基于复合测头的工件加工在机测量技术研究

研究一种用于数控加工机床的工件在机检测技术，用于对加工过程质量进行监测和控制，以缩短大型工件的加工制造周期，改变现有制造加工领域手工检测模式或离线抽检模式的现状。设计一种新的复合式在机测头并提出其测量系统实现方案。在机检测系统主要由数控机床、复合测头、无线信号收发器、控制计算机及其测量软件组成。数控机床作为测量运动驱动机构，其主轴带动复合测头对工件进行测量，并把测量结果通过无线信号收发器传输到控制计算机，通过模型反求和数据融合后处理，在机实时给出工件加工质量报告。通过在机修正工件加工路径，提高工件制造合格率和加工效率。

关键词：数控机床；在机检测；复合测头；模型重构

在先进制造技术领域中,复杂精密零件制造加工水平占有重要地位。装备整体性能取决于关键重要部件的整体加工水平。实施加工过程质量监测和控制是确保和提升复杂精密零件加工水平的关键。近年来，国外在数控机床在机检测技术领域开展了一些探索和研究工作。具有代表性的企业是英国雷尼绍公司，该公司开发了多种型号的在机触发式测头装置，并且被广泛应用于制造加工领域中。雷尼绍公司开发了OMP(RMP)和TP系列在机自动测头及测量软件系统，可以实现加工生产线上加工误差的自动触发式测量。但是这些测量系统仍然存在着数据后处理能力不够完善，尤其对复杂型面测量实现困难等问题。

美国Ng HUNG教授等研究了离线检测自动编程方法，但需要对工件进行多次装卡。韩国PAHK等研究了加工工件上的一些简单的面、孔和槽等特征的精度检测， KyungDon KIM用触发式测头和测量G代码实现两轴半机床的尺寸测量，直接在机床上生成检测程序。美国俄亥俄州立大学C H MENQ等在20世纪90年代初就提出了数控加工自由曲面检测系统框架，并针对具有自由曲面特点型面特征的接触式在机测量方法、模型匹配等问题进行了深入探讨。然而大部分生产企业中，具有复杂结构和曲面特征的工件仍然没有达到快速型面检测和质量实时控制要求。目前，我国制造加工领域仍然使用传统的离线检测模式，即按理论尺寸中差数控编程，加工结束后，送离线三坐标测量机检测，当某些部位尺寸未到达精度要求时，需要重新返回到加工现场，再次装夹、找正，再进行修正加工。这种方式不仅极大地延长了生产周期，而且再此装夹带来的误差也会造成严重的质量隐患。

作者研究对复杂工件的数控加工过程进行监测和控制的方法，缩短大型复杂工件的加工制造周期，改变现有制造加工领域手工检测模式或离线抽检模式的现状。不同于上述传统单一测量模式，该工件在机测量系统侧重于实现加工工件在机自动化测量功能，以用于复杂工件生产的精密数控机床为平台，通过集成现代高端光、机、电等检测技术手段，采用自适应测点分布技术和自动路径规划等方法，在机动态完成加工工件的整体型面信息获取及数据后处理操作，实现工件加工尺寸的快速实时测量，便于加工误差分析。

工件在机检测系统与数控加工系统紧密结合，其主要由数控机床、复合式传感器与嵌入式处理器、无线信号收发器、控制计算机及其测量软件等组成。数控机床作为测量运动驱动机构，其加工主轴从刀库中自动取出复合式测头装置，并接收来自控制计算机的测量运动指令，对工件进行测量。控制计算机通过无线收发器与复合式测头无线连接，实时接收来自测头的测量信息，同时它通过RS232串行接口与数控机床相连接，读取机床的状态和发送检测控制命令。控制计算机最终通过模型反求和数据融合后处理，全自动高效率地完成复杂工件的在机质量评估，数控机床在机测量系统如图1所示。

1 工件在机测量系统框架

在机测量系统采用触发式测量方式以及信息光电传输等精密检测与处理技术，并与激光三角非接触式测量方法相结合，集成新一代在机嵌入式测头，为工件加工过程中的快速、精密尺寸测量提供可靠信息采集与信息预处理装置。控制计算机对两种测量点云数据进行后处理操作，这个过程既可以离线完成，又可以在线进行。其主要内容包括初始测量信息滤波、数据融合与补偿计算、曲线重建、曲面重建、模型验证等。经数据后处理算法分析后，自动产生加工工件的实际加工尺寸三维数字模型，进而可以通过与标准加工CAD模型的比对，最终检测结果以关键工件截面尺寸、位置度误差报表等形式给出。该系统不仅可以完成孔状、凸台和凹槽等特征的检测，还可以完成具有自由曲面或其他扭曲特征的复杂型面扫描。

2 在机测量复合测头设计

传统的在机测头采用单一触发方式实现高精度测量，测量效率受到测量方式的制约。文中提出的在机测头采用嵌入式复合结构设计方法，其集成了3个主要组成部分，即探针接触式测量装置、激光非接触式测量装置和测量信息处理中心。整体测头结构的优化配置既能保证不同测量数据的无干涉获取，又能合理解决电源供给、信号线连接和传送问题，并便于从刀库取、放和工作时的操作安全避障。工件在机测量复合式测头设计采用Pro/E工程软件完成。

复合式测头是集成了力学、光学及图像测量原理的一种新型三维表面测量装置。其中，探针接触式测量装置是由开关式感应器、探针和接触球头部分组成。在接触球头接触到工件表面并达到一定压力时，作用力通过探针传递给开关式感应器，装置就会立即反馈被测量位置信息。激光非接触式测量装置主要由激光源、摄像机和图像采集卡等部分组成。激光源在被测工件上打出线式光信息，然后通过单目摄像机来捕捉，从而实现工件的主动式图像特征提取。信息处理中心完成信息的滤波、融合处理和信息无线传递等，为测量系统的数据后处理提供可靠信息支持。后处理算法对测量点坐标进行补偿，完成各种尺寸及精度计算。用户可以通过打开测量结果数据文件获得测量点信息，并计算得到所测量目标表面三维信息值。

在保证满足测量精度要求的前提条件下，提高测量效率是复合式测头设计的要求。为提高测量系统数据处理速度，工件在机测头采用嵌入式信息处理技术对测量数据进行预处理。

测头嵌入式板卡以主频720 MHz的TMS320DM642为主处理器，具有4M×8b 的SDRAM和4M×8b的Flash存储器，具有上电自启动功能。嵌入式板卡采用2通道的视频输入方式采集模拟摄像机信号，可编程配置异步串口的数据传输率，另外配置8通道的数字I/O实现系统中的开关输入和输出控制和10M/100MbaseTX标准的以太网接口。板卡设计工作温度为0~70 ℃，板卡机械尺寸较小，大小仅为80 mm×80 mm，便于测头结构小型化设计和操作便捷性。

3 工件在机测量方法

3.1 工件在机测量步骤

复合式测量数据是通过无线传感器传递给控制计算机的。测量数据分为激光点云扫描数据和探针点云探测数据两种，其中探针点云探测数据由接触式测量方式获得，该测量方式的特点是测量精度较高，但是测量速度慢，因此点云数据稀疏；激光点云扫描数据采用非接触的激光器和摄像机实现，具有测量速度快的优势，测量信息较为稠密，但是测量数据精度相对较低。两种测量数据分别在不同时段获得，数据由测量系统无线发送器发出后，由控制计算机的无线接收端实时接收和自动存储。在机测量系统依据测量型面的特征对测量点的数量、分布及测量进度进行动态规划，并基于OpenGL三维引擎技术实现加工型面的三维绘制，从而为用户提供直观的测量交互界面。为实现数控机床加工工件在线测量任务，在机检测系统的基本操作步骤分为如下6个步骤：

（1）用户通过控制计算机读取待测工件的CAD标准数据；

（2）机床检测状态初始化；

（3）控制计算机向机床发送检测控制命令，完成整个工件测量任务；

（4）读取和显示测量结果；

（5）数据后处理，根据不同工件特点实现曲面重建和模型验证；

（6）生成数控加工修正G代码。

此外，用户也可以根据测量需要，通过交互干预修改测点位置、数量以及测量路径，从而获得特定的测量方案和结果。控制计算机读取的CAD标准数据主要是待测工件的三维模型信息，也就是工件加工所依据的设计尺寸。同时，标准数据还包括工件关键截面尺寸和各部分加工精度要求，便于测量方式、测量路径规划方法的选择和后续测量结果的评价。

3.2 在机测量系统功能模块组成

工件在机检测系统采用独立模块化的开发方式，更有利于满足用户的选择性需求。被测工件通常具有较多的圆孔、凹槽、凸台或自由曲面等不规则特征，其检测过程结合多种测量方法和多次重复分区域测量是十分必要的。在系统结构中，控制计算机与数控加工设备的衔接是靠串口通讯实现的，并且通过无线收发器实时读取检测数据信息。从数据接口、坐标系映射、工艺流程指导3个环节建立完整的接口，保证检测环节与加工环节的协调工作。数控加工在机检测系统所涉及功能模块。

系统功能模块主要分为4个组成部分，其中接触式测量、非接触式测量及信息融合3个基本模块构成了工件测量信息获取及与处理部分；系统标定、机械结构应力分析、测量包络域分析和误差补偿构成测量系统自校正部分；数控加工控制、路径规划及各接口模块构成测量系统的运动与信息传输部分；数据处理、表面品质评估与加工路径修正等模块构成测量系统的测量结果生成与显示部分。上述测量系统的4个组成部分相互耦合连接，信息共享，成为实现数控加工在机检测的基本构成部分。

数控加工在机检测系统模块化设计不仅增加了用户选择产品的灵活性，满足不同精度和要求产品质量的评估需求，同时也为在机检测系统的升级和改进提供了方便。

从软件实现角度，将测量系统的功能模块序列化和结构化是十分必要的，它不仅能够更好地体现测量软件设计思路，而且使得各具体功能模块的实现过程更加清晰。将软件功能层次化，能够根据操作流程理清软件代码编写思路，提高软件编写质量和速度。将工件在机检测系统的软件功能划分为4个层次，其操作流程。

在机测量系统软件共分为通讯层、算法层、处理层和接口层4个层次。其中算法层设计为测量软件功能实现的重点，包括了曲面重构、误差补偿、数据融合以及测头姿态与检测路径规划等重要核心算法的实现；处理层和接口层为测量信息提供数据维护和显示等操作；而通讯层实现数据或控制命令在各系统组成部分之间的传递。

为实现加工过程自动化，依据加工工件检测评估结果，控制计算机检测软件会根据不同数控加工系统的需求，生成相应的加工刀具位姿和加工路径修正G代码，并作为另一种检测结果形式传递给机床。这种工件在机检测与修正加工路径相结合的一体化加工系统，进一步提高了数控加工复杂工件的效率。

3.3 工件在机测量实现过程

测量数据融合处理是该测量系统的一个重要特点。工件测量方式的选择需要综合考虑很多因素，其中包括测量精度要求、测量时间、测量环境、待测工件的复杂程度、待测工件的表面粗糙度和材质硬度等。文中提出的复合式测量方法根据上述具体情况采用不同的测量规划方法。对于测量速度要求较高、而测量精度不高的粗加工件，通常主要由激光非接触式测量完成。尤其是对于蜡模和材质相对较软的工件，激光非接触式测量方法具有保护加工件不被测具破坏的优点。对于大部分精密合金工件，其局部尺寸特征会影响到整个工件的工作性能，这些关键型面由测头探针进行接触式重复测量，保证加工精度。这样，激光测量结果经过信息滤波和平滑处理后，其边缘特征、局部遮挡特征和关键型面特征都可以由探针测量数据进行补偿和校正。工件在机测量实现过程。

数控加工工件在机测量系统按测量要求自动生成测量控制指令，并由控制计算机通过串行通讯方式传递给机床数控加工系统。从图6中可见，一条测量控制指令的生成过程需要满足系统规则，首先测量系统驱动加工主轴在刀库中选择复合式测头，并在控制计算机与测头间建立无线通讯连接；测量系统参数精确标定和激光自动扫描路径规划G代码传递；机床驱动主轴，对工件进行非接触式激光测量；手动进行探针接触式测量点选取，生成接触式测量路径和G代码传递；机床驱动主轴，对工件进行接触式探针测量；最终进行工件测量信息完整性确认，对不满足测量要求的区域进行测量方式调整和补测或重测。

4 工件测量三维模型重构实验结果

为实施文中提出的在机工件测量方案，基于FUNAC 0i数控系统和VMC0851型号数控加工中心平台，加工制作了新型复合式在机测头，并完成了典型具有孔、面和阶梯块基本特征工件的在机测量，其实际测量过程中的截图见图7。控制计算机通过无线网络接受来自测头的测量信息，并实现了数据预处理及工件三维模型重构，模型重构结果与工件设计加工CAD标准型面尺寸做误差比较分析后，生成加工误差报告。

5 结论

本文研究了一种用于数控加工机床的工件在机检测技术问题。本文的主要贡献在于：提出了一种新型的工件表面尺寸在机测量方法，将检测技术融于数控加工的过程之中，采用在机测量的方式，及时发现工件加工过程型面尺寸缺陷，并反馈给数控加工系统。该系统能及时修正加工过程误差和随机误差，以改变机床的运动参数，更好地保证加工质量，促进加工与测量一体化发展。研究不同特征型面的复合式测量运动路径规划合理性是下一步工作的重点。

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