五轴数控机床的检测与标定技术.docx
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五轴数控机床的检测与标定技术
五轴数控机床的检测与标定技术
国家数控系统技术工程研究中心
五轴数控机床的检测与标定技术
摘要
长期以来,一个普遍存在的问题一直困扰着使用大型机床进行生产、加工的企业,即企业所购买的价格不菲的高精度大型机床在生产加工过程中总会产生大大小小的误差,使其加工出的产品达不到精度要求。
数控机床的检测与标定技术就是为了解决这一难题,现在已成为提高机床加工精度和加工效率的关键技术之一。
本文介绍了检测和标定方法与原理,详细介绍了空间误差补偿技术。
关键词:
机床误差,检测技术,标定技术,空间误差补偿技术
国家数控系统技术工程研究中心
1.前言
随着全球市场经济的一体化,市场竞争越来越激烈,市场向着个性化、小批量、高质量、交货周期短的方向发展。
现在,我国数控厂家多,但是产量都不大。
产量低的原因有很多,其中重要的一条是在机电联调过程中,要对机床的精度进行评价,测定机床的精度是否满足要求,同时对机床误差进行补偿。
提高机床的精度,原有的方法效率低、价格高、使用环境要求高,同时对操作者的要求也较高[1]。
提高数控机床的精度是保证加工件质量的重要途径。
数控机床精度的提高主要是通过误差补偿来实现。
现代制造业已经发展成为融合信息技术、数控技术、系统控制工程而生成的先进制造系统。
其发展趋势可归结为两个方向:
一是以提高效率为目的的自动化,即将信息技术贯穿与整个制造过程,提高制造信息处理和控制的自动化程度,以此来提高效率,缩短生产周期;二是以提高加工精度为目的的精密化,通过先进的检测手段来实现超精密加工及检测,以控制产品质量。
采用先进的制造和检测技术来迅速的提高装备制造业的水平,是当前一个重要的发展方向,研究和发展现代检测技术有着广阔的市场前景。
2.研究现状
2.1.机床误差产生原因
普遍认为数控机床的误差有以下几方面的起因[2]:
1.机床的原始制造误差。
它是指由组成机床各部件工作表面的几何形状、表面质量、相互之间的位置误差所引起的机床运动误差,是数控机床几何误差产生的主要原因。
2.机床的控制系统误差。
它包括:
机床轴系的伺服误差(轮廓跟随误差),数控插补算法误差。
3.热变形误差。
由于机床的内部热源和环境热扰动导致机床的结构热变形而产生的误差。
4.切削负荷造成工艺系统,包括机床、刀具、工件和夹具变形所导致的误差。
这种误差又称为“让刀”,它造成加工零件的形状畸变,尤其当加工薄壁工件或
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使用细长刀具时,这一误差更为严重。
5.机床的振动误差。
在切削加工时,数控机床由于工艺的柔性和工序的多变,其运行状态有更大的可能性落入不稳定区域,从而激起强烈的颤振。
导致加工工件的表面质量恶化和几何形状误差。
6.检测系统的测试误差。
它包括:
(1)由于测量传感器的制造误差及其在机床上的安装误差引起的测量传感器反馈系统本身的误差。
(2)由于机床零件和机构误差以及在使用中的变形导致测量传感器出现的误差。
7.外界干扰误差。
由于环境和运行工况的变化所引起的随机误差。
8.其它误差。
如编程和操作错误带来的误差。
上面的误差可按照误差的特点和性质,归为两大类:
即系统误差和随机误差。
数控机床的系统误差是机床本身固有的误差,具有可重复性。
数控机床的几何误差是其主要组成部分,也具有可重复性。
利用该特性,可对其进行“离线测量”,可采用“离线检测——开环补偿”的技术来加以修正和补偿,使其减小,达到机床精度强化的目的。
随机误差具有随机性,必须采用“在线检测——闭环补偿”的方法来消除随机误差对机床加工精度的影响,该方法对测量仪器、测量环境要求严格,难于推广。
2.2.在线检测现状
传统的检测手段主要包括手工检测和离线检测,手工测量所使用的工具大多为千分表、卡尺等常规量具,常常在使用一段时间后需要人工校正,其检测效率低,精度差,耗时长,占用人员较多,这就大大制约了数控机床总体加工效率的正常发挥。
为此国内外专家学者和厂商及用户都希望在数控机床上配置加工精度检测设备,开发出具有在线测量功能的数控机床,并应用自动测量技术解决上述问题。
所以基于数控机床的在线检测技术的出现为数控加工过程的质量检测提供了一套行之有效的方法[3]。
在线检测技术的关键主要体现在检测程序的编制上,检侧程序编制质量的优劣直接影响到检测效果。
目前检测软件有商业化软件和自主开发的软件。
商业化软件如英国DELCAM公司新版本的PowerInspect,是一款开放的检测软件,不受测量设备的限制,既可以在线检测,也可以脱机检测。
不仅提供在线检测的功
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能,还能够在检测前针对读取的CAD模型进行检测路径的编程工作,并进行检测的仿真。
随后可以把编制好的程序传输给CNC检测设备,进行自动检测。
又如雷尼绍公司基于PC机的在机检测软件OMV(ONmachineverification),该软件专为数控机床配用系统而编写,主要应用于:
根据原始CAD数据,检测样件、复杂零件及大型零件、多工序零件以及模具。
近年来,随着触发式零件检测测头在机床上的应用,国内外许多研究者利用在机检测方法对加工过程进行指导提高零件精度。
美国的BANDYHT测头所获得的被检测点的信息计算出各测量点对应的误差矢量,然后根据误差矢量信息来修正刀具路径;韩国的Myeong-WooCho等人利用触发式测头获得被加工件面的误差分布信息,根据预先建立的加工条件与误差分布的函数关系指导后面的加工过程。
在国内,曹利杰等人在对数控加工中心在线检测研究的基础上,提出了一种基于零件CAD模型特征的编程技术,提取检测信息,建立检测路径数学模型,自动生成检测数控代码。
刘丽冰在对多轴数控加工中心在线检测系统硬件平台构成的研究基础上,提出了系统的总体构成方案。
在此研究成果基础上,桑宏强,刘利剑等针对数控机床专用化程度逐步提高的现象,通过对具体加工零件的基本几何特征的规划,建立了基本结合特征零件的检测宏程序库,实现了针对具体零件开发专用检测宏程序的系统功能。
哈尔滨工业大学王清等人在对车床端面加工平面度检测和误差补偿研究过程中,提出了一种利用无线测量方法对超精密车床端面加工表面进行了在线测量。
贝广霞研究了精密加工中圆柱度在机检测关键技术,在计算机内部完成圆柱度误差的计算。
误差标定是用合适的误差测量仪器直接测量出所要检定的误差成分,对目前国内外出现的机床误差的标定方法归结起来可分为三类:
单项误差检测法、综合误差测量法、以及误差间接估计法[4]。
3.检测技术
3.1.在线检测技术
在线检测对于数控机床各种误差的检测方法常用的有光栅阵列法,测量法,一维列求法和线法。
常用的仪器有:
球杆仪;激光干涉仪;MTP系列工件及对刀测头;其它还有用于位置反馈的线性光栅、圆光栅及用于材料分析的激光拉曼光谱仪等。
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数控机床常见精度要求[5]:
几何精度:
包括直线度、垂直度、平面度、俯仰与扭摆和平行度等。
传统方法采用大理石或金属平尺、角规、百分表、水平仪、准直仪等工具,由人工操作,手工记录数据与计算,精度低,多用于小型机床。
位置精度:
数控机床位置精度包括定位精度、重复定位精度和微量位移精度等。
传统方法采用金属线纹尺或步距规、电子测微计和准直仪等工具进行测量。
当机床规格稍大时,传统方法其相应的标准器件很重,且精度太低,受环境温度的影响大,其检验方法极冗长乏味,检验重复性也很差,难以反映受检机床的真正精度。
数据处理必须手工进行,繁琐、易出错。
工作精度:
美国NAS(国家航宇标准)979在20年前就制订了标准化的“圆形—菱形—方形”试验(现在是CMTBA的标志)。
实施时,要准备铸铁或铝合金试件、铣刀及编制数控切削程序。
用高精度圆度仪及高精度三坐标测量机检验试件精度。
该方法需要仔细定义试件的切削方法和测量切削结果,它可能要花几天时间,而且依赖于计量室的条件。
一般来说,在零件加工完毕后发现机床加工质量问题,常常为时已晚。
对负责车间效率的人员来说,理想的解决办法是在工件加工前对机床性能进行检验。
检定机床性能并非一种新想法,它只是没有实用化。
美国NAS(国家航宇标准)979无法评估机床的所有性能。
“圆形—菱形—方形”检验的大多数切削运动是在X-Y平面上进行的,因此沿X-Z和Y-Z平面上的精度大部分没有测定。
一家航空航天工厂发现,通过“圆形—菱形—方形”检验的机床,用QC10球杆仪检查后发现在X-Z和Y-Z平面上的随动误差竟达800µm。
美国国家标准B5.54中提出了“一日测试”。
它实际上是多项测试的简化,是从标准整体中摘出的。
该测试适用于有三个直线轴的机床。
用球杆仪和激光干涉仪进行这种测试的最主要的部分是:
尺寸和精度的检定。
经修定的NAS仍然需要进行试切削,以证实机床功能正常,但它不是检定机床能否达到精度指标。
“一日测试”包括:
直线位移精度:
双向重复性:
空间位置精度,采用激光对对角线位移精度进行测量:
两轴联动轮廓性能。
完成B5.54“一日测试”的一套基本硬件和软件大约要4万美元,它包括球杆仪、激光干涉仪系统。
这是一套完整的系统,它根据B5.54(也能按中国GB/T17421-2000标准进行分析)采集和报告机床性能数
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据,并有一套符合ISO230规定而完全可溯源的机床性能评估程序。
系统中的激光系统可选用自动误差补偿软件,它产生G码来驱动机床,获取及比较定位数据并重写机床的CNC螺距误差补偿文件。
众所周知,激光的波长是极其稳定的,因此在国际标准中激光干涉仪是唯一公认的进行数控机床精度检定的仪器。
它可以测量各种规格尺寸的机床,甚至长达几十米的机床,诊断和测量各种几何误差。
其精度比传统技术至少高10倍以上。
激光干涉仪可自动进行数据采集,节省时间,避免操作者误差。
它以PC机为基础,避免了人工计算,可以立即按国际标准和我国国标进行统计分析。
雷尼绍公司的ML10激光干涉仪目前畅销全球,在即将开幕的CIMT2001第7届中国国际机床展览会上最新推出其升级产品—ML10Gold。
ML10Gold在系统材料、功能配置及应用领域均有大幅度改善和提高,优于市场上的同类产品。
例如:
系统精度从?
1.1ppm提高到?
0.7ppm:
激光稳频精度从?
0.1ppm提高到?
0.05ppm。
3.2.在线检测系统
数控机床的在线检测系统由软件和硬件组成。
硬件部分通常由以下几部分组成:
数控机床在线检测系统分为两种,一种为直接调用基本宏程序,而不用计算机辅助;另一种则要自己开发宏程序库,借助于计算机辅助编程系统,随时生成检测程序,然后传输到数控系统中,系统结构如图1所示。
(1)机床本体
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机床本体是实现加工、检测的基础,其工作部件是实现所需基本运动的部件,它的传动部件的精度直接影响着加工、检测的精度。
(2)数控系统
目前数控机床一般都采用CNC数控系统,其主要特点是输入存储、数控加工、插补运算以及机床各种控制功能都通过程序来实现。
计算机与其他装置之间可通过接口设备联接,当控制对象或功能改变时,只需改变软件和接口。
CNC系统一般由中央处理存储器和输入输出接口组成,中央处理器又由存储器、运算器、控制器和总线组成。
(3)伺服系统
伺服系统是数控机床的重要组成部分,用以实现数控机床的进给位置伺服控制和主轴转速(或位置)伺服控制。
伺服系统的性能是决定机床加工精度、测量精度、表面质量和生产效率的主要因素。
(4)测量系统
测量系统有接触触发式测头、信号传输系统和数据采集系统组成,是数控机床在线检测系统的关键部分,直接影响着在线检测的精度。
其中关键部件为测头,使用测头可在加工过程中进行尺寸测量,根据测量结果自动修改加工程序,改善加工精度,使得数控机床既是加工设备,又兼具测量机的某种功能。
(5)计算机系统
在线检测系统利用计算机进行测量数据的采集和处理、检测数控程序的生成、
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检测过程的仿真及与数控机床通信等功能。
在线检测系统考虑到运行目前流行的Windows和CAD/CAM/CAPP/CAM以及VC++等软件,以及减少测量结果的分析和计算时间,一般采用Pentium级别以上的计算机。
3.3.在线检测工作原理
实现数控机床的在线检测时,首先要在计算机辅助编程系统上自动生成检测主程序,将检测主程序由通信接口传输给数控机床,通过G31跳步指令,使测头按程序规定路径运动,当测球接触工件时发出触发信号,通过测头与数控系统的专用接口将触发信号传到转换器,并将触发信号转换后传给机床的控制系统,该点的坐标被记录下来。
信号被接收后,机床停止运动,测量点的坐标通过通信接口传回计算机,然后进行下一个测量动作。
上位机通过监测CNC系统返回的测量值,可对系统测量结果进行计算补偿及可视化等各项数据处理工作。
测量典型几何形状时检测路径的步骤为:
A.确定零件的待测形状特征几何要素;
B.确定零件的待测精度特征;
C.根据测量的形状特征几何要素和精度特征,确定检测点数及分布;
D.根据测点数及分布形式建立数学计算公式;
E.确定检测零件的工件坐标系;根据检测条件确定检测路径。
3.4.在线检测系统仿真
目前数控机床在线检测借鉴于CAD/CAM技术的发展思路可开发相应的在线检测仿真系统。
仿真系统以图形化的方式再现数控机床在线检测过程,可形象直观地对检测路径规划进行检查,提前发现宏程序编制中的错误,以避免在真实检测过程中对在线检测系统所造成的破坏。
以VC++作为系统开发工具,OpenGL作为三维场景开发工具,按照面向对象的程序设计思想开发数控机床在线检测仿真系统的过程是:
(1)虚拟检测环境的建立
采用OpenGL标准进行图形处理工作。
OpenGL是一个图形硬件的软件接口,利用它可进行几何建模、图形变换、渲染、光照、材质等多种操作,大部分对于图形的底层处理工作都由一些专门的函数来处理。
(2)检测信息的提取
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在线检测仿真系统,必须在仿真过程中,如实地反映测量宏程序的每一条语句,即利用测量宏程序驱动检测仿真过程的进程。
因而该仿真系统应具备完整的检测信息提取能力,能实现对测量程序的语法检查,能实现相关的计算与判断,最为重要的是能够提取出测头的运动轨迹,以驱动测头的检测仿真。
(3)虚拟测头的驱动
在线检测系统是利用测头与待测物体的碰撞来确定接触点的位置信息的,因而检测仿真必须逼真的再现这一过程,这也是整个仿真系统的核心问题。
为保证测头可靠地撞击上待测物体,应使测头检测运动的最远行程大于测头到实际接触点位置的距离,即实际接触点位于测量起始点与测头最远行程点之间的直线段上。
4.空间误差补偿技术[6]
为进一步缩小大型机床,尤其是5轴、6轴机床,工作时的公差范围,提升其加工精度,美国国家制造科学中心(NCMS,NationalCenterofManufacturing
Science)组织了一次名为大型机床空间精度研究(VALMT,VolumetricAccuracy
forLargeMachineTools)的大规模联合行动。
此次联合行动邀请了包括美国自动精密工程公司(API)、波音公司(Boeing)、西门子(Siemens)、辛辛那提(MagCincinnati)等众多行业精英企业参加。
大型机床空间误差补偿技术(VEC,VolumetricErrorCompensation)由此诞生。
由于结构复杂的5轴、6轴机床通常会产生40至50个误差参数,以至于使用传统的21项误差机床检测法无法对结构复杂的大型机床进行全面的误差检测。
而相比于传统的机床误差检测方法,VEC技术对机床运行空间的测量更具持续性,从而能够检测出机床工作时所产生的全部误差参数。
实验表明,使用VEC方法进行检测、校准后的机床精度较传统检测方法校准的机床高出了至少4倍。
4.1.传统的机床校准与补偿方法
21项误差补偿法是被公认的传统的机床校准方法。
以结构较简单的普通3轴机床为例,这种方法需要使用激光干涉仪对机床的每个轴(X,Y,Z)分别进行测量。
而在进行这些测量之前,需要对测试仪器做大量的安装调试工作,以便使干涉仪的激光束与机床相吻合,且对于每个轴的测量,都需要重新调整激光干涉仪的位置,并运行各自的测量步骤。
如此,便耗费了大量的时间,使机床闲置,
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导致生产力的下降。
而且由于激光干涉仪工作时间过长,还要将热漂移的因素考虑在内。
每一个线性轴都会产生6个误差参数(即:
线性定位误差、水平直线度误差、垂直直线度误差、俯仰角、偏摆角、滚动角)。
通常来讲,为确保测量的精度及数据的准确性,需要对每个线性轴上的6个可能发生的误差参数各进行2次测量。
从而,至少要进行36次测量,才可以收集到18个误差参数;再加上三个轴两两之间(X到Y,Y到Z,Z到X)的垂直度,就可以得到21项误差参数。
接下来,根据收集到的误差参数就可以分别确定对于各个轴的补偿参数。
完成这一过程,通常需要进行几天甚至是几个星期的测量,而测量期间内由于天气的不同以及昼夜温差导致的温度变化也会对测量结果有较大影响。
通常情况下,可以使用如下公式来计算应测量的待测机床的误差参数的数量:
应测误差参数数量,6×机床线性轴的数量,4×旋转轴的数量,2×平行轴的数量,刀具自由度(DOF),6工件自由度
4.2.VEC技术详解
空间误差补偿技术(VEC)的使用较其他机床标定方法更为简单且精确度更高。
由于VEC技术的测量是在一个整体的坐标系中完成,而不是像其他技术那样要分别对机床的每一个轴进行测量,所以只需一次安装检测仪器,便可以对从较为简单的3轴机床到结构复杂的6轴机床进行精确的测量;且激光跟踪仪对机床运行的整个过程进行跟踪测量,所以测量所得结果与机床实际运动轨迹完全吻合,从而达到极高的测量精度。
使用VEC技术在几个小时内就可以完成对6轴大型机床的测量,较传统方法大幅减少了时间,从而解决了大型机床标定过程时间过长的问题。
而且这样还能将热漂移对测量精度的影响降到极低。
空间误差补偿技术(VEC)的数据计算方式是基于切比雪夫多项式(ChebyshevPolynomials)演变而来。
API独有的测量软件计算出多项式的运动学方程来描述机床运动时产生的不同误差,从而对机床运动空间内的任何坐标上的误差进行精准补偿。
使用VEC技术的第一个步骤就是建立VEC机床模型。
应用机床的CAD模型,根据不同机床的特征建立运动误差模型。
根据建立的运动误差模型,API的测量
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软件会计算并提供出一个测量路径的最佳解决方案,并避免与机床运行过程中有可能关联到的物体,例如固定装置、夹具等相冲突。
利用这种计算方法,可以使带有复杂结构的机床(如带旋转轴的机床和6轴机床等)的测量标定变得像标准3轴机床一样简单。
图4随机取点
API测量软件计算出的测量路径可以避免测量过程中可能发生的部件相互碰撞的情况。
在机床运动的空间内随机取200至400个参照点(见图4),将机床在这一运行空间内每个轴上的所有可能形成的姿态进行模拟,从而根据这一数据来计算出最终的测量路径。
测量时,机床主轴会沿着预先设计好的路线进行运动,与此同时,API的T3激光跟踪仪发射出的激光束将会始终跟踪固定在位于机床中心点机床主轴上的APIActiveTarget活动靶标,对机床运行的完整路线进行测量。
由于测量软件已为测量设计出了最佳路线,所以在测量过程中绝不会发生碰撞事件,也不会因为主轴的运动遮挡了激光束而中断测量。
实际测量中,无论机床的大小和结构复杂与否,整个测量的过程会在1至3个小时之间。
由于API的T3跟踪仪在设计上的紧凑型、便携性、高复合性、以及测量范围极广的特性,在测量时,T3激光跟踪仪既可以被安装在机床上,也可以被安置于机床之外。
而ActiveTarget活动靶标则被安装固定在位于机床中心点的机床主轴上。
ActiveTarget实际上是一个机动化的SMR,其特有的内置反射镜进行不间断的转动,从而可以在移动中始终锁定T3激光跟踪仪发射出的激光束,不会将激光束跟丢。
测量时,每当机床运行到一个新的测量点就会停顿3至4秒钟,使机床完成休整并稳定在其所应到达的位置,T3激光跟踪仪会在这一间隙对这个参照位置实施30次至100次的测量。
当计算出测量数据的平均值,便会反射信号至机床,使其移动到下一个待测位置。
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整个过程需要对待测机床进行三次测量(见图5):
第一次测量时应使用一个稍长的适配杆用来固定ActiveTarget;第二次重复第一次的过程,以便核实、检查数据的准确性;第三次,也就是最后一次则应使用一个较短的适配杆固定ActiveTarget进行测量。
这个过程不仅仅是简单的三次测量,实际上,使用长短不同的适配杆固定ActiveTarget进行测量,为每一个待测的参照点生成了向量。
使用这种方法既可测得位置参数,又可以测得方向的数据。
其原因在于:
每个待测的参照点与其前一个被测量的点之间都会形成一个杆状的连接,随着测量进程的发展,所连接的点就越多,而这样,通过200至400个随机参照点,就形成了点云(PointCloud),而不是简单的三个平面。
图5三次测量
如图6所示,通过这些向量(杆状连接)可以确定机床运动空间中的每一个点,并通过上万次的计算得到这些参照点的位置参数(X,Y,Z)以及方向参数(如:
俯仰角、偏摆角、滚动角)。
软件将会根据测得的参数计算出补偿值,将补偿参数储存,上传至机床的控制系统,在机床实际作业中进行空间误差的补偿。
图6确定空间位置
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当参数数据收集完毕后,需要使用K倍交叉验证法(K-FoldCross-Validation)来验证、核实收集数据的准确性,之后才能将数据上传到机床的控制器进行实际补偿。
K倍交叉验证法的过程是这样的:
首先将收集来的原始数据分成K数量的二级数据样本;其次,在K数量的二级数据样本中保留一个数据样本作为参照数据,用来测试其他(K-1数量的)数据是否准确;最后将这一测试过程重复执行K次,每一次从K数量的数据样本中抽选出一个作为参照数据,且参照数据不得重复。
待K次验证进行完毕后,软件就会自动计算出平均值,将所得数据储存、待用。
数据被核实验证后,软件系统会直接将验证好的数据传输至机床的控制器。
由此,机床每运动一次,补偿数据就会对机床的运动误差进行实时补偿。
经过理论的证明与实践的证实,空间误差补偿方法(VEC)被认定为是可以大幅度提高机床工作精度的实用方法。
其测量方法简单,测量仪器安装简便,大幅度减小了因仪器安装等因素造成的额外误差。
VEC对机床的测量、调校贯穿于机床在其工作空间内运动的整个过程,所以使用VEC方法既可以对动态误差进行实时补偿,又可以测得机床运动时相关的几何效应,从而对机床误差实行更为精准的补偿。
比传统方法大幅提升了工作效率,节省时间成本,且在提升效率的同时大幅降低了由于热漂移因素所带来的影响。
5.全文总结
本文针对数控机床检测与标定技术,介绍了常用的检测和标定方法及其原理,并且详细介绍了美国自动精密工程公司的空间误差补偿技术。
通过本文可以对数控机床的检测和标定技术有一个基本的认识,对其发展现状有初步的了解。
将检测技术融于数控加工的内容之中,采用在线测量的方式,能使操作者及时发现工件存在的问题,并反馈给数控系统。
据抽样调查,目前我国因产品质量问题,如废品、次品、返修品等,所造成的经济损失约为产值的一,而在线测量技术应用于数控系统,其最直接的经济效益就在于既节省了工时又提高了测量精度。
使得数控系统能
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