隨著航空、航天以及汽車等制造工業(yè)的快速發(fā)展，高精度、復(fù)雜大型零件的加工與精度評(píng)價(jià)成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的突出問題，通常這類工件產(chǎn)品需經(jīng)過多次的加工—測量—修整，才能滿足設(shè)計(jì)要求。數(shù)控機(jī)床作為一種高效、高精度的制造裝備在制造企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，而且正朝著高精度、高效率、開放化、智能化、復(fù)合化的方向發(fā)展。復(fù)合化的目標(biāo)是盡可能地在一臺(tái)機(jī)床上利用一次裝卡完成全部或大部分的加工任務(wù)，以保證工件位置精度，提高生產(chǎn)效率[1]。加之人們對(duì)工件加工的高精度、高效率的不斷追求，與數(shù)控機(jī)床集成的在線測量技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中受到廣泛關(guān)注。

傳統(tǒng)的離線測量方式，即采用拆卸移動(dòng)工件的檢測方式，涉及二次裝夾定位問題，使得加工結(jié)果和測量結(jié)果的一致性差，導(dǎo)致生產(chǎn)周期延長、生產(chǎn)效率降低。拆卸移動(dòng)工件的檢測方式是阻礙數(shù)字化制造整體效率提高的主要原因[2]。在線測量，即加工與測量過程均在同一設(shè)備上實(shí)施的檢測方式[3]，工件經(jīng)過一次裝卡便可完成加工與測量工作，避免了二次裝夾定位誤差，可降低測量成本，減少生產(chǎn)輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和加工精度。數(shù)控機(jī)床在線測量技術(shù)具有采樣速度快、精度高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了工件的數(shù)字化數(shù)據(jù)采集和精度評(píng)價(jià)[4]。

    與三坐標(biāo)測量機(jī)（Coordinate Measuring Machining）相比，由于數(shù)控機(jī)床在線測量環(huán)境復(fù)雜，誤差影響因素較多，但三坐標(biāo)測量機(jī)價(jià)格昂貴，性價(jià)比與應(yīng)用的廣泛程度遠(yuǎn)不如數(shù)控機(jī)床[5]。因此在精度要求不是很高時(shí)，數(shù)控機(jī)床在線測量技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。

數(shù)控機(jī)床在線測量技術(shù)是加工測量一體化技術(shù)的重要組成部分，可以擴(kuò)展數(shù)控機(jī)床的功能，有效地提高現(xiàn)有機(jī)床的使用價(jià)值，保證零件的加工質(zhì)量[1，6，7]。因此，數(shù)控機(jī)床在線測量得到現(xiàn)代制造企業(yè)的重視和應(yīng)用，具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值，國內(nèi)外研究人員針對(duì)此方面進(jìn)行了大量的研究工作，并在實(shí)際中進(jìn)行了推廣和應(yīng)用[8]。

機(jī)床在線測量組成結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床較之以前在開放性方面有了很大的提升，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)良好的擴(kuò)展性和兼容性使得一臺(tái)數(shù)控機(jī)床兼具一定精度的三維坐標(biāo)測量功能成為可能[6，9-10]。如果把機(jī)床與測量系統(tǒng)有機(jī)地集成起來，在零件加工的同時(shí)，又可以實(shí)現(xiàn)工件的在線測量。

數(shù)控在線測量系統(tǒng)組成主要包括硬件和軟件兩部分。類似數(shù)控加工系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)主要包括數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)和測頭系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)則是利用二次開發(fā)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)類似于數(shù)控加工編程的在線測量編程，得到驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)測量的NC代碼[11]。數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)的原理示意圖如圖1所示。

數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)（如圖2所示）主要分為2種：一種為直接調(diào)用基本宏程序，而不用計(jì)算機(jī)輔助；另一種則根據(jù)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)提供的數(shù)控指令，用戶開發(fā)編制應(yīng)用系統(tǒng)隨時(shí)生成檢測程序，然后傳輸至數(shù)控系統(tǒng)中[8]。

在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，測頭基本上和刀具一樣已成為數(shù)控機(jī)床不可或缺的基本備件，在機(jī)械制造領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用。數(shù)控機(jī)床上采用的測頭主要分為2種：一種是以加工工件為測量對(duì)象，使用時(shí)安裝在機(jī)床主軸上的工件測量測頭；另一種是以刀具為測量對(duì)象，處于機(jī)床固定位置的刀具測量測頭。通常，機(jī)床在線測量采用是工件測量測頭，可手動(dòng)測量或根據(jù)測量（宏）程序?qū)ぜM(jìn)行自動(dòng)測量[12]。數(shù)控在線測量系統(tǒng)是基于數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)開發(fā)并集成測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，其測量過程和加工過程十分相似。

盡管數(shù)控機(jī)床在線測量具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但現(xiàn)有的在線測量系統(tǒng)，大都是專用的，測量功能單一，不能滿足加工零件的復(fù)雜性、多樣性需求。在機(jī)床在線測量系統(tǒng)基礎(chǔ)上，將其與CAD系統(tǒng)進(jìn)行集成，經(jīng)過CAD系統(tǒng)的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)測量編程和仿真驗(yàn)證，增大了數(shù)控機(jī)床在線測量的靈活性及工作范圍，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)+加工+測量（Design-Manufacturing-Inspection，簡稱D-M-I）的集成。數(shù)控加工、測量與設(shè)計(jì)三者在不同階段的集成示意圖如圖3所示。

機(jī)床在線測量過程

1  工作原理

在線檢測系統(tǒng)中直接影響精度的關(guān)鍵部件是測頭[6]，具有搜索前進(jìn)的能力的觸發(fā)式測頭最為常用[7，13-14]，向數(shù)控系統(tǒng)提供觸發(fā)信號(hào)以獲得觸發(fā)點(diǎn)的坐標(biāo)[9，13]。測頭系統(tǒng)最關(guān)鍵的一個(gè)功能是可生成程序中斷指令，當(dāng)測頭測端與被測工件接觸時(shí)，測頭系統(tǒng)向數(shù)控機(jī)床發(fā)送一外部中斷請(qǐng)求（該中斷請(qǐng)求由測頭觸發(fā)信號(hào)提供）。當(dāng)機(jī)床控制系統(tǒng)接收到中斷后，便通過定位系統(tǒng)鎖存此時(shí)測端球心的坐標(biāo)值，以此來確定測端與被測工件接觸點(diǎn)的坐標(biāo)值。測頭系統(tǒng)檢測過程如圖4所示。

接觸式測頭較其他測頭擁有更高的測量精度，同時(shí)接觸式測頭由于結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、制造成本低以及較高的觸發(fā)精度等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)控機(jī)床在線檢測系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。

在線檢測運(yùn)動(dòng)是通過輸入到數(shù)控系統(tǒng)中的數(shù)控檢測程序的控制實(shí)現(xiàn)的。由于數(shù)控機(jī)床采用的數(shù)控系統(tǒng)不同，其控制方法和編程代碼等有所差別。

2  測頭定位

為使數(shù)控機(jī)床能夠準(zhǔn)確、高效、快速地完成每一次的在線測量，在一次測量任務(wù)中需多次測量觸發(fā)。根據(jù)測頭在一次測量過程中運(yùn)動(dòng)，需設(shè)定3種距離[15]，如圖5所示。

（1） 預(yù)接觸距離。該距離是指測頭中心到被測工件表面公稱尺寸上接觸點(diǎn)的距離。在測頭進(jìn)入預(yù)接觸距離前，測頭快速運(yùn)動(dòng)。

（2） 搜索距離。該距離設(shè)定了測頭從零件的公稱尺寸開始沿進(jìn)入被測零件材料內(nèi)部方向的最大距離。如果測頭在這段距離運(yùn)動(dòng)中觸發(fā)，機(jī)床將鎖定觸發(fā)點(diǎn)的坐標(biāo)。在搜索距離階段，測頭應(yīng)以給定的測量速度運(yùn)動(dòng)。

（3） 回退距離。該距離是測頭接觸到被測表面后沿反方向回退的距離。測頭接觸被測表面后，為了避免移動(dòng)過量而折斷，測頭需要反方向退出一段距離，同時(shí)回退距離必須足夠大，以保證測頭能安全地到達(dá)下一個(gè)預(yù)接觸點(diǎn)或定位點(diǎn)。在回退距離階段，測頭以回退速度退回。

為滿足測頭各個(gè)運(yùn)動(dòng)階段的不同需求，在測量過程中對(duì)應(yīng)了3種距離，包含3種速度，即定位速度、測量速度和回退速度。測量速度應(yīng)取值較小，以減小測量值的誤差，同時(shí)避免折斷測桿。在測量過程中為提高測量效率，可以將定位速度和回退速度取值較大，從而保證以較快速度移動(dòng)測頭，減少測量時(shí)間。

為避免測頭在碰觸到被測表面后仍向前運(yùn)動(dòng)而折斷測桿，機(jī)床測量會(huì)在接收到觸發(fā)信號(hào)之后將剩余行程刪除。剩余行程刪除，即測頭在已編程行程運(yùn)動(dòng)過程中接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，記下當(dāng)前坐標(biāo)值之后跳過未完成的動(dòng)作，繼續(xù)執(zhí)行下一行代碼。

目前，數(shù)控系統(tǒng)一般均提供了基本的測量指令，或測量系統(tǒng)的開發(fā)單位或人員也會(huì)提供部分已封裝好的測量指令供用戶使用。

 3  檢測路徑規(guī)劃

數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)是一種通過采樣來進(jìn)行測量的系統(tǒng)[16]。因此采樣點(diǎn)的數(shù)量和分布情況將直接影響測量結(jié)果，對(duì)自由曲面的測量尤為重要。對(duì)整個(gè)被測表面全部進(jìn)行采樣是不現(xiàn)實(shí)的，為提高測量結(jié)果可信度，通常會(huì)采用增加檢測點(diǎn)數(shù)目的方式，但獲得高準(zhǔn)確度的同時(shí)也會(huì)極大降低測量效率。因此如何規(guī)劃高效、準(zhǔn)確的檢測路徑成為關(guān)鍵所在。

機(jī)床在線測量在規(guī)劃檢測路徑時(shí)，在滿足測量精度要求的基礎(chǔ)上盡可能提高測量效率，即在滿足測量精度的前提下，以最短的測量路徑檢測最少的測量點(diǎn)。以圓柱面測量為例，把測頭定位到型面的中心線上，采用四點(diǎn)測量方法便可以獲得高精度的測量結(jié)果。該測量方法對(duì)內(nèi)孔測量也同樣適用，詳細(xì)測量路徑見文獻(xiàn)[17]。

在路徑規(guī)劃要求的指導(dǎo)下，平面測量、凸臺(tái)/凹槽測量以及角度測量等均已有確定的測量路徑規(guī)劃方案，詳見文獻(xiàn)[17]。

當(dāng)進(jìn)行復(fù)雜測量時(shí)，則編程人員需要對(duì)CAD系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，根據(jù)基本測量原理在CAD環(huán)境中進(jìn)行人機(jī)交互測量路徑規(guī)劃和編程，圖6為哈爾濱工業(yè)大學(xué)基于Pro/Engineer CAD環(huán)境進(jìn)行二次開發(fā)進(jìn)行人機(jī)交互所規(guī)劃的測量點(diǎn)和測量路徑。

測量誤差分析

在任何一項(xiàng)測量中，由于各種因素的影響，所得到的測量值總會(huì)存在誤差。為了使測量結(jié)果更精確地逼近真實(shí)值，需要對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，因此測量過程中影響測量精度的誤差組成來源應(yīng)當(dāng)被仔細(xì)分析和考慮。

由于數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)是以機(jī)床為母體，集成測量系統(tǒng)而生成的。所以數(shù)控機(jī)床加工過程中存在的誤差在測量過程中也同樣會(huì)影響測量精度。機(jī)床在線測量測量誤差主要包括測頭系統(tǒng)誤差、機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件定位誤差、測量路徑不合理造成的誤差[16]，其中測頭系統(tǒng)誤差又分為測頭靜態(tài)誤差、測頭動(dòng)態(tài)誤差以及測頭在機(jī)床上的安裝誤差等。

測頭靜態(tài)誤差包括死區(qū)誤差和測頭重復(fù)定位誤差，它隨著測桿長度、剛度以及接觸壓力的改變而改變。死區(qū)誤差是指測頭在接觸工件后，測桿發(fā)生的彎曲變形量[18]。測頭重復(fù)定位誤差相對(duì)于死區(qū)誤差相對(duì)較小，因此測頭靜態(tài)誤差主要由死區(qū)誤差決定。測頭動(dòng)態(tài)誤差主要與測頭檢測時(shí)的接觸速度以及數(shù)控系統(tǒng)采樣間隔有關(guān)。

測頭是通過與機(jī)床配套的刀柄安裝機(jī)床主軸上，由于測頭軸線與主軸軸線的不完全對(duì)中，存在測頭的安裝誤差[3，19]，在多方向測量中造成測量誤差。測頭與主軸的不對(duì)中安裝誤差，可以通過測量前的測頭偏心標(biāo)定進(jìn)行部分補(bǔ)償。

由于數(shù)控機(jī)床零部件的制造、裝配誤差、伺服系統(tǒng)的跟蹤誤差以及間隙、摩擦等因素，機(jī)床各工作部件在進(jìn)行測量運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生定位誤差。

除此之外，測頭的半徑誤差也是一個(gè)主要的誤差來源，在數(shù)據(jù)處理時(shí)可通過測頭半徑補(bǔ)償來消除[14]。但在實(shí)際測量中，情況較為復(fù)雜，測頭半徑誤差將引入測量結(jié)果，在自由曲面的測量過程中，該項(xiàng)誤差更為明顯。

針對(duì)測量過程中諸多的誤差來源，高效、高精度的誤差補(bǔ)償算法是亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。在實(shí)際應(yīng)用中，可采用多次測量、誤差補(bǔ)償?shù)葴p小測量誤差，提高測量精度。

機(jī)床測量系統(tǒng)與CAD的集成

數(shù)控機(jī)床在線測量作為M-I模式的典型代表，極大地縮短了生產(chǎn)周期。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于并未與零件的設(shè)計(jì)模型相銜接，導(dǎo)致測量路徑交互規(guī)劃時(shí)存在諸多不便。此外，根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行再加工時(shí)，會(huì)造成誤差的累積。在實(shí)現(xiàn) D-M-I模式集成后，可針對(duì)該項(xiàng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償[20]，從而進(jìn)一步提高測量精度。

鑒于D-M-I模式相對(duì)于M-I模式的數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)具有更高的精度和靈活性，針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的加工、測量與修整，我們采用了D-M-I模式的數(shù)控機(jī)床在線測量與加工，以提高測量、加工精度。將PC機(jī)與數(shù)控機(jī)床相連，在PC機(jī)上主要完成CAD系統(tǒng)與CAI軟件系統(tǒng)的集成，在數(shù)控機(jī)床上完成NC系統(tǒng)與CAI的硬件系統(tǒng)集成，從而實(shí)現(xiàn)CAD/NC/CAI的集成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

下面以實(shí)例針對(duì)具體測量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)步驟進(jìn)行介紹。根據(jù)用戶的需求，選用Pro/Engineer作為D-M-I模式的數(shù)控機(jī)床在線測量系統(tǒng)的CAD系統(tǒng)。通過在Pro/Engineer環(huán)境中建立數(shù)控機(jī)床模型和工件模型來模擬實(shí)際的加工測量環(huán)境，在該環(huán)境中進(jìn)行測量軌跡和加工軌跡的規(guī)劃和仿真驗(yàn)證。相關(guān)功能通過Pro/Engineer的二次開發(fā)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在Pro/Engineer中添加開發(fā)新功能菜單如圖8。

該機(jī)床在線測量系統(tǒng)的操作步驟為：操作者首先向虛擬數(shù)控操作環(huán)境中加載目標(biāo)零件模型；隨后進(jìn)行虛擬操作環(huán)境初始化操作，其目的是建立虛擬操作環(huán)境下裝配坐標(biāo)系與實(shí)際機(jī)床坐標(biāo)系之間的關(guān)系、各運(yùn)動(dòng)部件的變換矩陣；最后，操作人員根據(jù)功能菜單選擇進(jìn)行測量面選擇、測量路徑規(guī)劃、測量過程仿真等操作。當(dāng)需要修改被加工（測量）的零件時(shí)，只需將虛擬環(huán)境下的該零件激活，修改完成之后將整個(gè)虛擬環(huán)境重新激活，便可重新對(duì)其進(jìn)行操作。該系統(tǒng)將CAI操作軟件通過二次開發(fā)技術(shù)集成到Pro/Engineer環(huán)境下，使得CAD系統(tǒng)與CAI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫連接?；?/span>Pro/Engineer的虛擬測量環(huán)境構(gòu)建，可實(shí)現(xiàn)實(shí)際操作過程的模擬，對(duì)測量或加工過程進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，如圖11所示。

根據(jù)測量采集的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，按照評(píng)價(jià)被測量面的評(píng)價(jià)方法，可計(jì)算出評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖12所示。

結(jié)論

測頭系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床集成構(gòu)成的機(jī)床在線測量系統(tǒng)，可以明顯縮減生產(chǎn)輔助時(shí)間，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)還縮減了由離線測量誤差導(dǎo)致的廢品率，充分發(fā)揮了數(shù)控機(jī)床的性能。機(jī)床測量的應(yīng)用可以減少中間環(huán)節(jié)，保證加工精度，提高數(shù)控機(jī)床的加工能力；并可實(shí)現(xiàn)工件的數(shù)字化數(shù)據(jù)采集，后期還可借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)工件表面三維重構(gòu)。基于D-M-I模式的機(jī)床在線測量系統(tǒng)，通過對(duì)CAD的二次開發(fā)，可充分利用CAD強(qiáng)大的圖形交互能力和設(shè)計(jì)功能，用戶進(jìn)行交互測量路徑的規(guī)劃，方便系統(tǒng)的應(yīng)用。該方向的研究及應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)具有較大的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也提升了數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用水平。