普通经济型数控车床在线检测技术的研究

邓岐杏

(广西水利电力职业技术学院，广西南宁 530023)

现代产品的要求逐年提高，对零件加工精度的要求更高。作为现代制造业技术的核心，数控机床的加工精度应适应零件的要求。目前国内普通经济型数控机床仍然占据着比较大的比例，对普通经济型数控机床的检测技术进行研究具有一定的意义，在达到提高零件加工精度目的的同时，还可以节约改进数控机床的成本。

1 经济型数控机床的基本情况

数控机床根据控制方式不同，分开环系统数控机床、半闭环系统数控机床和闭环系统数控机床三类。同等条件下，不同控制方式的数控机床生产出的零件精度各不相同。

开环数控机床没有位移检测装置，无位移误差补偿，精度较低。普通经济型数控机床多采用这种控制方式。

闭环数控机床在进给执行部件上安装了位移检测装置，在加工过程中实时地对位移量进行检测，并经反馈回路返回给数控装置，系统对工作台实际位移量进行自动检测并与指令值进行比较，用差值进行控制。这种系统定位精度高，容易满足零件加工高精度的要求。

半闭环数控机床介于开环数控机床和闭环数控机床之间，所能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服系统，但低于闭环系统。

因此要提高普通经济型数控机床的加工精度，将其改进为带位移检测装置的闭环系统数控机床是经济可行的有效措施之一。改进的关键是检测装置的设计和对检测信号进行处理、分析和反馈。

2 方案制定

现代制造技术中，检测技术的应用是必不可少的，合理、正确的使用是保证产品质量的关键技术之一。

2.1 检测方式的选用

要保证零件的加工精度要求，仍保留普通经济型数控机床的静态、离线的接触式测量不利于提高产品的加工精度。事后才发现产品的加工过程中所产生的误差，且无法直接反馈到系统中，只能针对事后误差分析更改加工参数，改善此后的零件加工精度。使用千分尺、卡尺等常规量具采用接触测量的方式进行，测量的效率低下，精度容易受到人为因素的影响，占机时间长，且需要定期对量具进行校正，影响机床的利用及产品的加工质量。

为了提高产品的生产精度，使普通经济型数控机床具有更高的经济效益，改变测量方式是其中的一条途径。

采用动态、在线的非接触式测量，在数控机床上增设在线测量装置，并形成反馈回路，采用闭环控制，即可提高零件的加工精度，同时可缩短制造周期、提高生产率、减少废品率、降低加工成本。从数控机床加工的工艺系统来看，融入在线测量闭环控制后，工艺设计人员可对加工工艺参数的变化实时地监控，纠正加工方法，使被加工的工件保持在预定的理想范围内。以光、电、磁、超声波等技术为基础的非接触测量精度高，量具与被测物无接触、不产生损耗，测量的结果易于传输，便于后期数据处理或显示。

综合分析，对普通经济型数控机床进行合理化改造，采用动态的非接触测量可以达到预定目标。

2.2 检测系统方案

实现在线的非接触式测量，核心的元件是提取信号及实现信号处理的传感器。基于CCD图像传感器的视觉测量已经广泛应用于工业技术中，选用CCD传感器作为普通经济型数控机床的检测反馈环节的核心器件，能够满足设计的要求，测量精度高，使用方便、自动化程度高。

在此测量系统中，工件是最终测量对象，CCD传感器为测量工具。CCD传感器测量所得结果通过调整电路处理后，由微处理器完成信号的传输。在数控车床中，将测量仪器安装于刀架上，实时测量已经加工的工件的径向尺寸，并将测量结果反馈到数控装置，由此实现数控车床闭环控制，实时调整刀具的径向位置。其系统的结构框图如图1所示。

图1 数控车床全闭环控制系统结构框图

3 CCD传感器

CCD(Charge Coupled Device)图像传感器是一种电荷耦合器件，是一种采用高感光度的半导体材料制作而成的新型光电转换器件。它是一种高精度的检测传感器，主要用于数码成像技术，也延伸、渗透到了现代工业生产中，尤其是在精细加工、机器人技术、工业自动化领域中已经有了非常广泛的应用。

CCD传感器主要由光敏二极管单元、输入结构和输出结构等组成。CCD传感器通过若干个独立光刻单元集合而成的感光面，将光或电激励信号转变为电荷信号，并能对其进行存储。当对传感器施加特定时序的脉冲信号时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输，并输出电信号［1］。

CCD传感器的特点主要体现在:光敏面积大，靶面利用率高，具有光谱响应宽、线性好、动态范围宽、噪声低、灵敏度高、实时传输和电荷扫描等多方面优点。

采用CCD传感器进行工件尺寸在线动态测量的系统结构如图2所示。

图2 检测系统结构图

3.1 CCD测量原理

在数控车床上对被加工轴的直径测量采用激光衍射的方法来实现。测量原理如图3所示。

图3 直径测量原理图

在测量系统中，采用激光作为入射光源，通过激光扩束系统放大光源，为了满足目标零件圆柱直径有足够的测量范围，通过光学系统生成更宽范围的平行光束，CCD传感器采用阵列式。

CCD传感器所产生的数字信号有噪声存在，影响对被测对象的尺寸检测工作，要获得足够精度的尺寸数据，需要对采集到的信号进行前端的消噪处理。采用中值滤波方式，这种非线性的滤波，通过比较测量值，输出中间值，能有效消除图像大部分干扰信号。选用FPGA现场可编程门阵列，可实现中值滤波。

通过ARM单片机接口器实现对SDRAM同步动态随机存储器内的数据进行读取和数据的串行口传输。

3.2 CCD传感器的驱动

CCD传感器的驱动可用多种方式实现。(1)采用单片机实现驱动。可以利用单片机的易编程特点，调节驱动所需的时序，灵活方便;缺点在于其总线输出的速率慢，对于数控车床所需的实时在线测量存在局限性。(2)采用专用的IC芯片实现驱动。芯片的集成性高，功能强大，但专用性强，适用的场合有限。(3)采用EPROM实现对CCD传感器的驱动。用其生成CCD所需的时序，要将CCD所有的时序数据预先存放于EPROM中，利用计数电路产生EPROM的地址，输出相应的驱动时序。虽然此种方法简单，调试方便，可获得可靠的工作时序，但结构尺寸太大。(4)采用可编程器驱动。可编程的驱动器兼顾了IC芯片和单片机的优点，集成性高，且可实现再编程，通过再编程可以实现驱动电路所需的时序的改变，并且可根据需要增减某些功能，方便灵活。

综合比较CCD传感器的驱动方法，将可编程器驱动方式应用于数控车床在线测量系统中。

现场可编程门阵列FPGA可以满足CCD传感器的驱动需要，并且FPGA可实现测量系统中所需的时序信号与驱动以及数据的采集与处理等。主要分4个部分:(1)外部时序信号的生成和驱动信号;(2)FPGA中值滤波处理;(3)A/D模块的时钟控制;(4)先进先出FIFO存储结构的RAM。

4 测量系统的干扰分析

测量系统安装于刀架上，在零件加工过程中会受到机床振动的影响，影响了CCD的成像质量。机床的振动主要引起线位移和角位移，因此要提高成像质量应采取减振措施。可以采取的措施主要有:使用缓冲隔离和设置隔离带，以及在设备与支承架之间加设减振器等，以保证测量器件的正常工作，保证测量精度满足零件的精度要求。

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