机器可以自动测量零件尺寸吗？这是怎么做到的
以更低的成本和更高的效率制造高精度零件需要将复杂的尺寸测量集成到制造系统中。如何使制造机器能够执行传统上在坐标测量机上执行的复杂尺寸测量，以及如何使用这些计量信息进行自适应制造和自动化。
车载测量简介
由于零件是通过自动化加工循环制造的，因此已在机床上测量尺寸。要将零件定位在机器工作体积上，需要对该点进行一些简单的测量以确定其 X、Y、Z 坐标。在车床上车削的零件需要对正在制造的圆柱形零件的直径进行一些基本测量。这些测量是通过非常简单的方法完成的，这些方法取决于操作员的技能，有时只能使用硬工具、百分表或电子探针手动完成。
测量值要么由操作员手动记录，要么在探测宏的情况下，可以直接输入机器内存。随着机床、秤和控制器的进步，现在可以在制造机器中应用更先进的测量程序。许多机床控制器上已有的双向和快速接口功能允许计量软件处理接收到的测量数据，并在零件制造时计算其先进的几何和公差特征。
直接在制造机器上拥有此功能，可以使用计量计算作为反馈回路，在制造周期中执行重要的校正。通过在整个制造过程中战略性地使用测量程序，可以实现“自适应制造”，从而以更短的整体制造周期时间提高零件质量。
制造机器上的集成测量探头
随着收集更快、更准确数据的需求不断增长，正在开发新的探头和非接触式传感器并将其集成到加工中心中。
运动探针：传统上，运动探针用于更简单的应用。虽然这些探头为单向测量（例如沿 X 轴）产生可重复测量，但在其他方向进行测量时，它们的触发点会发生变化，这是更复杂的形状测量所必需的。这种称为波瓣的特性可以进行校准，并且可以通过补偿触发点将其影响降至最低。
应变计探头：虽然非线性轮廓误差可以通过软件进行校准和减少，但在测量表面点时仍会出现不一致。这是因为触发点的非线性是由于压力向量的规范值而不是运动向量。为了消除这种情况，在触发机制中使用了应变计探头，并提供了极其均匀的测量曲线。应变计探头提供高度可重复的测量数据，可用于坐标测量机 (CMM) 式测量程序，从而在制造机器内生成非常快速且高度准确的计量数据。
模拟扫描探头
模拟扫描探头：通过扫描零件表面收集高密度数据的模拟探头已在 CMM 上使用多年。一些制造商已经为制造中心开发了模拟探头，以在不牺牲测量精度的情况下缩短零件测量周期。
非接触式传感器：与制造系统集成的激光传感器有助于在更短的时间内收集更高密度的数据。最近的激增，尤其是在航空航天制造领域，推动了激光传感器集成方面的创新，以实现机器上的快速数据收集。
将机床用作坐标测量机
为了在加工循环中应用计量反馈，必须执行某些程序以确保尺寸测量的可靠性。有许多因素可以改变机床特性并影响测量数据的质量。这些程序有助于监控这些变化并调整系统参数，以便在指定的不确定性预算内获得测量结果。
传感器校准：对于自动过程中测量循环，测量传感器（例如触摸、模拟或激光）由机器调整和使用，就像切割工具一样。因此，必须在机器控制器中定义工具，以向系统识别它。该定义可以作为定义工具几何形状的名义定义来完成，并且实际校准值保存在使用的计量软件中。测量周期计算和补偿的参数为：
– 探针跳动：这决定了探针尖端与其中心线的偏差。
– 有效半径：由于系统接收到的触发点有延迟，根据测量速度，探头半径会小于其物理尺寸。该值用于补偿测量期间的探头半径。
– Lobing：这个值与有效半径类似，只是每个逼近向量计算的值不同。
– 探头偏移：当使用 5 轴探头时，会计算实际探头位置并在测量周期中用作校正值。这将消除由于磁头未对准而导致的任何错误。
– 传感器连接坐标：如果使用非接触式激光传感器，并且每次测量会生成多个点，则必须计算其与机器的精确连接坐标系并将其用作校准的一部分。
机器几何
尽管加工中心的结构非常坚固，但其几何形状可能会因温度波动和施加的高切削力而发生变化。在标准的 3 轴机器上，有 21 种可能的几何误差来源。尽管这些机器会定期校准，但为了在自适应制造应用中获得最佳效果，最好监控和纠正这些错误。由于机床的完全校准可能需要很长时间并且不可行，因此可以使用其他快速和自动化的方法。
软件
要执行基于实时计量的决策所需的复杂数学计算，需要将功能强大的 CMM 软件集成到制造系统中。由于系统需要在没有人工干预的情况下自行运行，因此它还需要在制造过程中非常自主地工作。
软件需要具备以下功能才能真正让机器像CMM一样工作。
离线编程：需要 CAM 风格的编程环境，具有良好的机床虚拟模型、仿真能力、自动路径生成和避免碰撞，以及完整的几何拟合和公差能力。 DMIS（Dimensional Measurement Interface Standard）等编程语言还允许与 CMM 进行交互和协作以实现高效编程。
双向接口：需要一个直接双向的接口，才能在特征测量完成后立即分析数据。计算出的计量特性用作动态决策的一部分，并作为自适应回路的一部分写回机床控制器。
易于操作：与任何其他切削程序一样，测量程序必须集成到加工中心中。这允许程序作为制造周期的一部分进行集成自动测量设备，并自行自动启动。 G-Code NC 程序由后处理 DMIS 测量程序创建并驻留在控制器中。该程序与控制器本地语言的任何其他切割程序一样用作制造周期的一部分，允许多个程序与切割程序一起工作。
自适应制造控制
为了实现自适应制造过程，尺寸测量程序可用于制造周期的多个不同阶段，从在加工任何零件之前将机器准备到最佳状态，到对成品进行最终计量分析以获得最终检验报告和统计趋势分析。
机器准备和维护：可以使用适当的主工件和测量循环来快速验证机器几何形状。检测到的任何变化都可以应用于机器运动表，以确保机器准备好生产优质零件。这是一种“预防性”方法，可在开始切割过程之前确保机器处于最佳状态。
音量棒
工具球：可以快速测量保留在机器体积中的简单工具球，以验证机器秤的完整性或检测由于热膨胀引起的任何变化。这可以应用于机器参考或简单地合并到零偏计算中。记录这些测量数据可以查看机器随时间的变化情况并进行趋势分析。
球杆：快速测量球杆以验证机器几何形状并检测其线性度和垂直度误差。
Volume Bats：这些工件可以非常快速地验证机器的许多运动学和动态错误，并提供有关其当前状态的非常详细的信息。
机床轴检查：对于多轴机床，例如具有工作台配置的机床、车铣复合机床或 5 轴头对头机床，旋转轴的变化可能会导致机床性能出现问题。还可以测量这些参数以验证其可接受性，并将其更新回控制器以使机器适应不断变化的环境。
工艺设置：零件设置是制造过程中最重要的部分之一，为了确保完美的设置，可能会犯错误或浪费时间。为假定标称位置的零件创建切割程序。必须创建零偏，以便控制器知道零件的确切位置和方向。
零件可以从一块金属中提取，也可以通过铸造或锻造的坯料形状雕刻成最终形状。在上面的示例中，通过简单地测量零件周围的至少 6 个点，可以测量其正确的位置、方向和中心并将其更新到控制器自动测量设备，从而使机器准备好在其准确位置完成零件。
通过创建坐标系并将其自动更新到机器控制器，可以在 5 轴机器上将铸造叶轮加工成精确的形状。这是通过测量其形状周围的多个点并最佳拟合其 CAD 模型以创建零件对齐来完成的，从而使所有零件轮廓都是正向的，避免底切和损坏的零件。
您还可以测量正在返工的锻造叶片或机翼，为工件偏移做准备或帮助确定最佳切割方法。通过测量关键基准，测量和验证零件位置以继续其切割过程。如果零件位置超出可接受的位置，则可以将测量值发送回 CAM 系统，以便为机器上的实际零件位置创建切割程序。
测量要返工的零件（例如添加材料的机翼）以确定最大附加厚度。这可用于计算逻辑参数并写回控制器。机器使用此参数来决定运行与实际零件厚度相匹配的最佳切割程序。在某些情况下，实际的表面轮廓会被逆向工程并作为曲线或表面数据发送回 CAM 系统，以创建适用于该返工零件的自定义切割程序。
过程控制
在最终切割之前，可以再次测量零件，以使机器适应最终条件并生产出完美的零件。探测程序自动加载和测量零件以提供最终决定。这允许钻孔操作的零件相对于基准特征精确对齐，以适应刀具尺寸的变化或车削操作期间热力和静态力的所有影响。
为钻孔操作定向零件：相邻图像是在 5 轴机床上垂直于其平面钻孔的示例。通过测量面矢量和更新工件偏移或工作台旋转偏移，可以实现完美的孔定位。
在车床上使用自适应螺距补偿：
在车床上制造的精密零件可能会因多种因素而产生误差，例如零件和工具在切削力作用下发生弯曲、工具磨损和热效应。通过测量最终轮廓误差并自动将其写入机床间距补偿表中，将所有这些误差相加成一个修正系数，然后进行最终切削。这种自适应过程用于在车床上创建精确的轮廓。
刀具磨损和偏移变化：在铣削、钻孔或车削过程中，刀具尺寸会随时间变化。集成到机床中的电子对刀仪可以通过将精确的刀具尺寸设置到控制器中来帮助操作。这是通过直接测量工具而不是检测工具磨损对零件的影响来完成的。用于确保最终产品不因刀具磨损而出现错误的另一种方法是在新刀具或预设刀具上进行精加工。这种方法也不会作用于实际的零件形状，并且可能存在问题或成本高昂。在精加工之前使用自动测量程序，并有策略地将零件误差应用于刀具磨损、刀具半径和刀具偏移，有助于以最低成本获得精密零件。
过程中重新发布：在某些情况下，可能需要重新生成切割 G 代码程序以适应零件方向和形状。一个 5 轴机器可以创建具有完美方向的精密轮廓或钻孔特征，还需要其工具方向来适应它将创建的特征。尽管即使使用旋转参数，零偏也可以将刀具移动到正确的切削位置，但它的 5 轴参数（例如头部角度或工作台角度）可能不会改变，从而导致不完美的光洁度。对于钣金或复合材料等零件，零件形状也可能发生变形，需要创建与零件形状完全匹配的新路径。
重新发布：切割程序重新发布是采用专为完美零件位置和形状设计的主切割程序，并通过应用测量的精确零件方向和零件轮廓重新生成类似路径的过程。重新发布的程序长度相同，但创建的坐标和关节参数略有不同。下图以红色显示了零件的标称位置和切割路径。 B 显示零件在重新发布之前相对于其切割路径的实际位置。 C 显示 5 轴重贴后的切削路径和更新的刀具方向。
调整5轴参数：
当刀具方向必须与实际零件旋转相匹配时，也必须为刀具方向重新发布其 G 代码程序。这可能在 5 轴机器上，程序使用头部的 A、B、C 角度或头部的 I、J、K 向量。当刀具切削表面远离中心点时，这一点尤其重要，锯片或磨床可能就是这种情况。相邻的图像显示了一个零件补发示例，以将工具矢量与钻孔的确切位置相匹配。
适应零件形状：
可用于需要修整的钣金和复合材料零件。由于非刚性结构的固定或热处理过程，超出其实际形状。当零件被移除时，零件的残余应力也会改变其轮廓。特别是，使用水射流切割来修整这些零件需要很长时间来准备或导致零件缺陷。提供一种非常快速且成本低廉的方法，该方法也可以通过测量零件轮廓并将切割程序重新发布到其形状来实现自动化。此图显示了蓝色激光传感器扫描的零件的轮廓偏差矢量。
逆向工程：
在某些应用中，需要对实际零件位置或零件形状进行逆向工程，以创建自定义切割程序。通过测量刀片上需要在 5 轴机器上完成的基准特征，可能需要定制切割程序。在这种情况下，可以将生成的坐标系或测量值导出到 CAM 系统，然后可以针对零件的确切位置创建切割程序。
对于从焊接材料返工或在增材/减材机器上制造的零件，可以将实际焊接的零件数字化，并将实际曲线导出到 CAM 系统，该系统可以为零件的精确形状创建自定义形状，适合切削刀具路径。上图显示了一个通过焊接修复并通过此过程完成的翼型示例。
后处理控制
零件制造后，可以进行最终检查。该程序也是自动启动的，可以是一个完整的计量程序，使机器像三坐标测量机一样工作。对于多操作过程，这也可以是对下一个操作共享的关键或基准特征的度量。
机器验证：无论其运动学配置如何，都可以对机床进行编程以执行复杂的测量任务，这些任务通常在单独的设备上离线完成。上面讨论的校准和验证方法允许非常可重复的测量结果，从而产生具有可接受不确定度的测量数据。直接在机器上使用 CMM 级计量软件生成实时测量数据，消除对 CMM 的持续依赖。
–汽车模具制造：大型模具和其他汽车零件，无论是返工还是新生产，都需要测量其尺寸完整性。这种尺寸质量控制任务通常由远离制造机器的坐标测量机执行。这会造成运营瓶颈、花费时间并最终增加成本。如果在零件上发现缺陷，则必须将其带回以进行额外的工作，从而进一步增加了成本。其他方法（例如激光跟踪仪或便携式臂）不太可靠，会中断机器流程，需要额外的团队和专业知识，并且会增加成本。
– 航空航天大型结构制造：在某些情况下，通过其他方法测量非常大的结构可能不可行，也可能不可行。测量软件可以使用虚拟模型并创建可以在复杂的多自由度机器上运行的测量程序。测量结果可用于调整制造参数并在移除零件之前创建最终检查结果。图片显示了用于航空航天应用的三头肌制造机器人。
– 生产零件的最终检验
可以快速测量在加工中心制造的任何零件，并通过自动化程序生成完整的计量分析。这些报告可以在本地报告、保存在服务器上或直接传递到监控系统以进行更详细的历史分析。该图显示了在车铣复合机床上制造的齿轮零件的检查情况。
场外测量集成
在某些情况下，零件需要在制造它的机器之外进行测量。该测量可以通过坐标测量机、弯曲量规或专用硬量规进行。这些系统的测量结果仍可用于自适应控制和优化制造过程。
收集测量数据
各种系统收集的测量数据可以收集到一个中央数据库中，并用于战略决策，例如趋势分析或实时反馈给机床控制器。从各种设备接收到的测量数据被收集到一个数据库中并显示出来以便于查看。
左侧显示当前数据为Go/No-Go，右侧显示历史运行图。该软件还与生产它们的制造系统连接，以便将计算出的参数（例如基于用户定义算法的刀具磨损校正）写回控制器，从而自适应地调整切削参数以获得最佳结果。
总结
具有计量反馈的自适应制造是将尺寸测量直接集成到制造机器中的一种非常有效且可行的方法。机器控制器接口功能、高分辨率标尺、探头和传感器的使用简化了制造系统内的集成，最重要的是，可与所有这些接口连接的最先进的计量软件使其成为易于操作的工具。为大多数应用程序实施解决方案。这有很多好处，有助于生产复杂的零件制造并降低在多种类型的制造系统上制造任何精密零件的成本。
提高产品质量 - 通过在机器上测量零件而无需将其移除，并根据测量结果调整加工参数，可以制造高精度零件。在将零件从机器中取出之前了解零件的尺寸质量和计量特征有很大的好处，并且可以提高制造设施的整体性能。
降低制造成本 - 通过在机器上集成闭环测量系统，在测量过程中投入的额外时间实际上减少了为同一目标在其他地方花费的时间。节省成本的好处可以来自大幅减少工件设置时间，尤其是对于大型和复杂零件，消除昂贵的工件夹持，减少机外测量需求和依赖性，优化机器性能和优化计划维护，通过动态调整延长刀具寿命刀具磨损和可以最大限度地减少偏移、铸造、锻造或其他毛坯尺寸，从而节省材料成本并减少加工时间并避免报废。
自动化闭环制造 - 由于自适应测量系统的双向集成，零件制造可以实现自动化。这可以通过自我监控制造条件以及通过不同操作连接在同一部件上工作的多台机器来完成。
制造系统控制 - 自适应测量系统作为对等安全接口与加工中心一起使用，但它们还通过网络收集和报告测量数据。可以将制造设施中使用的机器的测量结果收集到数据库中，并用于监控工厂的整体性能。评估和比较这些数据有助于做出更好的决策并帮助规划未来的制造战略。
