在机测量的应用过程

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。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。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。