态，以防止损坏工件。尤其是在钻削/攻丝加工中，这种检测能够防止常见的、代价不菲的丝锥折断问题。在自动化加工中，如果未能检测出刀具破损或缺失，通常在钻头钻孔后进行攻丝加工的丝锥几乎总是会折断。

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ntrol Gaging公司的David Hayes表示，“我们发现，专门测量某一固定尺寸的情况已越来越少。与此不同的是，用户希望测量装置能更快地在不同的测量范围之间转换。我们新的产品线就能解决这种‘快换’问题。对于能检测主要用于航空工业和医疗器件的小型零件的测量装置，其市场需求正在增加。”

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ntrol Gaging公司的WG2直径测量装置可将测量结果实时反馈给磨床，以实现对直径尺寸的闭环精密控制。该装置的重复性精度＜0.5μm，装调时间为30秒。此外，该公司的产品还必须适应欧洲对保护环境的严格要求。其中包括，设备材料中不能包含铅，以及可能会随着时间推移释放出有毒成分的任何物质。Hayes说，“虽然目前对机床类产品还没有征收环境税，但我们认为，取消这种豁免权只是一个时间问题。而且，长期来看，美国的相关法规可能也会越来越严格。” 引人注目的是，日本和中国也开始关注这些环境问题。

    另一个变化趋势是，用户要求将测量控制功能集成到机床的控制系统之中，希望加工控制与测量控制的联系更容易、更简单。

    对机床内置测量装置的需求正日益增加。例如， Sunnen公司的SV-1005系列立式CNC珩磨机上现已集成了一套气动测量系统，可对工具尺寸提供闭环控制，并能生成可下载的统计过程控制（SPC）数据。采用Sunnen公司的镀金刚石CGT Krossgrinding珩磨工具或MMT TurboHone多珩头芯棒，这种配备了气动测量装置（孔径测量范围3－65mm）的珩磨机可在无需操作者干预的情况下，自动控制珩孔尺寸，精度可达0.25μm。该珩磨系统非常适合用于小型发动机、液压阀门/阀体、燃料喷嘴、齿轮、压缩机零件、涡轮机交换器壳体和枪管的中/大批量、自动化、高测量能力指数（Cpk）加工。

    测量尺寸更小的零件是马波斯（Marposs）公司正在解决的一项挑战。该公司开发的NanoUnimar微型测量装置可以在机床上以过去难以达到的超高精度测量小型精密装置（如微型轴承和微型气动马达）。

    该公司产品经理Frank Powell解释说，“另一个具有挑战性的领域是圆形零件的测量。例如，磨削曲轴是一种常见的加工方法，过去，需要把磨后的曲轴送到计量室的精密量仪上检查其形状（如圆度），而采用我们内置于机床中的测量装置，就可以在加工时直接检测曲轴形状。”这种测量装置的软件既可以在个人电脑上脱机运行，也可以在磨床上在机运行，其测量结果与计量室仪器的误差在0.5μm以内。该测量系统并不能取代计量室仪器，但可以使操作者快速了解工艺状况，并预测加工尺寸的变化趋势。

    Powell总结说，“一般来说，测量设备已经不再是一种附加装置。很长一段时期以来，各种测量需求推动加工中测量成为新的热点。测量装置被直接集成到机床之中，从而使加工机床与测量装置实现了一体化。”nextpage

    海克斯康测量集团旗下Wilcox公司的业务发展主管Steve Logee解释说，“在我们的PC-DMIS测量软件NC新版本中，设计理念是将原来PC-DMIS的大部分基本特性都引入加工中测量。” 它可以从机床的x编号中获取测量信息，并利用PC-DMIS评估引擎分析这些信息。

    现在有三种不同类型的PC-DMIS版本。PC-DMIS Lite版本适用于使用主轴测头的用户，但它不需要太多信息，只需要一些刀具设置、偏置量计算和刀具简单几何形状的基本信息。这是一种由图标驱动的软件包，使用户不必为进入M代码和G代码的复杂性所困扰。它是作为一种原始设备制造商（OEM）选项提供的。目前，该版本仅用于主轴测头的测量，但它也可能会扩展到用于其他传感器和测量场合。

    第二种版本——PC-DMIS NC Server是一种更复杂的测量软件，用于可进行复杂测量的分布式加工模式。它允许用户将CAD模型引入PC-DMIS环境中，脱机开发一个测量程序，并将其翻译为G代码和M代码，然后用它来验证一个数控加工程序的结果。例如，有可能在一项关键切削操作完成后的几分钟内对其结果进行验证。

    Logee解释说，“在一台机床进行试切后，可以调出探测程序进行必要的测量，并将测量数据输入PC-DMIS进行评估。然后，该软件采用对将要进行的加工最恰当的形式报告评估结果。这种形式既可以是向操作者发出一个某些地方发现错误的简单信号，也可以是一份复杂的图形报告，制造工程师可用它来进行工艺调整。PC-DMIS软件还可以将信息发送回机床，以针对刀具的磨损或几何形状变化进行修正。” PC-DMIS NC Server可以同时管理来自多台机床的数据。

    用于控制机床测量的PC-DMIS NCi（交互）软件是该系列软件的高级版本。该软件在机床上的运行方式与PC-DMIS在三坐标测量机（CMM）上的运行方式大致相同。它利用测头来采集一个或一组工件特征数据，通过将这些数据与CAD模型进行比对，对其进行分析，并实时生成有意义的反馈信息。这些信息可用于某些操作（如用迭代法定位找正），或用于一些需要在测量软件与机床之间直接进行通讯的逻辑运算。它还可以对那些尺寸太大，以致无法在常规三坐标测量机上检测的零件进行终检。

    海德汉（Heidenhain）公司的Kevin Kaufenberg解释说，“气动测量装置正变得日益流行，并在逐步取代手动测量。它们利用空气压力驱动测量装置，提高了机床测量能力，并减少了耗费时间的手动操作。” 海德汉测量装置可节省时间的另一个原因是无需重新校准，而许多基于差动变压器式位移传感器（LVDT）的测量装置则需要经常校准。海德汉测量装置的玻璃刻度尺上刻划有永久不变的光学基准标记。一些新型测量装置还将测量行程加大到30mm，从而可用同一套装置检测更大尺寸范围的零件。

    在对工艺过程的评估中，信号分析是一种重要的工具，无论对于检查加工机床，还是对于加工完成的零部件，都是如此。信号分析的原理是，可以通过对一些变量的测量来评估工艺过程，这种测量用传感器采集相关数据，并将其数字化，从而获得工艺过程信号。

    用于组装制造的信号分析系统供应商Sciemetric公司创始人兼首席技术官Nathan Sheaff列举了福特汽车公司初期应用该分析系统的成功案例。福特公司的工程师需要一种能在组装过程中（而不是等到全部组装完毕后）对发动机进行检查的系统。

    在这种系统中，一组检查站在每种关键零部件（如曲轴和活塞）被组装到发动机上时，都对装配过程进行检查。每种测试都是在每个检查站通过机械旋转传动轴自动进行的。据报告，这种装配方式大大降低了发动机的故障率。

    Sheaff警告说，“信号分析将不会告诉你一个系统是否会正常运转，但在出现缺陷（如材料中有裂纹、装配不当等）时会发出警告，以及告诉你零部件功能是否正常。例如，曲轴转角通常是判定发动机缺陷的一个最佳指标。”

    为了开发一个测试程序，首先要获得理想零件的信号，然后用具有已知缺陷零件的产品进行运行，并测出其信号。通过对比两种信号的差异，就能实现对有问题零件的检测。

    用该系统检测了一些零件之后，就可以进行零件的一致性检查。为了知道在判定一种零件存在缺陷之前，应该允许多少零件超差，一致性检查是一个关键步骤。此外，还必须对一些自然出现的、可能会引起信号变动的因素（如湿度、环境温度、振动和刀具磨损）进行评估。

    Sheaff说，“随着时间的推移，你就会知道哪些问题比较严重。然后，你可能就会重新设计检测系统，只检测1－2个关键变量。我们提供的检测装置有2－30个信道，可以检测不同数目的变量。”

    Sheaff补充道，“在检测过程中，总有‘发现真相’的时候。有时，我们一开始并没有找到真正的问题所在。某个缺陷可能会蒙混过关，未被检测出来，然后我们不得不重新进行测试和分析。获取信号数据对于确定产品质量问题的根源至关重要。其实，这种信号分析系统价格并不贵，而且，一些客户发现，因产品质量问题造成一次索赔的金额就可能超过购买整个系统的费用。”

    在加工中测量技术的改进中，软件发挥了重要作用。例如，Caron 工程公司的AutoComp系统能够处理刀具性能数据，并自动修正刀具偏置量。

    每次对一种特定刀具进行尺寸补偿时，系统都会将补偿量记录下来。这就使操作者能监测刀具磨损情况，并设定在更换刀具之前，允许对刀具进行尺寸调整的极限值。显示屏可以显示不同颜色的指示信号：红色表示已到换刀时间，黄色表示接近换刀时间，绿色表示刀具工作正常。

    Caron 公司的另一种产品是刀具监测自适应控制（TMAC）系统。它基于切削工件所需的机床功率对刀具磨损进行实时监测。随着刀具切削刃状况的不断恶化，所需的加工功率就会增大。TMAC系统能够不断测量主轴所需要的功率和进给量，以确定刀具何时磨损或破损，然后向机床CNC系统发出修正信号。

    首先，TMAC系统对一种特定刀具实现最优化切削所需的功率和该刀具的磨损率进行编程。然后，系统对这两个极限值进行监测。此外，该系统还能设置对每种切削条件下的冷却液流量进行监测。