（机械制造及其自动化专业论文）在机检测系统中若干关键技术的研究.pdf

摘要 随着制造技术及精密测量技术的发展，传统的手工测量方式及以三坐标测量 机为代表的自动化离线测量方式逐渐表现出其缺点和不足。在机检测系统作为一 种在线测量方式因其明显的优势应运而生。 在机检测系统是一种在加工中心上利用高精度接触式测头实现工件加工质 量自动检测的系统。该系统将加工中心的数控加工功能和三坐标测量装置的质量 检测功能结合在一起，使加工中心具有工件加工质量检测的功能。为了实现在机 检测系统中接触式测量中的测头半径的空间补偿、实际工件与其c a d 模型的对 齐及测量程序的上传和检测结果的下载，本文主要完成了以下几方面工作： 1 以最小二乘拟合理论为基础，研究了触发式测头半径标定的数学模型并 推导出在标准球上进行测头标定的算法。然后以b 样条曲线曲面理论为基础， 研究了自由曲线曲面的最小二乘逼近算法，根据自由曲面上任意一点法矢的计算 方法推导出自由曲面任意一点的半径补偿算法。 2 研究了多种基本工件坐标系的建立方法，给出了空间直线、平面及空间 圆的最小二乘拟合算法。研究了基本测量中工件坐标系与机床坐标系间的坐标变 换数学模型，更换测头系统配置情况下工件坐标系与基准坐标系间的坐标变换数 学模型及多个局部工件坐标系间的坐标变换数学模型。 3 研究了在机检测系统中的串口和网口通信技术。根据串口文件传输的特 点自定义了串口文件传输协议并研究了串口通信中的多线程技术。然后以m f c 中的c s o c k e t 和c a s y n c s o c k e t 类为基础研究了网口通信技术，在利用多线程技 术及文件传输控制协议的基础上引入了改进的轮询机制提高了文件传输的效率。 基于v c + + 平台分别开发了在机检测系统的串口和网口通信模块。 4 在t d n c w 2 0 0 加工中心上进行了在机检测实验。通过对复合式凸轮的 端面凸轮轮廓的测量，验证了本文研究的算法和开发程序的正确性和可靠性。 关键词： 在机检测系统测头标定半径补偿工件坐标系通信技术 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n dp r e c i s i o nm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a lm a n u a lm e a s u r e m e n tm e t h o da n dt h ea u t o m a t i co f f - l i n e m e a s u r e m e n tm e t h o d ，w h i c hi sc h a r a c t e r i z e db yc o o r d i n a t em e a s u r e m e mm a c h i n e ， g r a d u a l l yr e v e a lt h e i rs h o r t c o m i n g s a n dw e a k n e s s e s t h e r e f o r e ，d u et oi t sc l e a r a d v a n t a g e s ，t h eo n - m a c h i n ev e r i f i c a t i o ns y s t e m ，a sa k i n do fo n - l i n em e a s u r e m e n t m e t h o d ，f i n a l l yc o m e si n t ob e i n g 、t h eo n m a c h i n ev e r i f i c a t i o ns y s t e mi sak i n do fv e r i f i c a t i o ns y s t e mw h i c h e m p l o y st h ec o n t a c tp r o b e a tc n ct oa u t o m a t i c a l l yv e r i f yt h eq u a l i t yo ft h ew o r k p i e c e t i f f ss v s t e mc o m b i n e st h ep r o c e s s i n gf u n c t i o no fn u m e r i c a lc o n t r o la tc n c a n dt h e q u a u t yv e r i f i c a t i o nf u n c t i o no fc o o r d i n a t em e a s u r e m e n td e v i c e st o e n a b l ec n ct o v e r i f yt h eq u a l i t yo ft h ew o r k p i e c e i no r d e rt or e a l i z et h es p a c ec o m p e n s a t i o n o ft h e p r o b er a d i u si nc o n t a c tm e a s u r e m e n ti no n - m a c h i n ev e r i f i c a t i o ns y s t e ma n dt h e a l i g n m e n to ft h ea c t u a lw o r k p i e c ea n dc a d m o d e la sw e l la st h eu p l o a d i n go ft h e m e a s u r e m e n tp r o g r a m sa n dt h ed o w n l o a d i n go ft h ev e r i f i c a t i o nr e s u l t s ，t h i sp a p e rw a s g o i n g t od ot h er e s e a r c hm a i n l yf o c u s i n go nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h er a d i u sc a l i b r a t i o no ft h e t r i g g e rp r o b ea n dd e d u c e dt h ea l g o r i t h mo ft h ep r o b ec a l i b r a t i o no n t h es t a n d a r d s p h e r eo nt h eb a s i so ft h el e a s ts q u a r ef i t t i n gt h e o r y ；a l s o ，s o m er e s e a r c hw e r e c a r r i e do u to nt h el e a s ts q u a r ea p p r o x i m a t i o na l g o r i t h mo f t h ef r e ec u i v ea n ds u r f a c e i na c c o r d a n c ew i t ht h eb s p l i n ec u l w ea n ds u r f a c et h e o r y m o r e o v e r , t h er a d i u s c o m p e n s a t i o na l g o r i t h mo ft h ea r b i t r a r yp o i n to nt h ef r e e c u r v ea n ds u r f a c ew a s d e d u c e db a s e do nt h en o r m a lv e c t o rc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h ea r b i t r a r yp o i n to nt h e f r e ec u l w ea n ds u r f a c e 2 t h ep a p e ra l s os t u d i e dt h ee s t a b l i s h i n gm e t h o d s o fv a r i o u sw o r k p i e c e c o o r d i n a t es y g e m sa n dd e d u c e dt h el e a s ts q u a r ef i t t i n ga l g o r i t h mo f t h es p a c el i n e ， s u r f a c ea n ds p a t i a lc i r c l e ；i na d d i t i o n r e s e a r c h w e r ea l s oc o n d u c t e do nt l l e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e c o o r d i n a t e t r a n s f o r r n a t i o nb e t w e e nt h ew o r k p i e c e c o o r d i n a t es y s t e mi nf u n d a m e n t a lm e a s u r e m e n ta n dt h em a c h i n ec o o r d i n a t es y s t e m p l u s 恤m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nt h ew o r k p i e c e c o o r d i n a t eu n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fc h a n g i n gt h ep r o b es y s t e mc o n f i g u r a t i o na n d r e ：f e r e n c ec o o r d i n a t es y s t e ma sw e l la st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o nb e t w e e ns e v e r a ll o c a lw o r k p i e c ec o o r d i n a t es y s t e m s 3 r e s e a r c hw e r em a d eo nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo fs e r i a lp o r ta n dn e tp o r t i no n m a c h i n ev e r i f i c a t i o ns y s t e m ；a n dt h ef i l et r a n s m i s s i o np r o t o c o lw a ss e l f - d e f m e d i nt h el i g h to ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i l et r a n s m i s s i o n ；m o r e o v e r , t h i sp a p e ra l s o s t u d i e dt h em u l t i t h r e a dt e c h n o l o g yo ft h es e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n ；t h e no nt h eb a s i s o ft h ec s o c k e tc l a s sa n da s y n c s o c k e tc l a s si nm f c ，s o m er e s e a r c hw e r ec a r r i e do u t o nn e tp o r tc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ；f u r t h e r m o r e ，o nt h eg r o u n d so fm u l t i t h r e a d t e c h n o l o g ya n df i l et r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，t h ei m p r o v e dp o l l i n gm e c h a n i s m ， w h i c hp r o m o t e st h ee f f e c t i v e n e s so ff i l et r a n s m i s s i o n ，w e r ei n t r o d u c e d ；f i n a l l y , t h e s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dt h en e tp o r tc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei nt h e o n - m a c h i n ev e r i f i c a t i o ns y s t e mw e r er e s p e c t i v e l yd e v e l o p e do nt h eb a s i so fv c + + p l a t f o r m 4 o n - m a c h i n ev e r i f i c a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u to nt d n c - w 2 0 0 m a c h i n ec e n t e r t h ec o r r e c t n e s sa n dr e l i a b i l i t yo ft h ea l g o r i t h ma n dp r o g r a mr e s e a r c h b yt h i sp a p e rb ym e a s u r i n gt h ep r o f i l eo ft h ee d g ec a mo fc o m p o s i t e dc a m k e yw o r d s ：o n - m a c h i n ev e r i f i c a t i o n s y s t e m ，p r o b ec a l i b r a t i o n ，r a d i u s c o m p e n s a t i o n ，w o r k p i e c ec o o r d i n a t es y s t e m ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁叠叁堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 弓1 健 签字日期： 2 妒夕年乡月4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞基堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： ；，l 眨 签字日期：知节年夕月4 日 新魏勺冷专 签字! 羽：7 m 罗年月。日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 2 l 世纪的制造技术正朝着精密化、自动化、信息化、柔性化、集成化和智 能化的方向发展。先进制造技术作为支撑一个国家综合国力的基础产业的基础， 已经越来越备受世界各国的关注，并被视为面向2 1 世纪参与国际竞争的前提和 保证。国际竞争主要是制造技术的竞争，没有先进的制造技术，就没有发达的制 造业。与先进制造技术相伴而生的是制造技术的高效率、高精度和高质量。自动 化生产过程中的许多信息需要通过检测来提供，生产中出现的各种故障要通过检 测去发现和防止，所要求的精度也要靠检测来保证。没有可靠的高效的检测就没 有现代自动化，便没有高效率、高精度和高质量【l 】。 另一方面，数控机床及数控加工中心作为高技术的产物其应用范围越来越广 泛。特别是高端多轴联动加工中心作为数字化制造系统的基础装备，在各种高技 术装备的制造中备受青睐。要充分发挥加工中心的作用，必须减少停机时间，提 高设备利用率。而每当一批零件开始加工时，有大量的检测需要完成，包括夹具 和零件的装卡、找正、零件编程原点的测定、首件零件的检测、工序间检测及加 工完毕检测等，这些都是非常耗费时间的过程。目前完成这些检测工作的主要手 段有手工检测、离线检测和在线检测【2 】。 手工检测是指质检人员使用手动测量仪( 如卡尺、千分表等) 获取要求的质 量数据，填写相应的质检单，然后将数据输入到计算机进行处理。这种方式虽然 操作简单、经济但是费工费时且容易出错。在制造质量日益提高的今天，这种测 量方式已不能满足高精度制造的要求。 随着机床、汽车、航空航天和电子工业的兴起，各种复杂零件的研制和生产 需要先进的检测技术。传统的手工检测方式越来越暴露出它的不足，因而以三坐 标测量机为代表的自动化离线测量方式应运而生。三坐标测量机基于坐标测量原 理，其工作原理是将被测物体置于其测量空间，获取被测物体上各测点的坐标位 置，经过数学运算求出被测物体的几何尺寸，形状和位置。 三坐标测量机作为种高效的精密测量仪器被广泛地应用于机械制造、电 子、汽车和航空航天等工业中。它可以进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置 的检测，例如箱体、导轨、涡轮和叶片、缸体、凸轮、齿轮等空间型面的测量。 此外，还可以用于划线、定中心孔、光刻集成线路等，并可对连续曲面进行扫描 第一章绪论 及制备数控机床的加工程序等【3 】。三坐标测量机作为一种通用性强、自动化程度 高、高精度的测量系统在先进制造技术与科学研究中有极广的应用。科技与生产 的发展对三坐标测量机不断提出新的更高要求【4 】。 虽然三坐标测量机优点很多，但是其工作方式是离线的测量方式。采用三坐 标测量机测量的结果虽然精度很高但在工业界实际使用这种设备时，面临的是大 量的工件加工过程，尤其是复杂工件加工过程中的检测问题。其检测方法是：首 先将工件从机床工作台上拆卸下来，安装在三坐标测量机上进行检测，然后，将 检测完的工件再放回到机床上，这就需要再一次对齐和装夹。对于大型工件，例 如航空结构件、汽车覆盖件的冲压模具或是大型的注塑模具来说，移动起来非常 困难。这与先进制造的高效率相违背。 在线检测也称实时检测，是指在加工的过程中实时对工件进行检测，并依据 检测的结果做出相应的处理，这种方法不需要将工件从加工机床上搬运下来即可 完成检测过程。在线检测是一种基于计算机自动控制的检测技术，其检测过程由 数控程序来控制【5 j 。 数控机床在线检测技术使得测量方式由线外测量过渡到了在线测量。将测量 和加工组成统一的工艺系统整体，不仅可有助于调整加工方法，而且还能对一些 工艺参数的变化进行连续的感测，使这些参数通过在不同的阶段进行反馈与预 报，使之保持在预定的最佳范围内。这种测量方式能够保证数控机床精度，扩大 数控机床功能，改善数控机床性能，提高数控机床效率。实现了加工前、加工中 和加工后的高精度自动测量，避免了由于多次装夹引起的误差，大大减少了辅助 时间，实现复杂空间型面高精度，高效率的在线加工。保证了机床的工作状态及 加工精度、降低了废品率。因此，数控机床在线测量技术不仅是柔性加工的重要 监测手段之一，而且其所带来的经济效益也日益成为人们非常关注的焦点。 但需要指出的是，在线检测一词更多地表达的是在不停机情况下的检测，即 加工的同时进行工件检测。而对于工件的形位误差如圆柱度、复合位置度及轮廓 度等的检测与评定，在机床处于加工的状态下是不能完成的。国内虽然关于这方 面的研究仍然沿用“在线检测 这一叫法但其实已经脱离在线检测一词的原意。 在机检测是指在完成工件的加工后，在不改变工件装夹状况的情况下，在数控机 床上用三坐标测头对已加工表面进行测量并对其几何误差进行评定。 1 2 在机检测系统 在机检测系统( o nm a c h i n ev e r i f i c a t i o ns y s t e m ，o m v s ) 是指在数控机床上利 用高精度测头实现工件的自动检测的系统。即将数控机床上的数控加工功能和三 2 第章绪论 坐标测量装置的质量检测功能结合在一起，使数控机床具有零件质量检测的功 能。这种方法在零件加工过程中可以随时检查工件的质量，同时，不再需要将工 件从机床搬到检测设备上，保证了工件的加工精度，提高了加工过程的生产效率。 1 2 1 加工中心实现在机测量的基本原理 实现数控机床的在机检测，首先要在上位机端的在机检测软件中自动生成数 控检测程序，将检测程序由通信接口传输给数控机床。数控检测程序中包括用于 数控系统控制测头启动与关闭的m 代码及用于数控系统控制测头测量目标点的 g 代码。数控系统按照接收到的数控程序启动测头并控制测头按程序规定路径运 动，当测球接触工件时发出触发信号，通过测头与数控系统的专用接口将触发信 号传到转换器，并将触发信号转换后传给机床的控制系统，该点的坐标被记录下 来。信号被c n c 装置接收后，机床停止运动，测量点的坐标被保存到指定目录 下的文件中，然后进行下一个测量动作直到所有测量任务完成。然后，数控系统 将保存的测量点坐标信息文件通过通信接口传送给用户计算机。用户计算机通过 监测c n c 系统返回的测量值，可对系统测量结果进行误差补偿、误差评定及误 差评定结果可视化输出及生成误差评定报告等。 1 2 2 加工中心实现在机检测的可行性 当今数控系统正朝着多功能、智能化及开放性方向发展。数控系统的扩展性 和兼容性较好，使一台数控机床附带一定精度的坐标测量机的功能是可能的。数 控设备的核心是由计算机硬件和软件组成的计算机数控装置，即c n c ( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 。要实现数控设备的二次开发关键在于c n c 装置的开放程度。 f a n u c0 系统及s i m e n s 8 1 0 等系统都是专用的封闭式体系结构的数控系 统。尽管也可以由用户做人机界面，但必须使用专门的开发工具。开发耗费较多 的人力，且对它的功能扩展、改变和维护都必须求助于系统供应商【6 】。而 f a n u c l8 1 1 6 1 系统、s i m e n s 8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统及a b 9 3 6 0 等数控系 统，是由于其制造商不愿意放弃积累的数控软件技术，又想利用计算机丰富的软 件资源而开发的产品。尽管它也具有一定的开放性，但由于它的n c 部分仍然是 传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。用户无法介入数控系统的核心。 由开放体系结构运动控制卡+ p c 机构成n c 嵌入p c 结构式数控系统，由于 其开放的函数库可供用户在w m d o w s 平台下自行开发构造所需的控制系统。这 种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制的各个领域。如 p m a c - n c ，m a z a t r o l 6 4 0 c n c 等。本项目所采用的即是这种结构的c n c 装 置。其开放体系结构的p m a c 运动控制卡使得对数控机床的二次开发成为可能。 第一章绪论 另一方面可编程控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 是数控系统的重 要组成环节，它介于数控装置与机床之间，根据输入的信息进行逻辑运算，并完 成输入输出控制功能，其特点是易于与计算机联网。且大中型p l c 多配置有扩 展接口和智能i o 模板，用于连接扩展p l c 单元独立完成某种专用的功能，这 对二次开发研究有重要的作用。 而三坐标测量机上广泛使用的三坐标测头可视为一种传感器，只是其结构、 功能较一般传感器复杂。其两大基本功能是测微和触发瞄准并过零发讯。按测量 方法，测量头可分为接触式和非接触式。其中接触式测量中主要使用接触式触发 测头，又称开关发讯测头。这种测头可以像普通刀具一样安装在加工中心刀库中， 由程序控制可自动调出并安装在机床主轴上。目前比较流行的是英国r e n i s h a w 公司生产的测头。其o m p 4 0 0 测头是一款用于中小型加工中心的应变片式测头， 具有极强的抗干扰能力的光调制传输方式允许其在比较恶劣的条件下工作。 r e n i s h a w 公司的o m i 2 光机接口模块可以接收o m p 4 0 0 测头发送过来的测头触 发等状态信号，对外输出s s r 类型的电平或脉冲方式的信号可以直接与数控机 床的p l c 端连接。能够将测头的触发信号传输给加工中心的控制系统并接受加 工中心发送给测头的控制信号。 由以上对数控机床关键结构及三坐标测头及其接口的了解和分析可见，使数 控机床具有相应精度的坐标测量机的功能是可行的。数控机床就可以实现测量、 数学建模、加工等复合功能不仅能准确的把产品模型量变成数字量，实现产 品并行加工，而且能为高效的数控加工提供相适应的高效率的质量检验方法，方 便快捷地满足数控加工要求。 1 2 3 在机检测系统的硬件组成 根据加工中心在机检测系统的工作原理，在机检测系统的硬件部分一般包含 以下几个部分【z j ： ( 一) 数控加工机床本体 数控机床本体是实现加工、检测的基础，其工作部件是实现所需基本运动的 部件，它的传动部件的精度直接影响着加工、检测的精度。 ( 二) 开放式数控系统 目前数控机床一般都采用c n c 数控系统，其主要特点是输入存储、数控加 工、插补运算以及机床各种控制功能都通过程序来实现。计算机与其它装置之间 可通过接口设备联接，当控制对象或功能改变时，只需改变软件和接口。c n c 系统一般由中央处理器、存储器和输入输出接口组成，中央处理器又由寄存器、 运算器、控制器和总线组成。 4 第一章绪论 ( - - ) 伺服系统 伺服系统是数控机床的重要组成部分，用以实现数控机床的进给位置伺服控 制和主轴转速( 或位置) 伺服控制。伺服系统的性能是决定机床加工精度、测量 精度、表面质量和生产效率的主要因素。 ( 四) 测量系统 测量系统有接触触发式测头、信号传输系统和数据采集系统组成，是数控机 床在线检测系统的关键部分，直接影响着在线检测的精度。其中关键部件为测头， 使用测头可在加工过程中进行尺寸测量，根据测量结果自动修改加工程序，改善 加工精度，使得数控机床既是加工设备，又兼具三坐标测量机的功能。 ( 五) 计算机( p c ) 系统 在机检测系统利用计算机进行测量数据的采集和处理、检测数控程序的生 成、检测过程的仿真、与数控机床通信及数据处理结果的输出等功能。 以上的硬件构成了整个在机检测系统的加工、检测环境，是实现在机检测的 主要平台。在此基础上，由路径规划、数控编程、误差补偿、虚拟模型仿真及形 位误差评定等多个模块共同构成的软件系统将上述硬件有效连接到一起，实现了 各个硬件部分的协同工作。该系统不仅具备了可以加工精密机械零件的功能，而 且可以及时获取在加工过程中或者加工完成后零件的误差信息，极大地提高了生 产率。图1 1 是整个在机检测系统的功能模块图。 i 主 信 i 轴一 气。头 测量 开 接 控制 放 收 及误 式 装 差评 数 置 定模 控 系 工作台卜 块 统 i 。h j ，j 雎，j 、叫。 l 用户计算机 加工中心 图1 1 在机检测系统功能框图 第一章绪论 1 3 国内外发展现状 在机检测系统的发展基于对现代先进加工设备及测量装置的有效集成，国外 很多公司开展了这方面的研究并研制出不同的在机检测系统。 世界著名的齿轮机床制造商格里森公司及克林格贝尔公司将现代测量技术 及仪器融合、集成于先进制造系统，从而构建成完备的先进闭环制造系统，采用 先进的齿轮测量中心及相应的齿轮测量软件，与c n c 齿轮加工机床相连，实现 了圆柱齿轮、弧锥齿轮的c a d c a m c a i 的闭环制造【_ 7 1 。 德国k a p p 公司磨齿机的在机齿轮测量装置，测量系统和机床集成一体，可 在工件试磨后马上进行在机检测。测量信息处理后能反馈至机床，及时修正加工 参数【s 】，特别有利于大型、重型齿轮和大批量齿轮的成形磨削加工。 ， 英国d e l c a m 公司的通用检测系统p o w e r i n s p e c t 可以实现在机检测和脱机 检测，且功能齐全。通过在机检测可以降低企业的生产成本，并提高生产效率【9 1 。 近年来，国内学者在数控机床在线检测技术领域开展了多方面的探索和研究 工作。天津大学的刘丽冰深入研究了基于多体系统( m b s ) 理论的检测误差综合建 模、误差参数测量及辨识方法及软件误差补偿等技术 1 0 】；邓三鹏对加工中心在线 检测技术中的热误差建模、参数辨识、误差补偿等进行了深入的研究并开发了 p c m m 软件包【l l j ：张志飞对测量误差源做了深入的分析，并对目前常用的标定 补偿方法做了细致的研究【1 2 】；陈明娟开发了多种常见基本体及组合体的测量宏程 序，建立基于微机平台的通用测量宏程序库和主程序库，研究了计算机与加工中 心之间的信息传输通讯接口l l 引。 在测头半径补偿及曲面拟合方面，s u b 等提出三点法来估计测量点处的法线 方向，该方法即常说的微平面法。该方法是在被测点周围测量三个点，在距离足 够近的情况下可以认为这三点构成的平面法线代表了被测点的法线方向 1 4 】。这种 方法对比较平缓的曲面效果较好但增加了测量工作量。汕头大学研究了四点共球 法测头半径补偿的问题【l5 。x i o n g 等提出了一种基于工件定位的测头误差补偿方 法并与其它方法进行了比较6 j 。l i a n g 等研究了散乱点集的重排，利用三角形网 格拟合被测曲面实现测头半径补偿 1 丌。t y l e t 等建立了触发测头的探针挠曲变形 数学模型，研究了测头的误差补偿问题【l8 1 。m a y e r 等利用k r i g i n g 插值法拟合测 头中心曲面s p ，然后在测头中心曲面上得到相应的法线方向【1 9 1 。d e b o o r 给出了 b 样条基函数的递推算法1 2 0 】。p i e g l 等在b 样条曲线曲面等理论方面作了巨大贡 献【2 。r o b e r t 等研究了三维数据点的插值与拟合问题 2 2 - 2 5 】。李春对三坐标测量机 测量得到的测点进行曲面拟合测头半径修正以及误差分析，并解决了曲面匹配问 题【2 6 1 。在测头标定方面，陈超研究了三坐标测量机、p h l 0 回转体和激光三角法 6 第一章绪论 测头构成的三坐标测量机非接触扫描测量系统，建立了光学测头安装姿势误差补 偿的数学模型，此数学模型不仅适合光学测头，而且对触发式测头同样适用【2 1 。 在工件坐标系的建立及工件与c a d 模型对齐方面，北京航空航天大学的王鹏等 研究了三坐标测量机工件测量中的“数学找正问题 2 8 - 2 9 ，但仅研究了基本的工 件坐标系的建立方法。王亚平等研究了三坐标测量机上复杂零件的最小二乘定位 问题【3 0 j 。m e n q 等以最小二乘原理为基础研究了测量数据与模型数据间的对齐问 题 3 1 - 3 2 。另外，陈细民等在串口及网口通信技术及具体的通信协议方面做了深入 的研究 3 3 3 6 1 。 综上所述，虽然现有的在机检测系统发展较早，技术较为成熟，但其使用范 围有限，且价格昂贵。并且现有的在机检测系统采用的近似误差模型和几何误差 评定算法多为近似算法，实现过程复杂，且不同程度的存在迭代次数过多或者计 算量过大的问题，评估标准与相关标准对形状误差的定义不相符，往往过大地估 计形状误差值，导致合格品的误废。对复杂空间型面公差的数学定义、误差评定 模型以及几何误差的精确评定理论和算法的研究有待深入。而对于在机检测系 统，现有的技术和市场均为国外的品牌所占领，国内学者虽然在相关领域开展了 广泛而深入的研究，但是尚未实现具有自主知识产权的在机检测系统。 在测头半径补偿方面，微平面法及四点共球法需要对曲面密集采点以得到精 确的目标点法向，这极大地增加了测量工作量和数据处理运算量。而曲面拟合方 法是一种行之有效的方法，而且曲面曲线拟合理论的发展给测头半径的拟合法奠 定了理论基础。测头标定的关键是建立测头标定的数学模型。工件坐标系建立的 过程基本功能是实现工件实际模型与理想模型对齐，除此之外还需考虑复杂工件 情况下的更改测头配置和多工件坐标系的情形。在与机床通信方面，针对p c 机 与数控机床间文件传输的特点需要对串口及网口传输方式进行传输协议的定义 及传输过程的控制。 1 4 课题来源及背景 本文得到了国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 专题项目“复杂空间型面 制造质量在机检测系统及信息集成技术研究”( 2 0 0 6 a a 0 4 2 1 4 6 ) 的支持。 1 5 本文的主要研究内容 本文主要涉及和完成的模块及主要内容包括： ( 一) 研究加工中心在机检测测头半径补偿关键技术。在机检测系统中采用的 7 第一章绪论 是接触式测量方案，测量得到的测端球心位置与工件接触点位置相差一个半径 值，因而为了得到精确的测量数据需要进行测头半径补偿。测头半径补偿的关键 是得到工件轮廓曲面的外法矢及不同测头系统配置下的等效半径。深入研究了曲 线曲面测量技术得到正确合理的误差补偿方案，为软件系统中误差评定给出精确 的测量数据。 ( 二) 研究加工中心在机检测中测头半径标定技术。由于接触测量时探针会产 生弯曲变形，使得测头的等效半径小于其实际半径，因而需要对测头半径进行标 定以补偿其挠曲变形误差。而且对于在检测特定零件的每一个探针和测头的组合 都需要进行测头标定，以得到测头测端的等效半径和标准球的球心位置。从而为 误差补偿提供测端等效半径并建立以标准球球心为原点的基准坐标系。 ( - - ) 研究加工中心在机检测系统中工件坐标系的建立问题。通过工件坐标系 的建立可以实现工件精确的“数学找正 而不必过多考虑零件的摆放位置，避免 了费时费力的物理找正过程，使工件与理论模型对齐。另外利用不同测头不同方 位下测量标准球得到的基准坐标系，将不同坐标系条件下得到的测量数据统一到 同一坐标系中。 ( 四) 研究在机检测系统中的通信技术。将用户计算机中生成的检测代码上传 给加工中心数控系统，使数控系统能够按照用户目的测量预定的测量点；同时将 测量得到的工件表面的真实数据下载到用户计算机中，为误差评定提供测量数 据。 ( 五) 在t d n c w 2 0 0 加工中心上进行了在机检测实验。通过对复合式凸轮的 端面凸轮的整个测量过程，验证了论文中设计的算法和编写的程序的正确性和可 靠性。 第二章测头标定及半径补偿技术研究 第二章测头标定及半径补偿技术研究 2 1 测头标定 2 1 1 触发式测头的工作原理 在机检测系统中所采用的是接触式触发测头( 如髓2 - i ( a ) 所示) ，测头在 系统中的主要任务是探测零件并发出锁存信号，借助数控系统实现被测工件表面 点的坐标值的锁存。触发式测头、测头信号接收装置与数控系统构成一个完整的 电气控制回路。触发测头发出的是跳变的方波电信号，数控系统利用此电信号的 前沿跳变作为锁存信号。 由于内部结构及发讯原理的原因触发式测头都存在预行程，即从测头与工件 接触到测头触发通讯，测杆与未触发状态时的测杆位置会有一个角位移( 如图 2 - 1 ( b ) 所示) 。预行程的存在使得测头从测端接触工件到发出脉冲信号一个空 间瞄准误差a d ，a d = a c tf 。其中a a 是测杆偏移角；，是测杆长度。其次，测 头发出触发信号后数控系统未必能立刻采样到此触发信号或立刻对其进行处理。 园此从测头发出触发信号到数控系统响应此信号井锁存数据，存在系统时间延时 f 。若测头与工件接触的探测速度为f ，则有空间坐标的采样误差a = f 。因 此对于触发式测头，测头系统产生的瞄准误差与控制系统产生的测头采样延时引 起的误差为a l = ff 。+ 口f 。 ( a ) o m p 4 0 0 测头( b ) 测杆挠睦变形示意田( c ) 标准球 圉2 - 1 测头、标准球厦测轩挠曲变形示意图 第二章测头标定及半径补偿技术研究 为了减小采样误差，可以采用硬件方式毗同步锁存信号的形式首先锁存当前 的坐标数据，这样可基本避免由于存在而产生的误差；为了减小埘的影响则 必须对测头进行标定与修正得到测端本身的等效半径，在以后的数据处理时进行 测端等效半径的补偿，再次，由于采用的是接触式测量，这不可避免的使探针产 生挠曲变形。挠曲变形产生的误差受捌力大小、测杆长短、粗细、村质以及接触 形式等诸多因素的影响。从力学的角度束分析和确定变形量的大小是较困难的， 也是不可取的”j ，这也需要通过测量直径已知的标准球( 如图2 - i ( c ) 所示) 来 得到带有挠曲变形误差的测端等效半径。 2 1 2 测头标定的目的 如图2 2 所示，测头的标定就是从各个不同的方向分别测量固定在工作台上 直径己校准的标准球，系统软件按各测头测量时的坐标值计算出测头的等效半径 和标准球球| 山位置。并储存这些数据以用于后续测量。经过标定后的各个探针在 测量同一点时，可以而且应当得到相同的测量结果。在测头被实际应用之前，应 当对其进行标定，至少在测量工件时所用的测头的角度都应当校准一遍。测头标 定可以达到两个目的：第一是通过程序计算出补偿了挠曲变形误差及瞄准误差的 测头等效半径，此等效半径用于测头半径补偿。关于测头半径补偿在本章的下一 节进行介绍；第二是通过软件计算出测头的探针测端的球心位置。在实际工件测 量时由于工件的复杂性需要变换探针长度、测头角度等，这使得对于同一点的测 量将给出不同的值。不同测头系统配置情况下的测量数据统一需要通过测量固定 在机床1 作台上的标准球来实现。标准球的球心即是基准坐标系的原点，关于基 准坐标系的具体作用将在本文的第三章中介绍。需要指出的是在标定时应考虑被 测物体的复杂性，需要进行哪几个方向的期0 量，必须各个方向一一进行标定，并 保存结果。 标准球 l ，、。 二、 测头 圈2 - 2 标准球烈头标定示意图 1 0 第二章测头标定及半径补偿技术研究 一般情况下测头需要标定的场合主要有【3 7 】： ( 1 ) 第一次使用的测头或测头在主轴上的安装重复性不好，则每安装一次都 要重新标定； ( 2 ) 使用新测杆或测杆重新安装； ( 3 ) 测头使用接长杆或进行测杆加长； ( 4 ) 认为测杆有弯曲变形； ( 5 ) 需要在各个方向上进行的高精度测量； ( 6 ) 测量精度要求高时，为消除机器热膨胀影响，需进行周期性标定。 2 1 3 测头标定数学模型的建立 下面具体推导通过标准球上的多个测量点来计算标准球球心与测头等效半 径的方法。根据球面方程 一x o ) 2 + ( y 一甄) 2 + ( z - z o ) 2 = 尺2 可知在测点数为4 个 时就可以完全确定一个球。但是用4 点法测量球心和半径时，p o = 1 ，2 ，3 ，4 ) 4 点在空间构成四面体时测量球形工件球心坐标和球半径误差才是最优方案【3 8 】。但 是在实际测量中及测球的校准中，如果不使用可转位的测头，很难做到这一点。 为不产生干涉，一般口 1 2 0 0 ，如果采用可转位测头，测头的转位误差就影响到 测量结果。 因此需要增加采样点数目以提高标定精度。当测点数大于4 个时，可以求解 最d - - 乘球。 将理想球面的方程展开得： x 2 + y 2 + z 2 2 ( x x o + o + z z o ) + ( 靠+ j ，；+ z ；一尺2 ) = 0 ( 2 1 ) 这是关于( ，y o ，) 和r 的二次非线性方程。 当( ，z o ) 足够小时： 可作变换c = 甄2 + y g + z ；一r 2 。于是，式( 2 1 ) 可以写成如下线性方程 x 2 + j ，2 + z 2 2 ( x x o + y + z z o ) + c = 0 ( 2 2 ) 根据最小二乘原理，得到目标函数，其中为测量点数。 f ( x o ，y o ，z o ，c ) = # + 拜+ 孑- 2 x f x o - 2 y i y o 一2 毛毛+ c 】2 ( 2 3 ) 由极值原理，欲使f 为最小，必有 篆一o ，篆= o ，篆= 。，篓= o c 2 4 ， c c 少。毖。伙 整理后可得到式( 2 5 ) 所示的正规方程组： 第二章测头标定及半径补偿技术研究 _ 2 # f = 1 2 x i y i f = 1 v 2 薯乞 i = 1 ， x ? j 二- 一 i = 1 2 薯以 f = l 2 订 f = l nn 2 薯咒一薯 i = 1i = 1 nn 2 y i z i - e 乃 f = 1f ；l nn 2 考一z i i = 1i = 1 一y 名 2 一 f