加工過程的質(zhì)量監(jiān)測問題一直受到人們的重視。制造業(yè)如何以低成本、高精度和靈活多變的柔性加工技術(shù)迎接二十一世紀(jì)的挑戰(zhàn)也是人們關(guān)心的問題。質(zhì)量監(jiān)控是現(xiàn)代加工技術(shù)的重要組成部分，作為加工過程監(jiān)測手段的在機(jī)測頭，可對工件安裝定位、對刀、刀具磨損或破損以及加工件的形位尺寸等進(jìn)行有效的監(jiān)控。目前針對測量精度問題的研究主要集中在如何提高測頭系統(tǒng)的精度［5］，當(dāng)測頭作為在機(jī)測量工具時(shí)，機(jī)床的坐標(biāo)精度直接影響測量精度。本文通過在機(jī)測量

過程機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈分析，并以特征分析法來處理測頭的內(nèi)部誤差，用軟件補(bǔ)償法提高測量精度。

2　在線檢測過程的運(yùn)動(dòng)鏈分析

在線檢測過程的運(yùn)動(dòng)鏈與加工過程相似，其區(qū)別是將刀具替換成測頭。根據(jù)機(jī)床幾何誤差補(bǔ)償技術(shù)分析，將包括機(jī)床在內(nèi)的在機(jī)測量系統(tǒng)抽象提煉，以低序體陣列形式描述機(jī)床拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)，通過相鄰體的基本變換（包括位置變換矩陣和位移變換矩陣），其形式為（其中：c=cos,s=sin;αk、βk、γk為坐標(biāo)系間的相對方位角）

式中：表示多體系統(tǒng)低序體的連乘，為測頭測球中心相對于刀具坐標(biāo)系的坐標(biāo)值。

基本變換中的誤差參數(shù)主要為機(jī)床的幾何誤差，通過參數(shù)辨識(shí)的方法（也可采用雙頻激光測距儀直接測量）獲得［6］。

3　基于特征測頭誤差處理技術(shù)

在機(jī)測頭測量的基本要素為點(diǎn)、線、面，由此構(gòu)成形位尺寸的測量。在測量過程中，機(jī)床坐標(biāo)反映的測頭測球位置，當(dāng)處理和補(bǔ)償測頭誤差時(shí)，以測點(diǎn)的法線方向?yàn)橐罁?jù)，獲得對測頭精度最大的影響因素—預(yù)行程誤差（死區(qū)誤差），其它的誤差項(xiàng)如動(dòng)態(tài)誤差、重復(fù)精度等誤差通過多次測量減小其影響。

3.1　測量類型

　　1）基本測量：主要包括點(diǎn)、線、直線距離和坐標(biāo)系。

　　2）簡單組合測量：主要包括鍵槽、臺(tái)階、長方孔、圓心及直徑、橢圓、扇形、角度。

　　3）空間基本測量：

　　　球　　　　　　　球心及橢圓度

　　　圓柱　　　　　　不同高度的圓度，中心坐標(biāo)

　　　圓錐　　　　　　高度、母線測量

　　　曲線測量　　　　平面曲線測量

　　　空間曲線測量　　基于網(wǎng)格的測量

3.2　特征描述

　　幾何特征：內(nèi)凹、外凸。

　　位置特征：

　　　方向　　　X，Y，Z

　　　基平面　　XY，YZ，ZX，XYZ

3.3　測量及誤差處理技術(shù)

　?。?）測量過程

　　以下為測量Z方向一個(gè)點(diǎn)的程序段：

(程序頭）

  G31 G91 Z-10.F30;(以30mm/min的速度測量，此前刀具已定位到測頭上方）

  G31 G91 Z10。F600；（刀具抬起）

  G28 G91 Z0；（刀具返回參考點(diǎn)）

  G01 P10；（暫停）

 #12=#4014；（取當(dāng)前坐標(biāo)系號(hào)）

 #100=#5063;（讀觸發(fā)時(shí)Z坐標(biāo)）

 #101=#［2700+#12］+#100;（把觸發(fā)坐標(biāo)換算成機(jī)床坐標(biāo)）

 #102=#101-#506;(計(jì)算刀長測量值）

 #2010=#102;(把刀長值送給指定刀編號(hào)：10號(hào)）

 (程序尾）

（2）處理過程

　　從圖1可看出，對于不同幾何特征，同樣測量圓心坐標(biāo)和直徑，其測量路徑和測頭觸發(fā)方向都不一致。

　　針對規(guī)則形體測量，具體處理流程如圖2所示。對空間曲面的測量也可用類似的方法處理，但機(jī)械式觸發(fā)測量系統(tǒng)的效率較低，建議采用模擬測頭。

4　在線檢測誤差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用機(jī)床校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件

在MAKINO FANUC86—A20三坐標(biāo)立式加工中心上實(shí)現(xiàn)。采用Renishaw MP3型機(jī)械式觸發(fā)頭，其中測頭的預(yù)行程誤差如表1所示。通過RS232C口NC系統(tǒng)與微機(jī)相連接，測量數(shù)據(jù)在

微機(jī)上進(jìn)行后處理。該試件在MITUTOYO—BLN231三坐標(biāo)測量機(jī)上用PH6觸發(fā)式測頭進(jìn)行測量驗(yàn)證。在無補(bǔ)償、有坐標(biāo)和測頭誤差補(bǔ)償以及三坐標(biāo)測量機(jī)的測量結(jié)果對比如表2所示。從測量的結(jié)果來看，通過誤差補(bǔ)償，測量精度有明顯的提高，接近三坐標(biāo)的測量結(jié)果。

表1　測桿長度為50mm的預(yù)行程誤差

角度（°） 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

誤差值（μm） 17 25 29 19 21 22 16 8 5 15 23 21

表2　標(biāo)準(zhǔn)試件基本尺寸在不同條件下的檢測結(jié)果

尺寸（mm） A B H D

無補(bǔ)償措施測量結(jié)果 213.901 123.808 14.934 245.220

坐標(biāo)和測頭誤差補(bǔ)償后測量結(jié)果 213.920 123.839 14.945 245.247

三坐標(biāo)測量機(jī)測量結(jié)果 213.922 123.841 14.946 245.250

5　結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)集成技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)應(yīng)用的不斷深入，機(jī)械制造從勞動(dòng)力密集型往技術(shù)密集型發(fā)展，在線檢測技術(shù)取代了人工測量，成為加工過程重要的監(jiān)測手段。機(jī)械式觸發(fā)測頭價(jià)格低廉、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)為廣大用戶所接受，國內(nèi)有多家供應(yīng)商。本文重點(diǎn)介紹的在機(jī)測量誤差處理方法，利用軟件補(bǔ)償法提高測量精度，通過補(bǔ)償前后與三坐標(biāo)測量機(jī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，表明補(bǔ)償效果良好。該方法有一定的普遍性，適合其它類型的測頭誤差處理。