三维测头的工作原理

文/ 发布于2017-09-06 浏览次数:1195

  三维测头的基本构成

  本公司生产的三维测头(以下简称测头)分为EP系列和TP系列两类,EP系列测头采用导电式工作原理,TP系列测头采用触发式工作原理。在本手册中介绍的各种型号的测头都具备的基本构成。

  的工作原理

  导电式测头的工作原理:在测头的内部有一个未闭合的有电源电路,该电路断点的两端分别与测头上相互绝缘的测针、测头柄相连接,因此,测头的测针和柄部实际上就是测头内部电路常开开关的两端;当测头通过柄部连接在机床的主轴上时,由于机床和其工作台上的工件(金属材质)都是导电体,所以只要测头上测针的触头与工件表面接触,测头内部的电路就会形成闭合回路,电路立即开始工作并在测头主体上产生声光信号,指明其工作状态。

  触发式测头的工作原理

  触发式测头的工作原理:在测头内部有一个闭合的有源电路,该电路与一个特殊的触发机构相连接,只要触发机构产生触发动作,就会引起电路状态变化并发出声光信号,指示测头的工作状态;触发机构产生触发动作的唯一条件是测头的测针产生微小的摆动或向测头内部移动,当测头连接在机床主轴上并随主轴移动时,只要测针上的触头在任意方向与工件(任何固体材料)表面接触,使测针产生微小的摆动或移动,都会立即导致测头产生声光信号,指明其工作状态。

  在数控机床上采用测头进行测量的工作原理

  在数控机床上采用测头进行测量时,先将测头安装在机床的主轴上,然后操作者手动控制机床移动,使测头测针上的触头与工件表面接触,由于机床的数控系统实时地记录并显示主轴的位置坐标值,因此,可以结合测针的触头与工件的具体位置关系,利用机床主轴的坐标值换算出工件被测量点的相关坐标值 。获得工件的各个被测量点的相关坐标值以后,再根据各坐标点的几何位置关系进行相关计算②,便可以获得最终的测量结果 。

  测头的工作状态

  在测量过程中,当测针的触头与工件接触时,测头发出指示信号,该信号是由测头上的灯光和蜂鸣器鸣叫组成,这种信号主要是向操作者指明测头的触头与工件已经接触。对于具有信号输出功能的测头,当触头与工件接触时,测头除发出上述的指示信号外,还通过电缆向外输出一个经过光电隔离的电压变化状态信号 。

  测头在测量过程中的作用

  根据上述工作原理,测头在能够执行并显示精确微量位移的机床上才能充分发挥测量的作用,例如:各种数控、数显机床等;测头是这种“测量装置”(即:测头+机床)的一部分,它在测量过程中承担着通过与工件精确接触④来确定测量点的坐标、发出指示信号、保证测量结果精确和测量操作方便、迅速、安全、可靠的任务。

  测量的工作方式

  测头在数控机床上共有两种工作方式,即:手动工作方式和编程工作方式。对于没有信号输出功能的测头,只能采用手动工作方式。对于具有信号输出功能的测头,两种工作方式均可采用。

  采用手动工作方式时,机床的运动由操作者手动控制,测量点的坐标值的记录和测量结果的计算亦由操作者承担。手动工作方式适合单件、小批量或测量项目变化不定的情况。这种方式的优点是使用安全,操作者不需要特别培训;缺点是不适合测量点很多,计算较复杂和大批量生产的情况。

  采用编程工作方式时,整个测量过程中机床的运动、被测点坐标值的记录和测量结果的计算都由操作者事先编写的宏程序确定。编程工作方式特别适合大批量或复杂的测量情况。这种方式的优点是对于上述工作情况测量效率高;缺点是要求操作者经过专门的培训。

  对于具有自动换刀功能的加工中心而言,采用编程工作方式应该使用具有红外通讯功能的测头,即本公司另外一种先进的产品:CNC-OMS数控机床在线测量系统。这部分内容有单独的《用户手册》介绍如何使用,本手册不做详细说明。

  术语解释

  相关坐标值①

  指工件上被测点在机床坐标系内的X、Y、Z坐标值。一般为某一个方向的坐标值,在比较复杂的情况时需要两个或三个方向的坐标值。

  相关计算②

  指为了获得测量结果而对各个相关坐标值所进行的计算。一般为加、减计算,比较复杂的情况需要乘、除或三角函数的计算。

  电压变化状态信号③

  指测头输出的信号为一个开关量信号,此信号状态的变化与测头的指示信号同步。

  精确接触④

  指测头测针上的触头与工件表面恰好接触的理想状态,即两者已经接触但测针相对测头移动(摆动或缩进)的幅度很小(一般为0.001-0.002 mm),以至于由此产生的测量误差可以忽略。为了保证测量精度,每个测量点的坐标值都应该在触头与工件处于精确接触的状态时记录。获得精确接触状态的方法是进行2-3次接触与脱离的微量调节,在此过程中应逐渐减小机床进给倍率。(end)

  三维测头 导电式测头的 触发式

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  用于测量从传感器至目标之间直线距离的激光三角测量传感器已经使用了十多年了,由于数字电子器件和大功率数字信号处理器(DSP)的结合使得激光不再对目标颜色、纹理和周围环境以及环境光线和温度变化那么敏感了,激光三角测量技术方法已经得到了发展。

  在几乎相同的时间内,市场上出现了视觉相机,用于检测标签方向、探测表面缺陷、而近来则用于测量零部件的具体特征,如孔径、沟槽间隙或者是机加工(成形)零部件上的通道等。许多视觉相机制造厂家和系统配套厂家试图将视觉相机检测原理延伸到计量领域。但是,其他一些特征,如台阶高度、挤压轮廓形状和加工后产品的容积以及机器人的定位和导向等,要用视觉相机测量仍然是一项艰巨的任务。

  台阶高度测量

  激光三角测量用于台阶高度测量、确定挤压产品轮廓形状和机器人定位和控制方面,可提供良好的分辨率。但是,即使这种测量技术方法也有其局限,原因是激光传感器的点尺寸非常小,意味着需要采用多个传感器,因此使得这种解决方案既复杂又昂贵。

  将激光三角测量传感器与一种控制器结合起来,可从直线上获取二维数据。但是这种三角测量传感器要能产生一条直线,而不是一个点,而这种控制器则应该能输出跨越直线的距离数值。这些系统的局限性在于它们的体积大,而且在传感器头内有移动部件,容易因为发生振动和冲击而被损坏。

  Micro-Epsilon公司开发的ScanCONTROL 2800传感器可克服这些局限。该系统配置有一个固体激光直线投影装置,没有移动零部件,已经按照ISO 标准进行过冲击和振动试验,可分别承受15g和2g的冲击和振动。

  scanCONTROL 2800 / 2810

  因为传感器是以激光三角测量为基础的,所以,可按绝对测量原理用于执行计量任务。传感器数据输出沿FireWrie接口进行,以视觉相机FireWire协议为基础,所以,用户会发现与其接口连接非常简单。

  没有视觉问题

  因为该技术不是以视觉相机原理为基础,所以,没有视觉相机成套时会碰到的传统问题。其特点如下:

  (1)照明——ScanCONTROL-2800功能犹如Micro-Epsilon激光三角测量传感器,每次进行测量时,可调节光的强度,而无需进行平均或过滤。不需要配备外部照明光源或均匀一致的照明光源。传感器可在室外车辆上或毫无环境光源防护的工厂中工作。

  (2)从相机镜头到目标的距离——ScanCONTROL2800的景深可达250mm(Z坐标),直线长度为150mm(Y坐标)。只要在这个测量视窗之内,可对目标进行准确测量。而视觉相机要求将目标反复放置在阅读镜头的前面。

  (3)测量速度——常规相机系统和某些其他的三角测量系统一般只能以每秒50帧的速度运行。ScanCONTROL2800配备有高速CMOS矩阵元件,以及功能非常强大的DSP,因此可将速度增加到4000面/s。这样高速的测量速率使其能够应用于各种用途,如高速机器人定位和控制、挤压轮廓、胶珠、焊缝轮廓等的实时测量以及容积计算等。

  (4)系统精度——ScanCONTROL 2800是一种绝对测量原理的装置。所表示的精度是以微米计算,而不是以像素或亚像素分辨率计算。对多数目标表面而言,分辨率可低达10um。X坐标上的分辨率可供选择的范围是64、128、256、512和1024点。将X坐标上的分辨率与特殊定制的直线长度相结合,可获得用户具体所需要的分辨率。(end)

  三角测量 传感器 分辨率

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  1.机上刀具监控的新一代镭射系统

  Blum镭射刀具监控NT

  在镭射测量技术的初期阶段,遮挡信号的冷却液、切削是加工区域内光学测量的主要障碍。如果冷却液滴下太多,则测量时间会延长。Blum采用的测量方法是让刀具暂时进入遮挡镭射的位置,通过“离开镭射移动”来进行测量。由此,可以消除冷却液的干扰,进而实现更快、更具有可靠性的刀具调整。另外,通过系统内的微处理器对触发的信号进行管理,其优点是即使在高速旋转的区域也可以实现对切刃缺陷等进行检查的单一刀具监控。

  2.用于综合加工中心的新型探针系统

  Blum高精度探针TC系列

  新开发的全方位探针TC50采用了新型的无磨损的光学式测量系统,在360度的任何方向进行测量均可以得到满意的测量结果。通过按压触针来遮断内部光线的非接触式触发原理,长期以来通过Blum的各种应用证明了其精度。它可以实现比传统机型更高速的测量,并且凭借其具有耐久性的设计、优异的电池寿命和可靠性的特点,最适合于必须在重复精度1μm以下的状态下识别工件位置和形状等的加工中心使用。即使是5m/min的测量速度,也可以实现1μm以下的重复性精度。具有最大加速度5G的耐久性,使点触10万次以上成为可能,并可与红外线接收器IC55进行通信。

  最新的Blum产品--Form Control,可以实现在机床上直接进行模具测量。

  3.最适合于综合加工中心和大批量生产线的孔径测量器

  Blum光学式孔径测量系统BG40

  可以与NC进行红外线数据通信的无线BG40和其它刀具一样,收纳在刀架中,测量头支持从直径3mm到200mm的工件直径。无内部磨损的光学式测量系统可以实现重复性精度达1μm的高精度测量。在设计上适用于发动机气缸体、压缩机外壳、轴承枢颈,以及同径零部件的大量生产用,最大测量范围为±200μm。作为工程管理、质量管理的要件,不仅是无人化不可缺少的,而且不需要高价格的后期计测点,并可以防止高价格的再加工和不良的生产。新开发的接口IF46可以实现NC与孔径测量器的双向通信,同时还具备了补正值传达和提供SPC数据的功能。

  (end)

  机床在线测量 波龙科技 测量技术

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  1 引言

  反求工程(或称逆向工程)是一门发展迅速的新兴技术。实物反求技术被用于基于已有产品实物的产品再设计,或对一些无法用数字化手段直接表述和设计、而只能以实物形式表达的产品模型(如油泥模型)进行数字化转换,以实施对这些产品的数字化设计与制造。例如,在对飞机、导弹等飞行器的外型进行空气动力学设计时,完全基于实验优化得到的实物模型无法直接用现有的CAD/CAM系统进行建模表述,因此,为了实现这些飞行器的数字化设计与制造,就必须利用实物反求工程中的点云数据采集技术将实物模型转换为CAD模型。目前,实物反求技术已在新产品设计、产品维修、产品在线检测等方面得到了广泛应用。

  在实物反求工程中,为实现对象数字化,必须利用相应的测量或扫描设备对产品三维实物模型进行测量或扫描,以获得实物模型的空间拓扑离散点数据点云。因此,点云数据采集是实物反求时首先必须完成的工作。在各种实物测量技术中,近年来出现的光学扫描点云数据采集技术具有测量效率高、数据完整性好、适用范围广、可采集数据范围宽(从数毫米至数十米)等诸多优点。

  近年来,国内不少高校和科研院所对实物反求技术进行了大量研究和开发,并在一些关键技术上有所突破。通过自主开发和技术合作,国内在接触式测量技术及设备的开发与应用上已日趋成熟。但对于非接触测量的光学扫描点云数据采集技术,目前还很少见到有国内研制开发的成熟产品及其在汽车、模具等行业成功应用的公开报道。为促进对光学扫描点云数据采集及处理技术的研究与开发,并提供对外技术服务,我校引进了国外某公司生产的流动式光学扫描设备。在设备使用过程中,经常因操作失误、调整不当等原因造成测量误差过大的问题。为了透彻消化国外引进技术,笔者结合工作实践对此进行了研究和分析,并提出了相应的解决方案。

  2 测量误差主要表现形式

  (1)采集数据缺失或数据密度达不到要求。用这种不完整的数据进行点云拟合,误差较大,难以达到要求的测量精度。

  (2)对同一表面的数据采集结果表现为多层点云。这种情况往往出现于被测对象为大型工件或工件为透明物体时。

  (3)单幅采集数据不准确,影响整体测量精度。

  (4)累积误差过大,使测量结果出现明显偏差。

  (5)点云拼接错误,导致较大测量误差。

  (6)测量结果中粗大点(噪音)数据过多。

  3 误差原因分析及提高精度的对策

  笔者结合实际工作经验,通过测试分析,将产生较大测量误差的主要原因归纳为:标定不当、标尺使用不当;测头镜头组合选择不当;测量顺序不当;测量策略选择不当;工件表面标志点安放不当;测量过程中操作不当;工件被测表面预处理不当;后处理不当;测量环境选择不当等,现分别分析如下:

  (1)标定不当、标尺使用不当

  扫描测量头(测头)由光源、CCD摄像机及相应的镜头组构成。在进行点云数据采集之前,首先需要对测头进行初始化,主要内容包括:

  ①根据被测对象的大小、表面特征的多少及其复杂程度选择不同的镜头组合;

  ②根据测量现场条件、被测对象的表面形态及表面处理情况确定主光源的光强;

  ③根据系统标准工作流程对所选定的镜头组合进行标定,使标定精度值≤0.020;

  如果测量之前未进行上述工作,而是直接使用以前标定的测头进行测量,则可能因镜头组合、光源光强、标定精度不符合本次测量要求而无法保证测量精度,导致产生较大误差。

  在测量中,如果因操作失误而使测头受到冲击、碰撞,应及时对测头进行检查,如已发生损坏,要进行修理;如未发生损坏,也必须对测头进行重新标定;即使测量中未发生任何操作失误,但如果测量时间较长,也需定时对测头进行快速标定,检查测头的精度状况。

  标尺是对大型工件进行数据采集时利用数码像机对整个工件上的标识点进行定位的必备工具,所使用标尺上的标准尺寸应与实际利用照片进行处理时所显示的尺寸数值一致。

  (2)测头镜头组合选择不当

  采集大型工件表面点云数据时,应选用测量范围较大的镜头组合,以实现总体数据的快速采集;对于其中部分特征较多、较小的区域,则最好选用测量范围较小的镜头组合再进行局部小特征的突出测量,以获得较好的测量效果。

  对于大型工件,如选择测量范围较小的镜头组合进行测量,则要求工件表面有较多用于点云拼接的标识点,这就会延长工件预处理时间,加大测量时间跨度,因环境温度随时间变化引起的误差就会反映到测量结果中,且会影响整个测量效率。如果用数码像机对整个工件上的标识点进行定位,测量时自动进行拼接,则因标识点数较多、出现标识点之间关系相同的概率变大,容易发生拼接错误;如果不用数码相机对整个工件上的标识点进行定位,相邻单幅点云之间利用共同标识点进行拼接,则由于拼接次数较多,也会产生拼接累积误差过大的现象。

  反之,对于小型工件,如果选择测量范围较大的镜头组合进行测量,则无法准确反映工件上的小特征,使测量结果达不到要求的精度,需要重新更换合适的镜头组合,重新进行标定和测量。

  (3)测量顺序不当

  测量顺序是指测量时相邻单幅测量结果间的叠加顺序。以测量一个细长工件为例,图中1,2,3,4,5所示矩形区域为当前标定测头的测量范围。当按图所示发射状排列方式测量工件时,首先测量工件中间位置,完成中间第1幅的测量后,再测量第2幅,然后利用三个共同的标志点将第2幅与第1幅进行拼合,此时会产生一个拼接误差。同样,第3幅与第2幅之间进行拼合时,也会产生一个拼接误差。假设所有的拼接误差大小相同,则1,2,3之间产生的累积误差为28,1,4,5之间产生的累积误差也为28。测量结果显示,1,2,3之间的累积误差与1,4,5之间的累积误差并不形成叠加关系,因此总的累积误差仍为28。如按图2所示的顺序排列方式测量工件,则最大累积误差为48。因此,测量时应尽可能采用“以中心为基准,发射状排列”的测量顺序,以减小累积误差。

  (4)测量策略选择不当

  测量时,应将被测工件按大型工件、中型工件、小尺寸多特征工件、内腔工件等进行分类,对于每类工件应相应采取不同的测量策略。

  测量大型工件时,可首先用数码像机对标识点进行总体定位,然后选择一个单幅测量范围较大的镜头组合进行测量;如工件尺寸过大,可分两次进行测量,然后利用共同的参考点进行拼合;如大尺寸工件中存在较多的局部小特征,则可在测量基本完成后,再选用一组测量范围较小的镜头组合进行局部测量。为便于小范围测量的自动拼合,对该局部进行预处理时应增加参考点的密度。

  测量中、小型工件时,应注意采用正确的测量顺序,以减少累积误差。实际上,对中、小型工件也可以采用对大尺寸工件的测量策略,但必须配备用于对参考点进行总体定位的数码像机及相关软件。

  测量工件内腔表面时,为克服光学扫描测量设备的景深限制,可采取一些技术手段将内腔测量转化为外型测量,如可将硅胶注人工件内腔中,待其凝固后取出,对其外型进行测量。

  (5)工件表面标志点安放不当

  不管是大型工件还是中、小型工件的测量,都会遇到工件表面标志点的安放问题。

  大型工件的数据采集一般需要使用标尺和数码像机,测量可分两步进行:第一步,利用大的数码点对用于单幅测量点云拼合的标志点进行整体构造,为保证通过正常运算获得单幅测量用的标志点点云,必须遵循图1所示的排列规则;第二步,以标志点点云作为参考系,系统会将测得的每个单幅点云中的标志点与已有参考点云中的标志点进行比较,如二者吻合,则自动进行拼合,两个相邻单幅点云之间不必再有重叠部分。也可进行测量,但前提是每个单幅点云都必须包含至少三个标志点,此时需对被测区域适当粘贴标志点,否则会造成测量困难或使测量精度下降。

  中型工件的标志点粘贴与大型工件有所不同,由于相邻两幅点云的自动(或手工)拼合需要根据相邻单幅点云的共同标志点来完成,因此中型工件的标志点粘贴密度应大于大型工件,否则难以实现相邻两幅点云的拼合。

  由于小型工件标志点的安放会不同程度地掩盖工件上的特征,因此工件表面应尽量少贴或不贴标志点,以获得较完整的扫描数据。

  此外,一般应将标志点粘贴在工件上较平整的位置,以减小对标志点处点云补缺的难度及相应的测量误差。

  (6)测量过程中操作不当

  在测量过程中,应注意以下操作要点:

  ①调整测头方位,使被测部位同时位于两个测头的测量范围之内;

  ②调整主光源的光强,分别调整标识点和工件表面的清晰度,使测量部位的标识点及工件表面达到最清晰程度;

  ③测量过程中应尽量避免对测头的冲击或碰撞。如不慎发生这种情况,应及时对测头进行检查和重新标定,以保持后续测量的精度,否则,测量结果会显示测量部件数据缺失,甚至使测量完全无法继续进行。

  (7)工件被测表面预处理不当

  开始测量前,需要对工件表面进行适当的预处理。如果工件形状十分简单,且工件尺寸较小,通过单幅测量即可完成数据采集,则只需使工件表面能在主光源照射下形成漫反射即可。但通常情况下,仅仅通过单幅扫描测量很难完成对一个完整工件的数据采集,且一般的工件表面在主光源照射下也很难形成符合测量要求的漫反射,因此必须在工件表面预设一些参考点,利用共同的参考点对各次测量结果进行拼合,并用着色剂对工件表面进行均匀喷涂处理,使工件表面形成较理想的漫反射。

  被测工件表面预处理不当主要指:①工件表面某些部位反光过强或吸光过多,不能形成适合扫描要求的漫反射,导致无法形成有效的点云,测量结果显示该部位数据缺失;②缺乏足够的参考点,导致无法进行拼合,即使能形成点云,也只是分散点云而不是整体点云;③工件表面参考点的粘贴一致性太强,缺少特点,使系统无法有效识别单幅点云的拼合位置,从而容易产生拼合错误,难以形成被测工件的整体点云。

  工件被测表面预处理不当还包括未对工件表面不能正确反映设计意图的部分进行修正、工件表面在测量中被碰伤而未及时修复、工件安放状态不当(如工件受力)等非测量因素。此外,在对工件内腔(如发动机气道)进行硅胶注射以形成模型时,注射量不足或硅胶中气泡过多也会使形成的模型不能正确反映工件内腔实际形状。

  (8)后处理不当

  在光学扫描测量中,并非测量所得数据即为点云数据,测量的过程实际上是形成工件影像的过程,要获得点云数据,还需利用ATOS系统对形成的影像数据进行后处理。对于用单幅点云进行拼合生成的结果,首先需要利用几个共同的标识点将所有的单幅数据对齐,以减少累积误差;然后利用对齐后的点云进行重运算,将影像数据转换为点云数据。此时的点云数据可能还存在密度不均匀、粗大误差点多等问题,可再经过三角网格化处理(Polygonize),最终获得质量较好的点云数据。

  当然,后处理不仅仅包括上述内容。在实际测量中,扫描获得的数据点并不一定只局限于所测实物模型,一些不属于该模型的、测量环境中的随机点也被同时测人,因此在进行后处理时必须去除这些不需要的点,以减小其后在基于点云数据进行三维CAD模型构造时产生错误的可能性。

  此外,后处理还包括对点云的简化处理。在一个实物反求点云中,对工件各个部位的精度要求并非完全相同,因此,对一些不太重要的部位可作降低点云密度的简化处理;对一些比较重要的部位则可提高其点云密度。这样不仅能保证三维模型构造的精度要求,而且可大大提高建模效率。

  当然,后处理不仅仅包括上述内容。在实际测量中,扫描获得的数据点并不一定只局限于所测实物模型,一些不属于该模型的、测量环境中的随机点也被同时测人,因此在进行后处理时必须去除这些不需要的点,以减小其后在基于点云数据进行三维CAD模型构造时产生错误的可能性。

  此外,后处理还包括对点云的简化处理。在一个实物反求点云中,对工件各个部位的精度要求并非完全相同,因此,对一些不太重要的部位可作降低点云密度的简化处理;对一些比较重要的部位则可提高其点云密度。这样不仅能保证三维模型构造的精度要求,而且可大大提高建模效率。

  4 结语

  近年来,实物反求技术在新产品设计、产品改型设计、模具制造等方面正发挥着越来越重要的作用,在汽车制造、航空航天、机床工具、国防军工、电子、模具等领域的应用日趋广泛。但目前国内对相关技术的研究还比较滞后,相关的技术装备还主要依赖进口。因此,研究和开发具有我国自主知识产权的实物反求技术及设备,并尽快实现商品化应用,是该领域的当务之急。本文对光学扫描点云数据采集系统实际应用中的精度影响因素进行了分析,并提出了相应对策,希望能对提高相关测量设备的应用水平有所帮助,同时也可为实物反求技术的研究提供一些可资借鉴的实际经验,促进我国反求工程技术开发、应用水平的不断提高。(end)

  光学扫描 测量精度 接触式测量

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  数控切削加工技术是先进制造技术、特别是先进切削加工制造技术中的一个主要发展领域。数控切削加工机床、数控系统、数控刀具和夹具、工件以及测量系统这五大要素构成了数控切削加工系统。可以这样来比喻:数控刀具和数字化精密测量仪器是数控切削技术发展的两个车轮。数控加工技术尤其是数控切削加工技术和数控机床的发展,不能脱离数控刀具和精密测量技术和仪器的发展,它们相互依存、相互促进、息息相关。先进的切削加工技术和数控刀具以及先进的数字化测量技术和仪器、装备及服务推动着数字化制造技术尤其是数字化切削加工技术的发展,装备与服务还推动着数控机床、数控制造装备的发展。

  数控刀具的发展

  高速、高效、复合、高精度、高可靠性及环保是先进切削技术的发展趋势,也是对数控刀具提出的要求。数控刀具制造技术的发展主要集中在如下几个方面:刀具材料制造技术、刀具涂层制造技术、刀具结构设计制造技术、连接数控刀具和数控机床的工具系统制造技术以及切削数据库等相关软件技术。

  (1)数控刀具材料“对症下药”,重视超硬超细材料的开发

  切削刀具材料是决定刀具切削性能尤其是刀具切削效率和可靠性的基础。“对症下药”,针对工件的特点(材料性能、加工余量、批量、要求等)开发匹配的特定刀具材质是当今的一个发展趋势。钴高速钢、粉末冶金高速钢、硬质合金(包括超细颗粒硬质合金)以及陶瓷、金属陶瓷等材料在数控刀具上得到了迅速推广和广泛应用。尤其是数控刀具、可转位不重磨刀片用硬质合金牌号近年来发展迅速,占主要份额。亚微米级超细颗粒硬质合金材料显著提高了刀具的切削机械性能(强度、硬度)。对于复杂成型数控齿轮刀具,钴高速钢和粉末高速钢则大有取代传统高速钢的趋势。随着有色金属材料、有机复合材料甚至木材等切削加工需求的增加,尤其是汽车(气缸体、气缸盖、活塞等)、航空航天、军工、家具制造业的发展,硅铝合金、铝镁合金、复合蜂窝材料零件以及淬硬工件的加工,推动了聚晶金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)等超硬刀具材料制造技术的进步。环保要求的提倡,干切削技术和微量冷液却、低温气冷却技术应运而生,对切削刀具材料(及涂层)的抗高温性能提出了新要求——优良的高温红硬性、高温抗粘合性、高温摩擦性能等对实施干切削数控刀具的使用性能至关重要。

  (2)数控刀具涂层发展迅速,新涂层层出不穷

  刀具涂层是决定刀具切削性能尤其是刀具切削效率和可靠性的另一项关键技术,符合节约型发展的要求:切削效率显著提高,刀具性能明显改善、使用寿命成倍增加,既节省了资源,又降低了成本。近年来,刀具涂层技术发展空前迅猛,新的涂层装备和涂层材料层出不穷。在传统的TiN、TiC、TiCN、Al2O3涂层的基础上,发展了高温红硬性更好的TiAlN、TiBN、TiAlBN、CrN、CrC、SN2等新涂层,以及可改善自润滑性能的软涂层MoS2。金刚石涂层、类金刚石涂层DCL以及CBN涂层等也得到了快速的发展。纳米涂层结构在同样的涂层情况下可显著提高涂层性能,备受重视。

  目前。切削刀具的涂层工艺主要采用化学涂层(CVD)和物理涂层(PVD)二大类。由于物理涂层工作温度低,对刀具基体强度影响小,保持刀具几何精度和刃口切削性能好,因此使用较多。成都工具研究所的热阴极离子镀技术和设备、西安理工大学和英国合作生产的闭合场非平衡磁控溅射离子镀及设备,以及德国CemeCon公司的高电离溅射涂层技术和设备,部分反映了当今涂层技术及装备的现状和发展趋势,在高速钢复杂成型刀具以及硬质合金数控刀具的涂层应用上获得了很好效果。近年来,上海工具厂和贵阳工具厂分别引进了新型涂层设备,哈一工和PVT、汉江工具和BALZERS也分别成立了联合涂层中心,以及多家国外公司在国内开设的刀具涂层服务中心推动了国产复杂成型刀具、数控刀具及刀片涂层质量的迅速提高,向国际先进水平进一步靠拢。

  需要提及的是,要重视工件材料与切削刀具基体和涂层的优化配置。株洲硬质合金厂及株洲钻石切削刀具公司近年投资数亿元,通过引进技术,在硬质合金新材料牌号、涂层技术及设备、可转位数控刀片和整体硬质合金数控刀具的开发和生产方面取得了明显成效。

  (3)数控刀具和工具系统满足高速、复合切削的要求

  数控刀具和可转位数控刀片结构及几何参数的创新优化设计,如新型精密成型的断屑槽型的开发,有效的改善了刀具的切削性能。近年来,数控组合刀具和复合刀具的开发步伐加快。如波状切削刃粗切滚刀和精切滚刀组合、齿轮滚刀和去毛刺刀具组合均使滚削加工效率得到了提高。为了适应CNC复合车铣加工中心的要求,在工件一次安装中完成平面、圆柱面、孔以及螺纹切削加工的要求,开发了满足车铣自动换刀的新型数控刀柄。株洲钻石投资引进技术、上工和SU的合作都将进一步提高我国数控刀具和齿轮刀具的设计制造水平。

  工具系统将数控刀具与数控机床主轴精密牢固连接,决定刀具的夹持精度,传递刀具的切削运动和动力。对于高速高效加工,传统的采用单面(锥面)约束夹紧、带有7∶24锥度的工具系统已经不能满足要求,而HSK工具系统(带有1∶10锥面)得到了推广应用。它采用双面(锥面和端平面)约束夹紧原理,接触刚度和传递扭矩大大提高,近年在国内的推广也有所进展,但主要是与进口机床配套使用,其主要原因在于机床主轴和工具系统的制造中基准的建立和传递、计量检测装备和手段的配备问题。日本大昭和精机开发了带有7∶24锥的双面(锥面和端平面)约束夹紧工具系统,不仅可达到与HSK相似的效果,还能与传统7∶24锥柄刀具互换。最近哈尔滨量具刃具厂收购了德国KELCH公司,吸纳了先进的数控工具系统成套制造技术(设计、加工制造、检测、工作基准规等),此举将推动并加快我国数控工具系统和数控刀具开发制造的进程。

  (4)数控刀具测量仪器

  为确保高切削性能、高精度、形状和结构复杂的数控刀具的质量,数控刀具检测仪器得到重视。如德国Zoller公司的Saturn系列CCD数控刀具预调仪、Schenck公司的TooldyneSV

  数控刀具动平衡检测仪等发展迅速,国外高端新产品不断进入市场。德国BLUM公司和英国RENISHAW公司的非接触式在机数控刀具检测仪,采用了喷气装置,能在数控机床加工过程中,在刀具快速回转时在机床上精密检测并设置刀具的长度、半径、径向跳动,也可监控刀具刃口形状误差和破损。此外还能测量并补偿因温度变化造成的刀具相对位置误差,提高了机床的加工精度。

  (5)数控刀具闭环制造系统

  将测量技术和装备集成于数控刀具的机械加工制造过程中,推动了数控刀具数字化制造技术的发展。德国WALTER公司的数控刀具闭环制造系统和Klingelnberg公司的弧锥齿轮刀具闭环制造系统就是这项数控刀具先进制造技术的实例。系统通过计算机通讯,可实现从CAD、CAM、CAI到CAM再加工直至质量达到要求,实现数控刀具“零废品”制造。数控刀具整个制造系统信息实现了集成和融合。

  数控刀具切削数据库集成于数控机床,也是数控切削技术发展的一个重要内容。我国已开始探索起步。实现该技术的关键是数据的可行性和实用性。成都工具研究所在网上开通的金属切削数据库查询服务工作集成了工具所从“六五”以来的相关研究成果。随着切削技术的发展,尤其是高速、高效、难加工材料切削技术的发展,数据库应适应发展需要,不断更新、补充和提高。

  对于数控切削加工系统而言,必须重视数控刀具制造技术的发展,重视切削机理、数控刀具的设计、材料、制造工艺、刃口强化技术、表面强化技术、数控刀具检测技术直至数控刀具切削数据库等数控刀具制造全过程的技术发展和质量管理。采用先进信息技术,将数控刀具制造闭环系统中各个环节(包括应用)的信息进行集成、分析、诊断、反馈,以提高制造质量和水平,这对于数控刀具制造技术的发展至关重要,对于数控切削加工技术的发展也至关重要。

  数字化精密量仪的发展

  数字化测量技术是数字化制造技术中的关键技术之一。开发亚微米、纳米级高精度测量仪器,提高环境适应能力,增强鲁棒性,使精密测量装备从计量室进入生产现场,集成、融入加工机床和制造系统,形成先进的数字化闭环制造系统,是当今精密测量技术的发展趋势。

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  数控加工 数控刀具 数字化量仪

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  (1)数字化精密测量仪器的新动向——进入生产现场,非接触扫描测量倍受重视

  三坐标测量机作为精密测量仪器的基本型主导产品,继续在机械制造业中得到重视和发展。以三坐标测量机为代表的精密测量仪器进入车间、服务于生产现场是发展的一个重要趋势。例如,LEITZ公司的精密三坐标测量机在车间用于测量大型齿轮就是一例。将数字化测量系统集成到数控加工机床上是另一个发展趋势。例如,秦川机床厂的CNC成型齿轮磨床集成了在机齿轮测量系统。与光学/激光非接触式扫描测量技术相结合,实现多功能、多种传感器的集成和融合,使坐标测量技术的应用更加丰富,更适用于生产现场。

  ①汽车大型覆盖件的非接触扫描测量精确而快速

  配备有光学/激光式非接触扫描传感器的水平臂三坐标测量机实现了对汽车大型覆盖件的快速精密检测。德国ZEISS公司和瑞典HEXAGON集团等世界著名三坐标测量机制造厂在该领域进行了开发。瑞典HEXAGON集团所属DEA公司的PRIMA C1系列水平臂测量机在CW43L型连续伺服关节测座上,可配备触发式测头、连续扫描测头、光学或激光扫描测头等多种测头,以适应不同测量环境和任务的要求。德国ZEISS公司的PROR Premium坐标测量机配备有EagleEye导航系统和可控测座,能够在汽车车身大型覆盖件尤其是车身分总成的质量过程控制中,对工件的几何参数、表面和边缘的特征点、间隙和贴合性等实施高速精密测量。

  ②带激光扫描测量系统的便携式柔性关节臂测量机功能增强

  美国CIMCORE公司推出了配备有先进激光扫描测量系统的关节臂测量机。该仪器采用碳纤维材料制造,重量轻而刚性好,其中INFINITE系列的还具有无线通讯功能。仪器采用PC-DMIS软件,测量功能强。配上管件测量系统附件,还可实现对管件的长度、弯曲度、回弹等多种数据的测量和比较。测量范围为1.2m的仪器点测重复精度达0.010mm,空间精度达0.015mm。用于反求工程时,不仅测量速度快,而且可实现测量过程的实时显示和补漏测量数据的无缝拼接。该仪器可用于三坐标测量、三维造型、产品测绘、反求工程、现场测量以及模具设计制造等涉及到设计、制造、过程检测、在线检测以及产品最终检测等测量工作。美国FARO技术公司的FaroARM系列便携式三坐标测量臂具备类似的技术指标和性能。我国西安爱德华测量机公司2005年也公开展示了自主开发的柔性关节臂测量机的样机。

  ③轴类零件光电非接触测量仪器发展迅速

  汽车制造业的需求大大推进了轴类精密零件非接触测量技术的发展。瑞士TESA公司的TESA Scan系列轴类零件快速扫描测量仪采用2个线阵CCD组件,通过工件的回转和轴向移动对工件进行投影扫描,可实现对轴类零件位置误差和形状误差的精确检测、对截面形状和轮廓度的评估比较以及统计质量分析,还能对零件的局部(如过渡曲线、微小沟槽等)进行放大测量。由于工件立柱可以倾斜,因而能对螺纹、蜗杆、丝杆等进行全参数精度的精确测量,这是该仪器PLUS系列的一大特色。仪器在直径方向上的分辨力为0.0003mm,精度2+(0.01D)μm,重复性0.001mm。德国SCHNEIDER的WMM系列轴类及工具测量仪操作简单、测量速度高,特别适用于车间检查站。仪器采用高分辨力的Matrix摄像头,可以快速获取测量数据。仪器数显分辨力为0.0001mm,长度测量不确定度为E2=(2.0+L/200)μm(L单位为mm)。

  ④中小尺寸平面类精密零件的二维、三维非接触测量仪器应用广泛

  带CCD数字摄像头、激光测头、触发测头的多传感测头光学坐标测量仪器得到了快速发展。除德国MAHR公司的MARVISION系列三维光学坐标测量机、瑞士TESA公司的三坐标成像测量系统TESA VISIO、德国SCHNEIDER公司的SKM系列3D多测头坐标测量机等典型产品外,美国OGP公司等著名厂商也有相应产品展示。日本三丰公司CNC视像测量系统系列产品中的SV350-pro型测量机采用了自制的超高精度、高分辨力、低膨胀玻璃光栅基准尺,仪器分辨力0.01μm,X、Y轴测量精度为(0.3+L/1000)μm,Z轴测量精度为(1+2L/1000)μm。三丰公司的Hyper MF型测量显微镜的X、Y轴测量精度超过日本标准规定的0级,达±(0.9+3L/1000)μm,仪器分辨力0.01μm,是用于精密模具、精密切削刀具以及超小半导体电子元件(如芯片和集成电路等)精密检测的理想选择。国内西安爱德华、东莞万濠、苏州怡信、深圳鑫磊以及北京天地宇等公司也开发了类似产品。贵阳新天光电公司近年注重新品开发,2004年成功推出了JX13C图像处理万能工具显微镜,采用金属光栅和高分辨力的CCD摄像头,仪器测量精度达到(1.0+L/100)μm,采用半导体激光导向快速确定测量位置。JX15A/B型视频测量显微镜同样采用了CCD数字成像技术,将采集到的被测工件图像送入计算机进行处理,进行相应几何精度的检测,产品技术指标和水平上了一个档次。深圳智泰公司VMT系列的3D影像量测仪,在CCD视觉测量系统上配备上高精度触发式测头,实现了多功能测量。

  (2)数控机床精度检测用激光测量技术的新进展

  为确保数控切削加工的质量,除了在加工过程中和加工完成后对数控切削加工系统(包括工件在内)进行可行的监控检测外,在加工前对数控机床的精度和性能进行检测,以便确切了解掌握机床质量现状,进而进行必要的调整补偿,使其达到最佳运行性能,是一项非常重要的质量控制措施。

  众所周知,国外著名厂商Renishaw、API及HP等公司生产的激光干涉仪测量系统和球杆仪等在数控机床的几何精度和运动精度的检测和监控中,无论在机床制造厂还是机床使用厂,都得到了广泛的应用。Renishaw公司的金牌M10激光干涉测量系统,配备了高精度、高灵敏度的温度、气压、湿度传感器及EC10环境补偿装置,在工作环境下测量精度得到进一步提高;API公司的Rmtea六维激光测量系统可同时测量6个数控机床精度项目的误差,缩短了检测时间,为生产现场数控机床的检测和诊断提供了更为快速高效的精密测量手段。成都工具研究所的MJS系列双频激光干涉仪,分辨力0.01μm,测量软件覆盖了我国和世界主要工业国的数控机床精度标准评定方法和指标,动态采样功能可用于自动补偿。

  美国光动(Optodyne)公司近年推出的基于体对角线的激光矢量测量技术是快速测量和补偿数控机床、加工中心三维空间位置误差的一个新途径。该技术由美国光动公司发明并获得专利,它遵循了ASME B5.54(1)和ISO0230-6(2)机床测量标准中对体对角线误差测量的要求。对于构成(X,Y,Z)直角坐标系的三轴机床的21项几何误差,采用传统激光干涉仪等来进行检测相当费时。基于分步体对角线矢量测量原理,光动公司采用专利的激光多普勒位移测量仪,借助大平面反射镜完成四条对角线空间位置误差的测量,获得12组数据。通过计算确定机床12项基本误差(3项位移误差,6项直线度误差和3项垂直度误差),最终得到数控机床三维空间位置(定位)误差。该公司曾介绍了在加工中心上进行实际测量和补偿的应用实例,借此表明该测量新技术在数控加工机床的精度检测和精度补偿上的可行性。对该项测量技术的认识、推广应用的实际效果和前景值得行业关注。

  结束语

  数字化制造技术是先进制造技术的基础。在数字化制造技术的基础上,通过计算机技术、通讯技术将数控机床、数控刀具、数控测量仪器和加工对象(工件)以及相应的信息集成融合在一起,构成了的一个数字化闭环切削加工系统。可以认为这是CIMS理念中的一种具体实施形式。CIMS应该具有多样性,即具有不同水平和不同层次。从近年数控刀具闭环制造系统和圆柱齿轮、锥齿轮制造闭环系统的发展,可以得到启示:应结合实际,大处着眼,小处着手。专项(产品)数字化闭环制造系统也许是当前CIMS领域的一条切实可行的发展途径。

  要提高我国机床工具行业的技术水平,增强竞争力,根本途径就是提高自主创新能力,发展具有自主知识产权的产品和技术。从近几届我国举办的国际机床展览会来看,我国精密工具行业的创新意识不断加强,创新能力不断提高,创新技术成果和产品不断出现。但是,我国精密工具制造行业的发展相比于我国机床制造行业数控机床的发展,无论在规模上还是技术先进程度上都差距较大,远远不能满足和适应先进制造行业如轿车制造业、航空航天制造业、微电子制造业等的需求。工具行业需要紧跟机床制造行业,加强合作,加快发展。(end)

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  数控加工 数控刀具 数字化量仪

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