车铣复合机床加持智能检测 —— 凸轮轴在线测量工艺包实现高精度与高效率统一

高精度、智能化、柔性化已经成为机床装备发展的关键词。其中，凸轮轴作为发动机和高端动力系统的关键部件，其加工精度直接决定了整机的性能与寿命。然而，在实际生产中，凸轮轴形状复杂、曲线多变，测量环节耗时、易错，一直是精密加工中的“卡脖子”环节。

近日，大连理工大学机械工程学院张德宝、魏兆成团队联合通用技术机床工程研究院，成功研发出一套基于车铣复合机床的凸轮轴在线测量工艺包。
该系统实现了加工与测量一体化，可在机床上直接完成凸轮轴的精度检测，检测误差仅为 0.0092毫米，在保证精度的同时大幅提高了检测效率，为高端制造领域提供了新的技术路径。

传统检测方式的局限

长期以来，凸轮轴的检测主要依靠离线测量和非接触式扫描两种方式。

• 离线检测依赖三坐标测量机（CMM），虽然精度高，但流程复杂。工件需从机床取下重新装夹，周期长且易产生二次定位误差。

• 非接触测量利用激光或视觉传感器快速扫描，但受环境光照、反射率等影响较大，测量稳定性不足。

两种方法均存在共同问题——加工与检测脱节。机床加工误差无法实时发现，后续补偿滞后，不仅影响良品率，也制约了生产节拍。

随着智能制造的发展，行业迫切需要一种能在机床上实现实时检测的方案。

技术思路：加工检测一体化

本项目的研究团队聚焦车铣复合机床，通过在机床上集成高精度接触式测头系统，构建出一套可直接运行的在线测量工艺包。

这一方案的核心思想是：

“让机床在完成加工的同时，自行完成检测。”

通过机床控制系统的程序联动，测头可自动切换到测量模式，对凸轮轴各关键部位进行定点采样与轨迹检测。整个过程无需人工干预，测量数据实时回传系统，形成闭环控制，可实现自动误差补偿。

这标志着传统的“加工—下机—检测—再加工”模式，正在向“加工—检测—修正”一体化的智能制造模式转变。

技术创新与亮点

1. 智能测点优化：兼顾速度与精度

测量点的选取直接影响测量效率与结果精度。
团队提出了基于曲率差值法的测点优化算法，根据凸轮廓线的曲率变化自动调整测点密度：

• 在形状变化剧烈的区域，系统自动加密采样点；

• 在平缓区域，自动减少测点。

这一策略既避免了冗余采样，又确保了曲线关键特征点的准确捕捉。实测结果表明，测点数量减少约 30%，而测量误差控制在 0.01毫米以内。

2. 半径补偿算法：精度更高

在接触式测量中，探头球心与工件实际表面存在偏移。团队通过建立法向量补偿模型，自动修正测头半径造成的偏差，使测量值精确反映工件真实表面位置。

补偿算法嵌入系统后，可实现微米级误差修正，为后续的误差补偿与数据分析提供可靠数据源。

3. 一键生成程序：测量自动化

研究团队基于 Matlab GUI 平台开发了专用测量程序自动生成软件。
用户只需输入基圆半径、测头参数、凸轮类型等基础数据，系统即可自动生成测量路径，并生成NC测量程序文件。

该软件可兼容多种凸轮形态（如尖底、圆底、滚子从动件等），操作简便，适合在车间环境中快速部署。

这种一键生成测量程序的方式，大幅降低了编程门槛，减少了人为失误，显著提升了工艺适配能力。

实验验证：数据证明实力

在OKUMA车铣复合机床上，研究团队完成了多轮实测。
实验采用铝合金凸轮轴样件，通过在线测量系统与三坐标离线测量进行结果比对。

结果显示：

• 在线测量平均误差仅为 0.0092毫米；

• 数据重复性良好，无异常值；

• 测量全过程自动完成，效率提升显著。

与传统方法相比，该系统在测量效率上提升约40%，稳定性和可重复性均优于激光或视觉类检测方式。

工业应用前景

该项研究成果具有广泛的行业应用潜力：

• 汽车制造业：用于凸轮轴、曲轴等复杂回转件的高精度检测，提高装配精度与一致性；

• 航空发动机制造：用于叶轮轴、导向轴等关键部件检测，确保安全性能；

• 高端机床行业：推动车铣复合机床实现检测与控制一体化，提升装备智能化水平。

此外，系统还可与数控系统联动，构建实时误差自诊断与自补偿机制，为机床数字孪生与智能决策提供数据支撑。

专家点评

“这项技术的意义，不仅在于提升了检测精度，更在于实现了机床检测智能化、加工过程可控化。”
——机床行业专家委员会委员

“过去的检测是被动的，现在是主动的。在线测量让机床具备了‘感知’能力。”
——通用技术机床工程研究院高级工程师

结语

随着制造业加速向高端化、智能化转型，加工与检测一体化已成为行业发展的必然趋势。

大连理工大学与通用技术机床工程研究院研发的凸轮轴在线测量工艺包，不仅填补了车铣复合机床检测技术的空白，也为实现“高精度制造、全过程控制”提供了可复制的范例。

从实验室到生产线，这项创新成果将为我国高端装备制造业的质量提升与效率革新提供有力支撑。