機器可以自動測量零件尺寸嗎？這是怎么做到的

以更低的成本和更高的效率制造高精度零件需要將復(fù)雜的尺寸測量集成到制造系統(tǒng)中。如何使制造機器能夠執(zhí)行傳統(tǒng)上在坐標測量機上執(zhí)行的復(fù)雜尺寸測量，以及如何使用這些計量信息進行自適應(yīng)制造和自動化。

車載測量簡介

由于零件是通過自動化加工循環(huán)制造的，因此已在機床上測量尺寸。要將零件定位在機器工作體積上，需要對該點進行一些簡單的測量以確定其 X、Y、Z 坐標。在車床上車削的零件需要對正在制造的圓柱形零件的直徑進行一些基本測量。這些測量是通過非常簡單的方法完成的，這些方法取決于操作員的技能，有時只能使用硬工具、百分表或電子探針手動完成。

測量值要么由操作員手動記錄，要么在探測宏的情況下，可以直接輸入機器內(nèi)存。隨著機床、秤和控制器的進步，現(xiàn)在可以在制造機器中應(yīng)用更先進的測量程序。許多機床控制器上已有的雙向和快速接口功能允許計量軟件處理接收到的測量數(shù)據(jù)，并在零件制造時計算其先進的幾何和公差特征。

直接在制造機器上擁有此功能，可以使用計量計算作為反饋回路，在制造周期中執(zhí)行重要的校正。通過在整個制造過程中戰(zhàn)略性地使用測量程序，可以實現(xiàn)“自適應(yīng)制造”，從而以更短的整體制造周期時間提高零件質(zhì)量。

制造機器上的集成測量探頭

隨著收集更快、更準確數(shù)據(jù)的需求不斷增長，正在開發(fā)新的探頭和非接觸式傳感器并將其集成到加工中心中。

運動探針：傳統(tǒng)上，運動探針用于更簡單的應(yīng)用。雖然這些探頭為單向測量（例如沿 X 軸）產(chǎn)生可重復(fù)測量，但在其他方向進行測量時，它們的觸發(fā)點會發(fā)生變化，這是更復(fù)雜的形狀測量所必需的。這種稱為波瓣的特性可以進行校準，并且可以通過補償觸發(fā)點將其影響降至最低。

應(yīng)變計探頭：雖然非線性輪廓誤差可以通過軟件進行校準和減少，但在測量表面點時仍會出現(xiàn)不一致。這是因為觸發(fā)點的非線性是由于壓力向量的規(guī)范值而不是運動向量。為了消除這種情況，在觸發(fā)機制中使用了應(yīng)變計探頭，并提供了極其均勻的測量曲線。應(yīng)變計探頭提供高度可重復(fù)的測量數(shù)據(jù)，可用于坐標測量機 (CMM) 式測量程序，從而在制造機器內(nèi)生成非?？焖偾腋叨葴蚀_的計量數(shù)據(jù)。

模擬掃描探頭

模擬掃描探頭：通過掃描零件表面收集高密度數(shù)據(jù)的模擬探頭已在 CMM 上使用多年。一些制造商已經(jīng)為制造中心開發(fā)了模擬探頭，以在不犧牲測量精度的情況下縮短零件測量周期。

非接觸式傳感器：與制造系統(tǒng)集成的激光傳感器有助于在更短的時間內(nèi)收集更高密度的數(shù)據(jù)。最近的激增，尤其是在航空航天制造領(lǐng)域，推動了激光傳感器集成方面的創(chuàng)新，以實現(xiàn)機器上的快速數(shù)據(jù)收集。

將機床用作坐標測量機

為了在加工循環(huán)中應(yīng)用計量反饋，必須執(zhí)行某些程序以確保尺寸測量的可靠性。有許多因素可以改變機床特性并影響測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。這些程序有助于監(jiān)控這些變化并調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，以便在指定的不確定性預(yù)算內(nèi)獲得測量結(jié)果。

傳感器校準：對于自動過程中測量循環(huán)，測量傳感器（例如觸摸、模擬或激光）由機器調(diào)整和使用，就像切割工具一樣。因此，必須在機器控制器中定義工具，以向系統(tǒng)識別它。該定義可以作為定義工具幾何形狀的名義定義來完成，并且實際校準值保存在使用的計量軟件中。測量周期計算和補償?shù)膮?shù)為：

– 探針跳動：這決定了探針尖端與其中心線的偏差。

– 有效半徑：由于系統(tǒng)接收到的觸發(fā)點有延遲，根據(jù)測量速度，探頭半徑會小于其物理尺寸。該值用于補償測量期間的探頭半徑。

– Lobing：這個值與有效半徑類似，只是每個逼近向量計算的值不同。

– 探頭偏移：當使用 5 軸探頭時，會計算實際探頭位置并在測量周期中用作校正值。這將消除由于磁頭未對準而導(dǎo)致的任何錯誤。

– 傳感器連接坐標：如果使用非接觸式激光傳感器，并且每次測量會生成多個點，則必須計算其與機器的精確連接坐標系并將其用作校準的一部分。

機器幾何

盡管加工中心的結(jié)構(gòu)非常堅固，但其幾何形狀可能會因溫度波動和施加的高切削力而發(fā)生變化。在標準的 3 軸機器上，有 21 種可能的幾何誤差來源。盡管這些機器會定期校準，但為了在自適應(yīng)制造應(yīng)用中獲得最佳效果，最好監(jiān)控和糾正這些錯誤。由于機床的完全校準可能需要很長時間并且不可行，因此可以使用其他快速和自動化的方法。

軟件

要執(zhí)行基于實時計量的決策所需的復(fù)雜數(shù)學計算，需要將功能強大的 CMM 軟件集成到制造系統(tǒng)中。由于系統(tǒng)需要在沒有人工干預(yù)的情況下自行運行，因此它還需要在制造過程中非常自主地工作。

軟件需要具備以下功能才能真正讓機器像CMM一樣工作。

離線編程：需要 CAM 風格的編程環(huán)境，具有良好的機床虛擬模型、仿真能力、自動路徑生成和避免碰撞，以及完整的幾何擬合和公差能力。 DMIS（Dimensional Measurement Interface Standard）等編程語言還允許與 CMM 進行交互和協(xié)作以實現(xiàn)高效編程。

雙向接口：需要一個直接雙向的接口，才能在特征測量完成后立即分析數(shù)據(jù)。計算出的計量特性用作動態(tài)決策的一部分，并作為自適應(yīng)回路的一部分寫回機床控制器。

易于操作：與任何其他切削程序一樣，測量程序必須集成到加工中心中。這允許程序作為制造周期的一部分進行集成自動測量設(shè)備，并自行自動啟動。 G-Code NC 程序由后處理 DMIS 測量程序創(chuàng)建并駐留在控制器中。該程序與控制器本地語言的任何其他切割程序一樣用作制造周期的一部分，允許多個程序與切割程序一起工作。

自適應(yīng)制造控制

為了實現(xiàn)自適應(yīng)制造過程，尺寸測量程序可用于制造周期的多個不同階段，從在加工任何零件之前將機器準備到最佳狀態(tài)，到對成品進行最終計量分析以獲得最終檢驗報告和統(tǒng)計趨勢分析。

機器準備和維護：可以使用適當?shù)闹鞴ぜ蜏y量循環(huán)來快速驗證機器幾何形狀。檢測到的任何變化都可以應(yīng)用于機器運動表，以確保機器準備好生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)零件。這是一種“預(yù)防性”方法，可在開始切割過程之前確保機器處于最佳狀態(tài)。

音量棒

工具球：可以快速測量保留在機器體積中的簡單工具球，以驗證機器秤的完整性或檢測由于熱膨脹引起的任何變化。這可以應(yīng)用于機器參考或簡單地合并到零偏計算中。記錄這些測量數(shù)據(jù)可以查看機器隨時間的變化情況并進行趨勢分析。

球桿：快速測量球桿以驗證機器幾何形狀并檢測其線性度和垂直度誤差。

Volume Bats：這些工件可以非常快速地驗證機器的許多運動學和動態(tài)錯誤，并提供有關(guān)其當前狀態(tài)的非常詳細的信息。

機床軸檢查：對于多軸機床，例如具有工作臺配置的機床、車銑復(fù)合機床或 5 軸頭對頭機床，旋轉(zhuǎn)軸的變化可能會導(dǎo)致機床性能出現(xiàn)問題。還可以測量這些參數(shù)以驗證其可接受性，并將其更新回控制器以使機器適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。

工藝設(shè)置：零件設(shè)置是制造過程中最重要的部分之一，為了確保完美的設(shè)置，可能會犯錯誤或浪費時間。為假定標稱位置的零件創(chuàng)建切割程序。必須創(chuàng)建零偏，以便控制器知道零件的確切位置和方向。

零件可以從一塊金屬中提取，也可以通過鑄造或鍛造的坯料形狀雕刻成最終形狀。在上面的示例中，通過簡單地測量零件周圍的至少 6 個點，可以測量其正確的位置、方向和中心并將其更新到控制器自動測量設(shè)備，從而使機器準備好在其準確位置完成零件。

通過創(chuàng)建坐標系并將其自動更新到機器控制器，可以在 5 軸機器上將鑄造葉輪加工成精確的形狀。這是通過測量其形狀周圍的多個點并最佳擬合其 CAD 模型以創(chuàng)建零件對齊來完成的，從而使所有零件輪廓都是正向的，避免底切和損壞的零件。

您還可以測量正在返工的鍛造葉片或機翼，為工件偏移做準備或幫助確定最佳切割方法。通過測量關(guān)鍵基準，測量和驗證零件位置以繼續(xù)其切割過程。如果零件位置超出可接受的位置，則可以將測量值發(fā)送回 CAM 系統(tǒng)，以便為機器上的實際零件位置創(chuàng)建切割程序。

測量要返工的零件（例如添加材料的機翼）以確定最大附加厚度。這可用于計算邏輯參數(shù)并寫回控制器。機器使用此參數(shù)來決定運行與實際零件厚度相匹配的最佳切割程序。在某些情況下，實際的表面輪廓會被逆向工程并作為曲線或表面數(shù)據(jù)發(fā)送回 CAM 系統(tǒng)，以創(chuàng)建適用于該返工零件的自定義切割程序。

過程控制

在最終切割之前，可以再次測量零件，以使機器適應(yīng)最終條件并生產(chǎn)出完美的零件。探測程序自動加載和測量零件以提供最終決定。這允許鉆孔操作的零件相對于基準特征精確對齊，以適應(yīng)刀具尺寸的變化或車削操作期間熱力和靜態(tài)力的所有影響。

為鉆孔操作定向零件：相鄰圖像是在 5 軸機床上垂直于其平面鉆孔的示例。通過測量面矢量和更新工件偏移或工作臺旋轉(zhuǎn)偏移，可以實現(xiàn)完美的孔定位。

在車床上使用自適應(yīng)螺距補償：

在車床上制造的精密零件可能會因多種因素而產(chǎn)生誤差，例如零件和工具在切削力作用下發(fā)生彎曲、工具磨損和熱效應(yīng)。通過測量最終輪廓誤差并自動將其寫入機床間距補償表中，將所有這些誤差相加成一個修正系數(shù)，然后進行最終切削。這種自適應(yīng)過程用于在車床上創(chuàng)建精確的輪廓。

刀具磨損和偏移變化：在銑削、鉆孔或車削過程中，刀具尺寸會隨時間變化。集成到機床中的電子對刀儀可以通過將精確的刀具尺寸設(shè)置到控制器中來幫助操作。這是通過直接測量工具而不是檢測工具磨損對零件的影響來完成的。用于確保最終產(chǎn)品不因刀具磨損而出現(xiàn)錯誤的另一種方法是在新刀具或預(yù)設(shè)刀具上進行精加工。這種方法也不會作用于實際的零件形狀，并且可能存在問題或成本高昂。在精加工之前使用自動測量程序，并有策略地將零件誤差應(yīng)用于刀具磨損、刀具半徑和刀具偏移，有助于以最低成本獲得精密零件。

過程中重新發(fā)布：在某些情況下，可能需要重新生成切割 G 代碼程序以適應(yīng)零件方向和形狀。一個 5 軸機器可以創(chuàng)建具有完美方向的精密輪廓或鉆孔特征，還需要其工具方向來適應(yīng)它將創(chuàng)建的特征。盡管即使使用旋轉(zhuǎn)參數(shù)，零偏也可以將刀具移動到正確的切削位置，但它的 5 軸參數(shù)（例如頭部角度或工作臺角度）可能不會改變，從而導(dǎo)致不完美的光潔度。對于鈑金或復(fù)合材料等零件，零件形狀也可能發(fā)生變形，需要創(chuàng)建與零件形狀完全匹配的新路徑。

重新發(fā)布：切割程序重新發(fā)布是采用專為完美零件位置和形狀設(shè)計的主切割程序，并通過應(yīng)用測量的精確零件方向和零件輪廓重新生成類似路徑的過程。重新發(fā)布的程序長度相同，但創(chuàng)建的坐標和關(guān)節(jié)參數(shù)略有不同。下圖以紅色顯示了零件的標稱位置和切割路徑。 B 顯示零件在重新發(fā)布之前相對于其切割路徑的實際位置。 C 顯示 5 軸重貼后的切削路徑和更新的刀具方向。

調(diào)整5軸參數(shù)：

當?shù)毒叻较虮仨毰c實際零件旋轉(zhuǎn)相匹配時，也必須為刀具方向重新發(fā)布其 G 代碼程序。這可能在 5 軸機器上，程序使用頭部的 A、B、C 角度或頭部的 I、J、K 向量。當?shù)毒咔邢鞅砻孢h離中心點時，這一點尤其重要，鋸片或磨床可能就是這種情況。相鄰的圖像顯示了一個零件補發(fā)示例，以將工具矢量與鉆孔的確切位置相匹配。

適應(yīng)零件形狀：

可用于需要修整的鈑金和復(fù)合材料零件。由于非剛性結(jié)構(gòu)的固定或熱處理過程，超出其實際形狀。當零件被移除時，零件的殘余應(yīng)力也會改變其輪廓。特別是，使用水射流切割來修整這些零件需要很長時間來準備或?qū)е铝慵毕?。提供一種非?？焖偾页杀镜土姆椒?，該方法也可以通過測量零件輪廓并將切割程序重新發(fā)布到其形狀來實現(xiàn)自動化。此圖顯示了藍色激光傳感器掃描的零件的輪廓偏差矢量。

逆向工程：

在某些應(yīng)用中，需要對實際零件位置或零件形狀進行逆向工程，以創(chuàng)建自定義切割程序。通過測量刀片上需要在 5 軸機器上完成的基準特征，可能需要定制切割程序。在這種情況下，可以將生成的坐標系或測量值導(dǎo)出到 CAM 系統(tǒng)，然后可以針對零件的確切位置創(chuàng)建切割程序。

對于從焊接材料返工或在增材/減材機器上制造的零件，可以將實際焊接的零件數(shù)字化，并將實際曲線導(dǎo)出到 CAM 系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以為零件的精確形狀創(chuàng)建自定義形狀，適合切削刀具路徑。上圖顯示了一個通過焊接修復(fù)并通過此過程完成的翼型示例。

后處理控制

零件制造后，可以進行最終檢查。該程序也是自動啟動的，可以是一個完整的計量程序，使機器像三坐標測量機一樣工作。對于多操作過程，這也可以是對下一個操作共享的關(guān)鍵或基準特征的度量。

機器驗證：無論其運動學配置如何，都可以對機床進行編程以執(zhí)行復(fù)雜的測量任務(wù)，這些任務(wù)通常在單獨的設(shè)備上離線完成。上面討論的校準和驗證方法允許非?？芍貜?fù)的測量結(jié)果，從而產(chǎn)生具有可接受不確定度的測量數(shù)據(jù)。直接在機器上使用 CMM 級計量軟件生成實時測量數(shù)據(jù)，消除對 CMM 的持續(xù)依賴。

–汽車模具制造：大型模具和其他汽車零件，無論是返工還是新生產(chǎn)，都需要測量其尺寸完整性。這種尺寸質(zhì)量控制任務(wù)通常由遠離制造機器的坐標測量機執(zhí)行。這會造成運營瓶頸、花費時間并最終增加成本。如果在零件上發(fā)現(xiàn)缺陷，則必須將其帶回以進行額外的工作，從而進一步增加了成本。其他方法（例如激光跟蹤儀或便攜式臂）不太可靠，會中斷機器流程，需要額外的團隊和專業(yè)知識，并且會增加成本。

– 航空航天大型結(jié)構(gòu)制造：在某些情況下，通過其他方法測量非常大的結(jié)構(gòu)可能不可行，也可能不可行。測量軟件可以使用虛擬模型并創(chuàng)建可以在復(fù)雜的多自由度機器上運行的測量程序。測量結(jié)果可用于調(diào)整制造參數(shù)并在移除零件之前創(chuàng)建最終檢查結(jié)果。圖片顯示了用于航空航天應(yīng)用的三頭肌制造機器人。

– 生產(chǎn)零件的最終檢驗

可以快速測量在加工中心制造的任何零件，并通過自動化程序生成完整的計量分析。這些報告可以在本地報告、保存在服務(wù)器上或直接傳遞到監(jiān)控系統(tǒng)以進行更詳細的歷史分析。該圖顯示了在車銑復(fù)合機床上制造的齒輪零件的檢查情況。

場外測量集成

在某些情況下，零件需要在制造它的機器之外進行測量。該測量可以通過坐標測量機、彎曲量規(guī)或?qū)Ｓ糜擦恳?guī)進行。這些系統(tǒng)的測量結(jié)果仍可用于自適應(yīng)控制和優(yōu)化制造過程。

收集測量數(shù)據(jù)

各種系統(tǒng)收集的測量數(shù)據(jù)可以收集到一個中央數(shù)據(jù)庫中，并用于戰(zhàn)略決策，例如趨勢分析或?qū)崟r反饋給機床控制器。從各種設(shè)備接收到的測量數(shù)據(jù)被收集到一個數(shù)據(jù)庫中并顯示出來以便于查看。

左側(cè)顯示當前數(shù)據(jù)為Go/No-Go，右側(cè)顯示歷史運行圖。該軟件還與生產(chǎn)它們的制造系統(tǒng)連接，以便將計算出的參數(shù)（例如基于用戶定義算法的刀具磨損校正）寫回控制器，從而自適應(yīng)地調(diào)整切削參數(shù)以獲得最佳結(jié)果。

總結(jié)

具有計量反饋的自適應(yīng)制造是將尺寸測量直接集成到制造機器中的一種非常有效且可行的方法。機器控制器接口功能、高分辨率標尺、探頭和傳感器的使用簡化了制造系統(tǒng)內(nèi)的集成，最重要的是，可與所有這些接口連接的最先進的計量軟件使其成為易于操作的工具。為大多數(shù)應(yīng)用程序?qū)嵤┙鉀Q方案。這有很多好處，有助于生產(chǎn)復(fù)雜的零件制造并降低在多種類型的制造系統(tǒng)上制造任何精密零件的成本。

提高產(chǎn)品質(zhì)量 - 通過在機器上測量零件而無需將其移除，并根據(jù)測量結(jié)果調(diào)整加工參數(shù)，可以制造高精度零件。在將零件從機器中取出之前了解零件的尺寸質(zhì)量和計量特征有很大的好處，并且可以提高制造設(shè)施的整體性能。

降低制造成本 - 通過在機器上集成閉環(huán)測量系統(tǒng)，在測量過程中投入的額外時間實際上減少了為同一目標在其他地方花費的時間。節(jié)省成本的好處可以來自大幅減少工件設(shè)置時間，尤其是對于大型和復(fù)雜零件，消除昂貴的工件夾持，減少機外測量需求和依賴性，優(yōu)化機器性能和優(yōu)化計劃維護，通過動態(tài)調(diào)整延長刀具壽命刀具磨損和可以最大限度地減少偏移、鑄造、鍛造或其他毛坯尺寸，從而節(jié)省材料成本并減少加工時間并避免報廢。

自動化閉環(huán)制造 - 由于自適應(yīng)測量系統(tǒng)的雙向集成，零件制造可以實現(xiàn)自動化。這可以通過自我監(jiān)控制造條件以及通過不同操作連接在同一部件上工作的多臺機器來完成。

制造系統(tǒng)控制 - 自適應(yīng)測量系統(tǒng)作為對等安全接口與加工中心一起使用，但它們還通過網(wǎng)絡(luò)收集和報告測量數(shù)據(jù)。可以將制造設(shè)施中使用的機器的測量結(jié)果收集到數(shù)據(jù)庫中，并用于監(jiān)控工廠的整體性能。評估和比較這些數(shù)據(jù)有助于做出更好的決策并幫助規(guī)劃未來的制造戰(zhàn)略。