研究一種用于數(shù)控加工機床的工件在機檢測技術，用于對加工過程質(zhì)量進行監(jiān)測和控制沦恩，以縮短大型工件的加工制造周期贫莹，改變現(xiàn)有制造加工領域手工檢測模式或離線抽檢模式的現(xiàn)狀。設計一種新的復合式在機測頭并提出其測量系統(tǒng)實現(xiàn)方案锹嫌。在機檢測系統(tǒng)主要由數(shù)控機床足蹋、復合測頭、無線信號收發(fā)器惯悠、控制計算機及其測量軟件組成邻邮。數(shù)控機床作為測量運動驅(qū)動機構，其主軸帶動復合測頭對工件進行測量克婶，并把測量結果通過無線信號收發(fā)器傳輸?shù)娇刂朴嬎銠C筒严，通過模型反求和數(shù)據(jù)融合后處理，在機實時給出工件加工質(zhì)量報告情萤。通過在機修正工件加工路徑鸭蛙，提高工件制造合格率和加工效率。

關鍵詞：數(shù)控機床筋岛；在機檢測娶视；復合測頭；模型重構

在先進制造技術領域中,復雜精密零件制造加工水平占有重要地位睁宰。裝備整體性能取決于關鍵重要部件的整體加工水平肪获。實施加工過程質(zhì)量監(jiān)測和控制是確保和提升復雜精密零件加工水平的關鍵。近年來柒傻，國外在數(shù)控機床在機檢測技術領域開展了一些探索和研究工作孝赫。具有代表性的企業(yè)是英國雷尼紹公司，該公司開發(fā)了多種型號的在機觸發(fā)式測頭裝置嘶逝，并且被廣泛應用于制造加工領域中易颊。雷尼紹公司開發(fā)了OMP(RMP)和TP系列在機自動測頭及測量軟件系統(tǒng)，可以實現(xiàn)加工生產(chǎn)線上加工誤差的自動觸發(fā)式測量拄抄。但是這些測量系統(tǒng)仍然存在著數(shù)據(jù)后處理能力不夠完善除搞，尤其對復雜型面測量實現(xiàn)困難等問題。

美國Ng HUNG教授等研究了離線檢測自動編程方法徽探，但需要對工件進行多次裝卡治东。韓國PAHK等研究了加工工件上的一些簡單的面、孔和槽等特征的精度檢測封豆， KyungDon KIM用觸發(fā)式測頭和測量G代碼實現(xiàn)兩軸半機床的尺寸測量缔禾，直接在機床上生成檢測程序。美國俄亥俄州立大學C H MENQ等在20世紀90年代初就提出了數(shù)控加工自由曲面檢測系統(tǒng)框架恢憋，并針對具有自由曲面特點型面特征的接觸式在機測量方法像样、模型匹配等問題進行了深入探討绷觉。然而大部分生產(chǎn)企業(yè)中，具有復雜結構和曲面特征的工件仍然沒有達到快速型面檢測和質(zhì)量實時控制要求莫辨。目前傲茄，我國制造加工領域仍然使用傳統(tǒng)的離線檢測模式，即按理論尺寸中差數(shù)控編程沮榜，加工結束后盘榨，送離線三坐標測量機檢測，當某些部位尺寸未到達精度要求時蟆融，需要重新返回到加工現(xiàn)場草巡，再次裝夾、找正型酥，再進行修正加工山憨。這種方式不僅極大地延長了生產(chǎn)周期，而且再此裝夾帶來的誤差也會造成嚴重的質(zhì)量隱患弥喉。

作者研究對復雜工件的數(shù)控加工過程進行監(jiān)測和控制的方法萍歉，縮短大型復雜工件的加工制造周期，改變現(xiàn)有制造加工領域手工檢測模式或離線抽檢模式的現(xiàn)狀档桃。不同于上述傳統(tǒng)單一測量模式，該工件在機測量系統(tǒng)側重于實現(xiàn)加工工件在機自動化測量功能憔晒，以用于復雜工件生產(chǎn)的精密數(shù)控機床為平臺藻肄，通過集成現(xiàn)代高端光、機高降、電等檢測技術手段朝棉，采用自適應測點分布技術和自動路徑規(guī)劃等方法，在機動態(tài)完成加工工件的整體型面信息獲取及數(shù)據(jù)后處理操作殷淮，實現(xiàn)工件加工尺寸的快速實時測量沧牧，便于加工誤差分析。

工件在機檢測系統(tǒng)與數(shù)控加工系統(tǒng)緊密結合两靖，其主要由數(shù)控機床费赋、復合式傳感器與嵌入式處理器、無線信號收發(fā)器耍俱、控制計算機及其測量軟件等組成尽瑰。數(shù)控機床作為測量運動驅(qū)動機構，其加工主軸從刀庫中自動取出復合式測頭裝置馒脏，并接收來自控制計算機的測量運動指令奠拢，對工件進行測量「柩停控制計算機通過無線收發(fā)器與復合式測頭無線連接瘟则，實時接收來自測頭的測量信息黎炉，同時它通過RS232串行接口與數(shù)控機床相連接，讀取機床的狀態(tài)和發(fā)送檢測控制命令醋拧】妒龋控制計算機最終通過模型反求和數(shù)據(jù)融合后處理，全自動高效率地完成復雜工件的在機質(zhì)量評估趁仙，數(shù)控機床在機測量系統(tǒng)如圖1所示洪添。

1 工件在機測量系統(tǒng)框架

在機測量系統(tǒng)采用觸發(fā)式測量方式以及信息光電傳輸?shù)染軝z測與處理技術，并與激光三角非接觸式測量方法相結合雀费，集成新一代在機嵌入式測頭干奢，為工件加工過程中的快速、精密尺寸測量提供可靠信息采集與信息預處理裝置盏袄》蘧控制計算機對兩種測量點云數(shù)據(jù)進行后處理操作，這個過程既可以離線完成辕羽，又可以在線進行逛尚。其主要內(nèi)容包括初始測量信息濾波、數(shù)據(jù)融合與補償計算刁愿、曲線重建街赊、曲面重建、模型驗證等宋旭。經(jīng)數(shù)據(jù)后處理算法分析后娘介，自動產(chǎn)生加工工件的實際加工尺寸三維數(shù)字模型，進而可以通過與標準加工CAD模型的比對枯橱，最終檢測結果以關鍵工件截面尺寸用载、位置度誤差報表等形式給出。該系統(tǒng)不僅可以完成孔狀粹岁、凸臺和凹槽等特征的檢測披蚕，還可以完成具有自由曲面或其他扭曲特征的復雜型面掃描。

2 在機測量復合測頭設計

傳統(tǒng)的在機測頭采用單一觸發(fā)方式實現(xiàn)高精度測量骂领，測量效率受到測量方式的制約讹渴。文中提出的在機測頭采用嵌入式復合結構設計方法，其集成了3個主要組成部分勤焕，即探針接觸式測量裝置脾膨、激光非接觸式測量裝置和測量信息處理中心。整體測頭結構的優(yōu)化配置既能保證不同測量數(shù)據(jù)的無干涉獲取疮丛，又能合理解決電源供給幔嫂、信號線連接和傳送問題，并便于從刀庫取誊薄、放和工作時的操作安全避障履恩。工件在機測量復合式測頭設計采用Pro/E工程軟件完成锰茉。

復合式測頭是集成了力學、光學及圖像測量原理的一種新型三維表面測量裝置切心。其中飒筑，探針接觸式測量裝置是由開關式感應器、探針和接觸球頭部分組成绽昏。在接觸球頭接觸到工件表面并達到一定壓力時协屡，作用力通過探針傳遞給開關式感應器，裝置就會立即反饋被測量位置信息全谤。激光非接觸式測量裝置主要由激光源肤晓、攝像機和圖像采集卡等部分組成。激光源在被測工件上打出線式光信息认然，然后通過單目攝像機來捕捉补憾，從而實現(xiàn)工件的主動式圖像特征提取。信息處理中心完成信息的濾波反俱、融合處理和信息無線傳遞等忱厨，為測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后處理提供可靠信息支持。后處理算法對測量點坐標進行補償炸一，完成各種尺寸及精度計算鲤瞪。用戶可以通過打開測量結果數(shù)據(jù)文件獲得測量點信息，并計算得到所測量目標表面三維信息值校槐。

在保證滿足測量精度要求的前提條件下吻蟹，提高測量效率是復合式測頭設計的要求。為提高測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度瀑乡，工件在機測頭采用嵌入式信息處理技術對測量數(shù)據(jù)進行預處理。

測頭嵌入式板卡以主頻720 MHz的TMS320DM642為主處理器晚沙，具有4M×8b 的SDRAM和4M×8b的Flash存儲器橙挽，具有上電自啟動功能。嵌入式板卡采用2通道的視頻輸入方式采集模擬攝像機信號喝赎，可編程配置異步串口的數(shù)據(jù)傳輸率冶驴，另外配置8通道的數(shù)字I/O實現(xiàn)系統(tǒng)中的開關輸入和輸出控制和10M/100MbaseTX標準的以太網(wǎng)接口。板卡設計工作溫度為0~70 ℃田炭，板卡機械尺寸較小师抄，大小僅為80 mm×80 mm，便于測頭結構小型化設計和操作便捷性教硫。

3 工件在機測量方法

3.1 工件在機測量步驟

復合式測量數(shù)據(jù)是通過無線傳感器傳遞給控制計算機的叨吮。測量數(shù)據(jù)分為激光點云掃描數(shù)據(jù)和探針點云探測數(shù)據(jù)兩種，其中探針點云探測數(shù)據(jù)由接觸式測量方式獲得瞬矩，該測量方式的特點是測量精度較高茶鉴，但是測量速度慢锋玲，因此點云數(shù)據(jù)稀疏；激光點云掃描數(shù)據(jù)采用非接觸的激光器和攝像機實現(xiàn)涵叮，具有測量速度快的優(yōu)勢惭蹂，測量信息較為稠密，但是測量數(shù)據(jù)精度相對較低割粮。兩種測量數(shù)據(jù)分別在不同時段獲得盾碗，數(shù)據(jù)由測量系統(tǒng)無線發(fā)送器發(fā)出后，由控制計算機的無線接收端實時接收和自動存儲舀瓢。在機測量系統(tǒng)依據(jù)測量型面的特征對測量點的數(shù)量廷雅、分布及測量進度進行動態(tài)規(guī)劃，并基于OpenGL三維引擎技術實現(xiàn)加工型面的三維繪制籍勘，從而為用戶提供直觀的測量交互界面城搀。為實現(xiàn)數(shù)控機床加工工件在線測量任務，在機檢測系統(tǒng)的基本操作步驟分為如下6個步驟：

（1）用戶通過控制計算機讀取待測工件的CAD標準數(shù)據(jù)挤胃；

（2）機床檢測狀態(tài)初始化诞茶；

（3）控制計算機向機床發(fā)送檢測控制命令，完成整個工件測量任務君博；

（4）讀取和顯示測量結果哆幸；

（5）數(shù)據(jù)后處理，根據(jù)不同工件特點實現(xiàn)曲面重建和模型驗證慧贩；

（6）生成數(shù)控加工修正G代碼凫体。

此外，用戶也可以根據(jù)測量需要抡悼，通過交互干預修改測點位置卿俺、數(shù)量以及測量路徑，從而獲得特定的測量方案和結果篮烈⊙账担控制計算機讀取的CAD標準數(shù)據(jù)主要是待測工件的三維模型信息，也就是工件加工所依據(jù)的設計尺寸汰聋。同時门粪，標準數(shù)據(jù)還包括工件關鍵截面尺寸和各部分加工精度要求，便于測量方式烹困、測量路徑規(guī)劃方法的選擇和后續(xù)測量結果的評價玄妈。

3.2 在機測量系統(tǒng)功能模塊組成

工件在機檢測系統(tǒng)采用獨立模塊化的開發(fā)方式，更有利于滿足用戶的選擇性需求髓梅。被測工件通常具有較多的圓孔拟蜻、凹槽、凸臺或自由曲面等不規(guī)則特征枯饿，其檢測過程結合多種測量方法和多次重復分區(qū)域測量是十分必要的瞭郑。在系統(tǒng)結構中辜御，控制計算機與數(shù)控加工設備的銜接是靠串口通訊實現(xiàn)的，并且通過無線收發(fā)器實時讀取檢測數(shù)據(jù)信息屈张。從數(shù)據(jù)接口擒权、坐標系映射、工藝流程指導3個環(huán)節(jié)建立完整的接口讽益，保證檢測環(huán)節(jié)與加工環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)工作逊床。數(shù)控加工在機檢測系統(tǒng)所涉及功能模塊。

系統(tǒng)功能模塊主要分為4個組成部分泞叉，其中接觸式測量蚪库、非接觸式測量及信息融合3個基本模塊構成了工件測量信息獲取及與處理部分；系統(tǒng)標定嫡决、機械結構應力分析人杜、測量包絡域分析和誤差補償構成測量系統(tǒng)自校正部分；數(shù)控加工控制坷疙、路徑規(guī)劃及各接口模塊構成測量系統(tǒng)的運動與信息傳輸部分皱蝙；數(shù)據(jù)處理、表面品質(zhì)評估與加工路徑修正等模塊構成測量系統(tǒng)的測量結果生成與顯示部分涕肪。上述測量系統(tǒng)的4個組成部分相互耦合連接矮层，信息共享，成為實現(xiàn)數(shù)控加工在機檢測的基本構成部分锌烫。

數(shù)控加工在機檢測系統(tǒng)模塊化設計不僅增加了用戶選擇產(chǎn)品的靈活性晓言，滿足不同精度和要求產(chǎn)品質(zhì)量的評估需求，同時也為在機檢測系統(tǒng)的升級和改進提供了方便啸盏。

從軟件實現(xiàn)角度重贺，將測量系統(tǒng)的功能模塊序列化和結構化是十分必要的，它不僅能夠更好地體現(xiàn)測量軟件設計思路回懦，而且使得各具體功能模塊的實現(xiàn)過程更加清晰檬姥。將軟件功能層次化，能夠根據(jù)操作流程理清軟件代碼編寫思路粉怕，提高軟件編寫質(zhì)量和速度。將工件在機檢測系統(tǒng)的軟件功能劃分為4個層次抒巢，其操作流程贫贝。

在機測量系統(tǒng)軟件共分為通訊層、算法層蛉谜、處理層和接口層4個層次稚晚。其中算法層設計為測量軟件功能實現(xiàn)的重點，包括了曲面重構型诚、誤差補償客燕、數(shù)據(jù)融合以及測頭姿態(tài)與檢測路徑規(guī)劃等重要核心算法的實現(xiàn)鸳劳；處理層和接口層為測量信息提供數(shù)據(jù)維護和顯示等操作；而通訊層實現(xiàn)數(shù)據(jù)或控制命令在各系統(tǒng)組成部分之間的傳遞张鸟。

為實現(xiàn)加工過程自動化念澜，依據(jù)加工工件檢測評估結果，控制計算機檢測軟件會根據(jù)不同數(shù)控加工系統(tǒng)的需求牌度，生成相應的加工刀具位姿和加工路徑修正G代碼禾样，并作為另一種檢測結果形式傳遞給機床。這種工件在機檢測與修正加工路徑相結合的一體化加工系統(tǒng)揖蜒，進一步提高了數(shù)控加工復雜工件的效率怨瑰。

3.3 工件在機測量實現(xiàn)過程

測量數(shù)據(jù)融合處理是該測量系統(tǒng)的一個重要特點。工件測量方式的選擇需要綜合考慮很多因素升诡，其中包括測量精度要求惨琼、測量時間、測量環(huán)境页函、待測工件的復雜程度涧馋、待測工件的表面粗糙度和材質(zhì)硬度等。文中提出的復合式測量方法根據(jù)上述具體情況采用不同的測量規(guī)劃方法蕴来。對于測量速度要求較高沪识、而測量精度不高的粗加工件，通常主要由激光非接觸式測量完成娱局。尤其是對于蠟模和材質(zhì)相對較軟的工件彰亥，激光非接觸式測量方法具有保護加工件不被測具破壞的優(yōu)點。對于大部分精密合金工件衰齐，其局部尺寸特征會影響到整個工件的工作性能任斋，這些關鍵型面由測頭探針進行接觸式重復測量，保證加工精度耻涛。這樣废酷，激光測量結果經(jīng)過信息濾波和平滑處理后，其邊緣特征抹缕、局部遮擋特征和關鍵型面特征都可以由探針測量數(shù)據(jù)進行補償和校正澈蟆。工件在機測量實現(xiàn)過程。

數(shù)控加工工件在機測量系統(tǒng)按測量要求自動生成測量控制指令卓研，并由控制計算機通過串行通訊方式傳遞給機床數(shù)控加工系統(tǒng)趴俘。從圖6中可見，一條測量控制指令的生成過程需要滿足系統(tǒng)規(guī)則奏赘，首先測量系統(tǒng)驅(qū)動加工主軸在刀庫中選擇復合式測頭寥闪，并在控制計算機與測頭間建立無線通訊連接；測量系統(tǒng)參數(shù)精確標定和激光自動掃描路徑規(guī)劃G代碼傳遞；機床驅(qū)動主軸椭梁，對工件進行非接觸式激光測量逼读；手動進行探針接觸式測量點選取，生成接觸式測量路徑和G代碼傳遞捻奉；機床驅(qū)動主軸青先，對工件進行接觸式探針測量；最終進行工件測量信息完整性確認肘何，對不滿足測量要求的區(qū)域進行測量方式調(diào)整和補測或重測矫震。

4 工件測量三維模型重構實驗結果

為實施文中提出的在機工件測量方案，基于FUNAC 0i數(shù)控系統(tǒng)和VMC0851型號數(shù)控加工中心平臺艰膀，加工制作了新型復合式在機測頭控屡，并完成了典型具有孔、面和階梯塊基本特征工件的在機測量辫田，其實際測量過程中的截圖見圖7峻维。控制計算機通過無線網(wǎng)絡接受來自測頭的測量信息嚎论，并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)預處理及工件三維模型重構桐猬，模型重構結果與工件設計加工CAD標準型面尺寸做誤差比較分析后，生成加工誤差報告刽肠。

5 結論

本文研究了一種用于數(shù)控加工機床的工件在機檢測技術問題溃肪。本文的主要貢獻在于：提出了一種新型的工件表面尺寸在機測量方法，將檢測技術融于數(shù)控加工的過程之中音五，采用在機測量的方式惫撰，及時發(fā)現(xiàn)工件加工過程型面尺寸缺陷，并反饋給數(shù)控加工系統(tǒng)躺涝。該系統(tǒng)能及時修正加工過程誤差和隨機誤差厨钻，以改變機床的運動參數(shù)，更好地保證加工質(zhì)量坚嗜，促進加工與測量一體化發(fā)展夯膀。研究不同特征型面的復合式測量運動路徑規(guī)劃合理性是下一步工作的重點。

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