1概述
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)測頭作為在機測量工具時，機床的坐標(biāo)精度直接影響測量精度。本文通過在機測量過程機床運動鏈分析，并以特征分析法來處理測頭的內(nèi)部誤差，用軟件補償法提高測量精度。
2在線檢測過程的運動鏈分析
在線檢測過程的運動鏈與加工過程相似，其區(qū)別是將刀具替換成測頭。根據(jù)機床幾何誤差補償技術(shù)分析，將包括機床在內(nèi)的在機測量系統(tǒng)抽象提煉，以低序體陣列形式描述機床拓補結(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）
構(gòu)成計算測頭測球中心定位誤差模型為
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)主要為機床的幾何誤差，通過參數(shù)辨識的方法（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)
在機測頭測量的基本要素為點、線、面，由此構(gòu)成形位尺寸的測量。在測量過程中，機床坐標(biāo)反映的測頭測球位置，當(dāng)處理和補償測頭誤差時，以測點的法線方向為依據(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），其它的誤差項如動態(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、線、直線距離和坐標(biāo)系。
2）簡單組合測量：主要包括鍵槽、臺階、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)
（1）測量過程
以下為測量Z方向一個點的程序段： (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）G01 P10；（暫停）#12=#4014；（取當(dāng)前坐標(biāo)系號）#100=#5063;（讀觸發(fā)時Z坐標(biāo)）#101=#［2700+#12］+#100;（把觸發(fā)坐標(biāo)換算成機床坐標(biāo)）#102=#101-#506;(計算刀長測量值）#2010=#102;(把刀長值送給指定刀編號：10號）(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，但機械式觸發(fā)測量系統(tǒng)的效率較低，建議采用模擬測頭。
4.檢測誤差補償實驗
本實驗采用機床校驗標(biāo)準(zhǔn)試件（圖3），MAKINO FANUC86—A20三坐標(biāo)立式加工中心上實現(xiàn)。采用Renishaw MP3型機械式觸發(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)與微機相連接，測量數(shù)據(jù)在微機上進行后處理。該試件在MITUTOYO—BLN231三坐標(biāo)測量機上用PH6觸發(fā)式測頭進行測量驗證。在無補償、有坐標(biāo)和測頭誤差補償以及三坐標(biāo)測量機的測量結(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)和測頭誤差補償后測量結(jié)果 |
213.920 |
123.839 |
14.945 |
245.247 |
| 三坐標(biāo)測量機測量結(jié)果 |
213.922 |
123.841 |
14.946 |
245.250 |
5.結(jié)論
隨著計算機集成技術(shù)在機械制造業(yè)應(yīng)用的不斷深入，機械制造從勞動力密集型往技術(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。機械式觸發(fā)測頭價格低廉、可靠性高等優(yōu)點為廣大用戶所接受，國內(nèi)有多家供應(yīng)商。本文重點介紹的在機測量誤差處理方法，利用軟件補償法提高測量精度，通過補償前后與三坐標(biāo)測量機的實驗數(shù)據(jù)對比，表明補償效果良好。該方法有一定的普遍性，適合其它類型的測頭誤差處理。
