智能生产线在机测量（数控测头）及仿真技术应用

针对在机测量技术在柔性智能加工生产线中的应用，结合公司的技术研究和应用实践，研究了CAM编程软件的测量轨迹设计方法、在机测量数控程序的后置处理开发、测量仿真环境的构建和数控系统在机测量子程序的开发，并提出了相应的技术解决方案和具体的开发方法。研究成果已在柔性智能加工生产线上得到验证，为今后在机测量技术在数控加工中的高效安全应用提供了有效的技术途径。

1前言

在新一轮工业革命的背景下，制造业转型升级已是大势所趋。结合德国机械工业未来发展趋势和自身实际，提出德国工业4.0战略。通过建立高度灵活的个性化、数字化产品和服务的生产模式，德国将成为新一代工业生产技术的供应商和领先市场，提升全球竞争力。

中国提出加快新一代信息技术和制造技术融合发展，把智能制造作为两化融合的主攻方向，推动传统制造业转型升级。智能制造技术已经成为现代制造业的发展方向，成为衡量一个国家综合国力和工业现代化水平的重要标志。信息化、集成化、智能化已经成为制造企业广泛采用的提高市场竞争力的手段之一。

在推进机械加工领域数字化智能化转型升级过程中，重点建设了机械加工柔性智能生产单元，开展了柔性制造技术研究，取得了一定的建设和应用效果。在智能生产线的建设和应用过程中，在机测量技术是实现生产柔性化和智能化的有力技术支撑。

本文探讨了柔性智能生产线数控加工过程中在机测量技术应用的技术方案、应用研究、技术开发和实现方法，主要包括在机测量技术应用的总体架构、在机测量程序的编制和数控系统测量子程序的开发与实现、在机测量的后处理开发、仿真环境的构建。

2柔性智能加工生产线在机测量功能的开发

数控机床在机测量技术是指通过测量系统(苏州韩测头)在数控机床上对零件进行在机测量的技术。目前，主流的数控系统都有通用的测量应用。在柔性智能加工生产线中，在机测量技术主要应用于零件加工基准的精确对准、加工过程中特征尺寸的监控和特征尺寸的精确补偿等场景。对实现零件在加工过程中的精确定位、精确确定加工余量和精确补偿起着重要作用。在柔性智能加工生产线建设中，需要根据数控设备和数控系统的类型、基准对准、特征尺寸测量和补偿加工的工艺应用要求，制定在机测量程序。

2.1在机测量技术流程应用环境的总体框架
对于柔性生产线，基于数控设备、控制系统的测量功能和测量系统软硬件，在机测量技术的工艺应用技术主要由CAM测量编程功能环境、测量后置处理功能、测量仿真环境和数控系统的测量子程序组成。

2.2数控系统中在机测量功能的开发与实现
在机测量程序在数控机床上的应用通常通过测量宏程序来实现，测量宏程序是在机测量的基础。

在施工实践中，将生产线建设方针应用于Fanuc数控系统和Heidenhain数控系统，实现了基准校直测量(如测量两孔、两点的校直方向，单孔校直基准，缺口校直方向和平面的单点校直Z方向等。)、特征尺寸测量监控(如平面平面度、点坐标、槽宽、圆柱体直径和孔径大小等。)，以及补偿加工测量(如坡口宽度和尺寸等。)

针对Fanuc系统，通过定制宏程序实现在机测量的具体功能，在具体零件加工前、加工中、加工后的主程序中调用宏程序，实现具体的在机测量应用。根据各种测量过程中对测头控制的要求，开发了如下各种测量宏程序。

O9721x轴移动

O9722y轴直径移动

O9723有效刀具补偿宏程序

O9724设置宏程序

O9726x，y，z，基本运动

O9727向量直径移动

O9732偏移更新宏程序

O9801探针长度校准

O9802测量针的x和y偏心校准

O9803测量球头半径的校准

O9810保护定位

O9811x、y、z单点测量

O9812凸台/凹槽测量

O9814内孔/外圆测量

在这些测量宏程序的基础上，可以通过定义各种调用来生成特定特征元素的测量，并且可以作为结果来应用测量程序。例如，对于典型的孔对准，原点的测量和参考孔的测量可以通过下面的指令序列来实现，最终结果存储在参考变量#5241和#5242中。

……

G65 P9810X66.3 Y0。Z210。F2000

G65 P9810Z105。

G65 P9814 D19.500 S2

#5241=#5241+[#135-#140];#5241为G55工件X轴零点偏移值，#135为X轴位置，#140为X轴偏移值。

#5242=#5242+[#136-#141];#5242为G55工件零点Y轴偏置值，#136为Y轴位置，#141为Y轴偏置值。

……

针对数控系统，通过调用数控系统的各种检测循环指令来实现在机测量的特定功能。例如，对于带有转台的五坐标加工设备，可以通过使用标准检测循环403指令来实现参考旋转补偿对准。

实现参考旋转测量的控制指令序列如下，各参数根据实际测量应用要求定义。

……

TCH探针403沿C轴旋转

q263 =+0；第一个轴的第一个点的坐标值

q264 =+0；第一轴第二点的坐标值

q265 =+20；第二个轴的第一点的坐标值

q266 =+30；第二轴的第二点的坐标值

q272 = 1；测量主轴

q267 =-1；测量方向

q261 =-5；测量高度

……

2.3编程软件中在机测量功能的开发与实现
CATIA V5中有一个通用的探针测量编程功能，可以实现标准的测量定义，如孔/销测量功能、槽/肋测量功能、点测量功能等。测量元素和测量参数定义完成后，可以生成图形化的测量轨迹和动作，通过轨迹和动作可以初步确认测量轨迹的正确性。同时，通过调用的pptable关键文件，可以在刀具位置按照定义的测量周期语法生成通用的测量周期控制语句(供后处理软件进一步分析处理)。

以孔测量为例，通过定义测量元素和测量动作参数，生成孔的测量轨迹和测量控制参数。

a)定义测量元素和测量动作参数
b)生成测量轨迹和控制参数

在应用中，由于孔测量功能用于多种孔的测量和加工要求，如基准测量、加工孔尺寸的测量和评定、过程中孔径的测量和加工补偿等，因此需要定义辅助关键字语句来区分不同的用途，供后处理软件生成不同的测量指令序列。

一个
孔对齐原点

探针/类型，5英寸，坐标，2

2
过程中的中孔径测量和补偿

探针/类型，5英寸，上部，0.1，下部，-0.1，0.1，0.1，工具，3

三
顺序测量孔

探针/类型，5英寸，上，0.1，下，-0.1，0.1，0.1

对于其他，如槽/肋、点测量等。，它们的定义和孔的定义类似，这里不再赘述。

2.4在机测量功能的后处理开发与实现
在对CAM软件进行编程以获得通用测量工具位置数据后，必须进行后处理以生成可用于特定CNC机床应用的测量程序。因此，开发和实现测量程序的后处理功能是非常重要的。

后处理软件通过读取测量关键字控制语句来识别是否是测量函数，并区分是哪种测量函数，通过分析语句中的各个参数来获得各个参数的定义值。在控制语句PROBE/START和PROBE/OFF之间是一般的测量路径和参数。后处理会对通用参数进行更详细的分析，对测量GOTO点进行分析，得到完整的测量轨迹和测量动作控制参数。在此基础上，按照一定的处理逻辑，生成特定测量周期的测量控制指令语句。对于基准对准测量，测量后结果数据将存储在约定的测量基准变量中；对于机械加工的尺寸评定和验证，需要将测量结果与尺寸公差极限值进行比较判断，并做出相应的提示处理。这种功能是根据实际应用需求开发的。

3 .测量仿真技术与环境开发应用研究

由于在机测量中各种测量周期的指令和子程序较多，每个测量功能的测量控制参数较多，测量过程中的动作控制比较复杂。定制和开发了30多种测量循环子程序。如此大量的子程序，编程过程中很容易出现误操作等问题，导致测量程序生成错误。一旦出现错误，会对数控设备和测头造成不可预知的损坏。另外，后处理开发需要根据CAM编程的定义生成并实现这些测量程序，后处理开发的结果是否正确也很重要。通过现场试运行，既浪费时间，又缺乏开发过程的灵活性和时效性。数控仿真技术是解决这些问题的有效途径和技术保障措施。

因此，为测量程序构建一套完善的仿真环境是非常重要的，无论是后期的开发和验证，还是日常测量程序生成后的检查和验证。

3.1在机测量仿真环境的构建与开发
机内测量仿真环境的建设和开发主要包括以下内容。

1)构建常规机床运动模型，构建具有测量指令和测量功能的控制系统文件等。

2)系统验证自己的测量指令循环是否能完全支持各种测量应用；Fanuc系统需要将现场测量的自定义测量子程序加载到仿真环境中；在仿真环境的构建中，如何配置仿真控制系统文件以支持各种标准控制系统测量循环，自定义测量宏程序是实现完整测量仿真功能的关键。

3)加工基准定义了防错控制、特殊语句识别、测量数据比较逻辑等特殊模拟控制。

4)其他模拟控制等。

3.2工程应用
测量仿真的开发成果应用于柔性生产线中某机器叉类零件的数控测量程序中。在模拟沟槽特性测量程序的过程中，发现测头运行轨迹严重偏离测量位置。经过分析，发现后处理程序在分析和生成测量指令序列时存在严重误差。修改后处理的处理策略后，重新生成测量指令序列，再次进行仿真。测量轨迹和测量动作满足测量控制要求。通过这种仿真，不仅及时发现了测量程序的错误，还发现了后处理函数的错误，测量仿真应用效果明显。后续将结合仿真能力建设，不断推进测量仿真技术的推广应用。