虛擬式加工中心在線檢測儀*

黃光亮 秦樹人

（重慶大學測試中心，重慶 400030）

檢測是制造過程中極其重要的一個環節，如何提高檢測效率、縮短檢測時間越來越成為制造業關注的焦點。傳統的檢測方法是離線檢測，將工件從機床上卸下，在測量設備上檢測完后裝回機床再加工。這樣需要耗費大量的時間在工件裝卸和坐標找正上，而且還會產生人為誤差。在線檢測是將測頭安裝在機床主軸上，由測量程序控制測頭自動完成檢測。在線檢測能大幅度地減少測量時間，避免二次裝夾誤差并提高機床的精度保持性。

文獻［1-3］對在線檢測系統及其軟件進行了研究，但或被測工件信息的獲取過于繁瑣或沒有考慮測量結果的誤差補償。文獻［4-5］開發了基于Auto-CAD的加工中心在線檢測系統，用二次開發工具ObjectARX獲取被測工件信息，但各個功能模塊并沒有統一起來使其成為一個整體。文獻［6］將虛擬儀器技術用于尺寸測量，對虛擬式的工件檢測儀進行了有益的探索，但采用的是離線測量的方式且檢測對象僅限于幾何尺寸。本文利用虛擬儀器技術，整合各功能模塊，使在線檢測系統統一為儀器的形式，并對整個檢測系統產生的誤差進行補償。

1 在線檢測系統構建

本文將虛擬式檢測儀與加工中心的在線檢測技術相結合，構建一個完整的在線檢測系統，結構如圖1所示［7］。它由五部分組成：機床本體、CNC系統、伺服系統、測頭系統和檢測儀。

在線檢測系統的構建主要是將測頭系統與加工中心的CNC系統相連接：先將測頭裝在刀柄上，再把測頭像刀具一樣置于刀庫中或安裝在主軸上，然后將測頭的數據線經接收器連接到加工中心的數控系統，對測頭進行校正后即可進行檢測。

系統主要用于實現工件序后的在線檢測。檢測儀首先從工件的CAD圖上讀取零件信息，選擇測量對象（圓孔、凸臺等）并自動生成測量主宏程序。如果是序中檢測，測量的工件關鍵信息可以手動輸入。檢測儀將測量程序由RS232串行通信接口上傳給數控系統。數控系統執行測量程序，伺服系統驅動運動部件帶動測頭按規定的路徑向測量點運動，當測球接觸工件時發出觸發信號［7］。該信號通過測頭與數控系統的專用接口傳到接收器，轉換后傳給機床的控制系統，機床停止運動，接觸點的坐標值被記錄下來，然后程序再控制測頭進行下一個測量動作。這些被記錄下來的數據可以通過RS232立刻回傳檢測儀，也可以先在數控系統中存儲起來，待全部測量點都檢測完成后一起回傳。檢測儀對測量結果修正后可進行評定或可視化等數據處理工作。

2 檢測儀的軟件開發

系統軟件設計是檢測儀開發的關鍵。按照檢測儀的工作原理，把檢測儀的功能分為CAD圖形交換、宏程序生成、測量仿真、通信、數據分析、結果輸出和文件保存回放7個主要功能模塊，如圖2所示。

檢測儀選用集成開發環境VC++6.0開發，圖3為開發完成的檢測儀主界面。下面對各主要功能模塊進行介紹。

2.1 圖形交互模塊

絕大多數的零件圖是用AutoCAD繪制的，從CAD圖中獲取工件的檢測信息，可以保證設計、加工、檢測的延續性。DXF（Drawing Exchange File）是一種圖形信息交換文件，以ASCII碼格式保存繪圖信息，通常作為高級語言編寫程序的接口。DXF文件由順序出現的七大段組成：標題段、類段、表段、塊段、實體段、對象段和結束段［8］。與零件尺寸有關的信息只包含在實體段（ENTITIES）中，其他段可以忽略。

圖形交互模塊從實體段讀取直線、多段線、圓弧、圓等圖元信息，并提取繪圖邊界信息。從繪圖區大小和檢測儀屏幕區大小獲得一個比例，將各圖元按比例重繪于檢測儀。在檢測儀屏幕上選取測量信息（直徑、寬度、高度等）時，通過比例可以得到較準確的實際值。

2.2 宏程序生成模塊

宏程序生成模塊把從圖形交互模塊中獲得的零件信息作為變量生成檢測主宏程序，可以完成圓心直徑、寬度、平面位置、高度/深度、孔心距、直線度、平面度和圓度的檢測，如圖4所示。

宏程序編寫時應規劃合理的測量路徑，避免測頭提前觸發影響測量結果。最典型的是圓心和直徑的測量，如果路徑規劃不合理很容易將弦長當成直徑。同時測頭應該與工件作兩次接觸，先高速與工件接觸以定位，退回一小段距離后以較低的速度接觸，取第二次接觸的主軸坐標。

2.3 仿真模塊

仿真模塊可以在檢測前對實際檢測中測頭的運動路徑進行模擬，避免實際檢測過程中對測頭系統造成的破壞。仿真模塊以OpenGL作為場景開發工具，以圖形化的方式再現加工中心的在線檢測過程。

2.4 通信模塊

檢測儀通過RS232串行接口與CNC系統通信，接口有9針-9針和9針-25針兩種，采用XON/XOFF通信協議，通信開始前應使接收方處于準備好狀態。通信模塊主要實現測量宏程序的上傳和檢測數據的回傳功能。

2.5 數據處理模塊

宏程序中只適合作簡單的尺寸運算，如果將復雜的運算放在宏程序中進行，如平面度、圓度的計算，會占用工控機大量的處理時間，大大降低測量的效率，所以把數據處理作為一個模塊從宏程序中獨立出來，利用計算機強大的性能進行計算。

數據處理模塊對從通信模塊獲得的數據進行誤差補償后，用適當的算法對檢測數據進行處理。直線度誤差的評定方法中，最小二乘法是比較通用的算法，易于轉換成計算機程序；最小區域法符合最小條件。直線度誤差同時采用最小二乘法和最小區域法評定［9-10］，對評定結果取其小者。平面度誤差評定中，最小包容區域法符合最小條件，但難用解析法求出，最小二乘法便于采用計算機對數據進行處理和計算，在測量數據比較多時，更加方便和快捷。所以平面度誤差用最小二乘法評定［11］。圓度誤差也采用最小二乘法評定，因為測量圓度誤差時測量點在圓周均布，即角度增量相同，適合用最小二乘法進行擬合，并且最小二乘法能確定唯一的圓心和半徑［12］。

2.6 結果輸出模塊

結果輸出模塊對數據處理的結果與設計要求進行對比評定，以表格的形式顯示及打印，形成檢測報告。

2.7 保存和回放模塊

對于采集到的數據需要根據檢測任務的不同，按照不同的文件名加以區分保存，否則檢測的數據多了以后后續處理時難以區分?；胤殴δ苤饕菍Ρ４娴臄祿x取，以進行后續分析處理。

3 誤差分析與補償

如果直接對采集回來的數據進行分析，得出的結果會產生較大的誤差。檢測儀的精度受加工中心固有誤差、測頭系統誤差和評定算法誤差三方面因素的影響。加工中心的誤差包括幾何誤差和熱誤差，其辨識和補償方法見文獻［13-14］。下面著重分析測頭誤差和評定算法誤差。

3.1 測頭誤差與標定

測頭誤差形成原因是測頭存在機械滯后和信號傳輸及電氣接口處理滯后，測頭在剛接觸工件時并不產生觸發信號，而是在測頭偏移其“零位”自由狀態一段距離后才發出觸發信號。預行程誤差和測頭重復定位誤差稱為測頭靜態誤差，隨機動態誤差和動態誤差稱為測頭動態誤差，其中對測量精度影響最大的是預行程誤差［15］。通過測頭的標定可以對這些誤差項進行補償。測頭標定包括有效直徑、偏心量和測頭長度。

3.1.1 測頭有效直徑標定

由于預行程誤差的存在，測球剛接觸工件時測頭并沒有被觸發，而是測頭（或工作臺）繼續產生一定位移量之后才會觸發。如圖5所示，A位置為“零位”自由狀態，B位置為觸發狀態，可以認為距離d就是測頭的預行程誤差。

對測頭觸發時的力學模型進行分析后可知預行程誤差與觸發方位角、測桿長度、測球直徑、測頭彈性模量等參數有關［16］?？梢源_定各個參數后根據相關公式計算出預行程誤差，再在測量結果中補償。但是確定各個參數時也會產生誤差并且效率也不高。下面介紹一種可行的確定預行程誤差的新方法。

如圖5，當測頭在B位置觸發時，相當于C位置點劃線所示的測頭與處于A位置的工件剛接觸時就產生觸發信號，即C測頭處于“零位”自由狀態。此時C測球的直徑變為2d，它并不是測球的真實直徑，故稱其為有效直徑。只要標定了有效直徑就可以對預行程誤差進行補償。

有效直徑可以用環規來標定。如圖6a所示，環規孔的準確直徑為D，使測球位于環規孔的圓心，分別在Y方向的1和2位置觸發，觸發時的坐標值為Y1和Y2，則Y方向的有效直徑為D-|Y1-Y2|。有效直徑隨測頭方位角的不同會有所改變，可以在檢測前先對該方向上的有效直徑進行標定。

3.1.2 測頭偏心標定

測頭安裝時很難保證測球中心與加工中心主軸的回轉中心完全一致，而測頭觸發時記錄的是主軸的位置坐標，所以需要標定對測球中心與機床主軸中心的偏心量，用以對主軸坐標進行補償。如圖6b所示，環規孔中心坐標為X0、Y0，加工中心X軸、Y軸準確定位于孔心位置，測頭分別在Y方向1、2位置觸發，X方向3、4位置觸發，得到兩個方向的中點值X1、Y1，則偏心量 !x=|X0-X1|，!y=|Y0-Y1|。

3.1.3 測頭長度標定

在進行Z軸方向的測量時，如果不知道準確的測頭長度補償值，將無法得到準確的測量結果，所以要對測頭長度進行標定。測頭長度可以用已知Z平面坐標位置的工件來標定：使測頭在Z方向觸發，將觸發時Z軸坐標值減去原刀具長度補償值和標定用Z面的值便可獲得測頭長度。

3.2 評定算法誤差與補償

檢測儀對直線度、平面度、圓度等形狀誤差的評定需要用到特定的算法，這些算法對檢測的數據有一定的要求，否則也會產生較大的誤差。

直線度可以用最小二乘法和最小包容區域法評定。最小區域法符合最小條件，但當數據點不在某一軸的附近分布時，會產生較大的誤差，不能作為評定的依據。如圖7所示，平行線a和b確定數據點最小包容區域，c是最小二乘擬合直線。由最小二乘法確定的直線度誤差為d1+d2，最小區域法確定的直線度誤差為d，很顯然d＞d1+d2。

圓度誤差的評定是用測量數據點與最小二乘擬合圓在兩個方向上進行比較，取與最小二乘圓距離最大的兩點之和。實際上是把雞心線的內切圓當作最小二乘圓［17］。因為圓度測量時是等角間距采樣，所以當采樣點數較少時，雞心線形狀明顯，這種情況下所擬合的最小二乘圓誤差比較大。因此應該增加采樣點數來減小用最小二乘法擬合圓帶來的誤差。

3.3 實測驗證

將檢測儀用于加工中心上進行測量，檢測結果經誤差補償后，與三坐標測量機（CMM）測量結果和無誤差補償的測量結果進行比較，如表1所示。表明經誤差補償后檢測儀的測量精度得到了提高。

表1 測量結果比較 mm

4 結語

加工中心在線檢測儀繼承了虛擬儀器的優點，從工件CAD圖獲取測量信息，自動生成測量宏程序，宏程序上傳機床后，機床帶動測頭自動完成測量。測量數據回傳檢測儀，分析后給出檢測結果，避免了二次裝夾誤差。對測頭系統和評定算法誤差進行了分析，提出了誤差補償的方法。驗證表明，虛擬式的在線檢測儀能夠完成較高精度的測量。

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