隨著航空、航天以及汽車等製造工業的快速發展，高精度、複雜大型（xíng）零件的加工與精（jīng）度評價成為業內關注的突出問題，通常這類工（gōng）件產品需經過多次的加工—測（cè）量—修整，才能滿足設計要求。數控機床（chuáng）作為一（yī）種高效、高（gāo）精度的製造裝（zhuāng）備在製造企業中得到了廣泛應用，而且正朝著高精度、高（gāo）效率、開放化（huà）、智能化、複（fù）合化的（de）方向發展。複合化的（de）目標（biāo）是盡可能地在一台機床上利用一次裝（zhuāng）卡完成全部或大部分的加工任務（wù），以保證（zhèng）工件位（wèi）置（zhì）精度，提高生產效（xiào）率 。加之人們對工件加工的高精度、高效率的不斷追求，與數控機床集成的在線測量技術在實際（jì）生產中受到（dào）廣（guǎng）泛關（guān）注。

    傳（chuán）統的離線測量方式，即采用拆卸移動工件的檢測方式，涉及二次裝夾定位問題，使得加工結果和測量結果的一致性差，導致生產周期（qī）延長、生產效率降低。拆卸移動工件的檢測方式是阻礙數字化製造（zào）整體效率提高的主要原因[2]。在線測（cè）量，即加工與測量（liàng）過程均在同一設備上實施的檢測方式 ，工件經過一次裝卡便可完成加工與測量工作，避免了二次裝夾定位誤差，可（kě）降低測量成本，減少生產（chǎn）輔助時間，提高生產效率（lǜ）和加工精度。數控機（jī）床在（zài）線測量技術具有采（cǎi）樣速度快、精度高的特點，實現（xiàn）了工件（jiàn）的數字化數據采集和精（jīng）度（dù）評價（jià） 。

    與三坐標測量機（Coordinate Measuring Machining）相比，由於數控機床在線測量環境複雜，誤差影響因素較（jiào）多，但三坐標測量機價格昂貴，性價比與應用的廣泛程度遠不（bú）如（rú）數控機床 。因此在精度要求不是很高時，數控機床在線測量技術更具優勢。

    數（shù）控機床在線測量技術是加工測量一體化技術的重要組成部分，可以擴展數控機床的功能，有效地提高現有（yǒu）機床的使用價值，保（bǎo）證零件的（de）加工質量 。因此，數控機床在線測量得到現（xiàn）代製造企業的重視和應用，具有重要的研究（jiū）和應用價值，國內外研究人員針對此方麵（miàn）進行了大量的（de）研究（jiū）工作，並在（zài）實際中進行了推（tuī）廣和應用 。

    機床在線測量組成結構

    現代數控機（jī）床較之以前（qián）在開放性方麵有了很大的提升，現（xiàn）代數（shù）控係統良好的擴展性和兼容性使得一台數控機床兼具（jù）一（yī）定精（jīng）度的三維坐標測（cè）量功能成（chéng）為可能 。如果把機床與測量係統有機地集成起來，在零件加工的同時，又可以實現工件的在線測量。

    數（shù）控在線測量係（xì）統組成主要包括硬件和軟件（jiàn）兩部分。類似數控加工係（xì）統，其硬件係統主（zhǔ）要包括數控機床係（xì）統和測（cè）頭係（xì）統；軟件係（xì）統則是利用二次開發技術，實現類似於數控加工編程（chéng）的在線測量編程，得到驅動數控機床實現測（cè）量的NC代碼 。數控機床在線測量係統的原理示意圖如圖1所示。

    數控機（jī）床在線測量係統（如圖2所示）主要分（fèn）為（wéi）2種（zhǒng）：一種為直接調用基本宏程序，而不用計算機輔助；另一種則根據機床數控係統（tǒng）提（tí）供（gòng）的數控指令，用戶開（kāi）發編製（zhì）應用係統隨時（shí）生（shēng）成（chéng）檢測程序（xù），然後傳輸至數控係統中 。

    在工業發達國家，測頭基本上和刀具一（yī）樣已成為數控機床不可或缺的基（jī）本備件，在機械製造領（lǐng）域中得到越來越廣泛的應用。數控機床上（shàng）采用的測頭主要分為2種：一種（zhǒng）是以加工工件為測量對象，使用時安裝在機床主軸上的工件測量測頭；另一種是以刀具（jù）為測量（liàng）對象，處於機床固定位置的（de）刀（dāo）具測（cè）量測頭。通常，機床在線測量采用是工件測量測頭，可手動測量或根據測量（宏）程序對工件進行自動測（cè）量[12]。數控在線測量（liàng）係統是基於數控機床係統開（kāi）發並集成測量係統實現的（de），其測量過（guò）程和加工過程十分相似。

    盡管數（shù）控機床在線（xiàn）測量具有諸多優點，但現（xiàn）有的在線測量係（xì）統，大都是專（zhuān）用的，測量功能單一，不能滿足加工零件的複雜性、多樣性需求。在機床在線測量係統基礎上，將其與CAD係統進行集成，經過CAD係統的二次開發，實現測量編程和（hé）仿真驗證，增大了數控機床在線測量的靈活性及工作範圍，實現（xiàn）了設（shè）計+加工+測量（Design-Manufacturing-Inspection，簡稱D-M-I）的集（jí）成。數控加工、測量與設計三者在不同階段（duàn）的集成（chéng）示意圖如圖3所示。

     機床在線測量過程

     1  、工作（zuò）原理

     在線檢測係統中直接（jiē）影響精度（dù）的關鍵部件是測頭[6]，具有（yǒu）搜索前進的能力的觸發式測頭最為（wéi）常用（yòng）[7，13-14]，向數控係統提供觸發信號（hào）以（yǐ）獲得觸發點的坐標[9，13]。測頭係統最關鍵（jiàn）的一個功能是可生成程序（xù）中斷指令，當測頭測端與被測工件接觸時，測頭係統向數（shù）控機床發送一外（wài）部中斷請求（該（gāi）中斷請求由測頭觸發信號提供）。當機床控（kòng）製係統接收到中斷後，便通（tōng）過定（dìng）位係統鎖存（cún）此時測（cè）端球心的（de）坐標值，以此（cǐ）來確定測端與被（bèi）測工件接觸（chù）點的坐標值。測頭係統檢測過（guò）程如圖4所示。

     接（jiē）觸式測頭較其他（tā）測頭擁有更高的測量精度，同時接觸式測（cè）頭由於結構簡單、使用方便、製造成本低以及較高的觸發精度等優點，在數控機床（chuáng）在線檢（jiǎn）測係統中被廣泛應用。

     在線檢測運動是通過輸入到數控係統中的數控檢測程序的控製實現的。由於數控機（jī）床采用的數控係統不同，其控製方法和編程代碼等有所差別（bié）。

     2 、測頭定位

     為使數控機床能夠準確、高（gāo）效（xiào）、快速地完成每一次（cì）的在線測量，在一次測量（liàng）任務中需多次測量觸發。根據測頭在一（yī）次測量過程中運動，需設定3種距離 ，如圖5所示。

     （1） 預接觸距（jù）離。該距離是指測頭中心到被測工件（jiàn）表麵公稱尺寸上接觸點（diǎn）的距離。在測頭進（jìn）入預接觸距離前，測頭快（kuài）速運動。

     （2） 搜索距離。該距離設定了測頭從零（líng）件的公稱尺寸開始沿進入（rù）被測零件材料內部方向的最大距離。如果測頭在這段（duàn）距離運（yùn）動中觸（chù）發，機（jī）床（chuáng）將鎖定（dìng）觸發點的坐標。在（zài）搜索距離階段，測頭應（yīng）以給定的測量速度運動。

    （3） 回退距離。該距離是測頭接觸到被測表麵（miàn）後沿反（fǎn）方向回退的距離。測頭接觸被測表麵後，為了避免移動過量而折斷（duàn），測頭需要反（fǎn）方向退出一段距（jù）離，同時（shí）回退距離必須足夠大，以保證測（cè）頭能安全地到達下一個預接觸點或定位點。在回退距離階段，測（cè）頭以回退速度退回。

     為滿（mǎn）足測頭各個運動階段（duàn）的不同需求，在測量過程中對應了3種距離，包含3種速度，即定位速度、測量速（sù）度和回退速度。測量速度應取值較小，以減小測量值的誤差（chà），同時（shí）避免折（shé）斷（duàn）測杆。在測量過程中為提高測量效率，可（kě）以將定位速度和回（huí）退速度取值較大，從而保證以較快（kuài）速度移動測頭，減少測量時間。

     為避（bì）免測頭在碰觸到被（bèi）測表麵後仍向前（qián）運動而（ér）折斷（duàn）測杆，機床測量會在接收到觸發（fā）信號之後將剩（shèng）餘行程刪除（chú）。剩餘行程刪（shān）除，即測頭（tóu）在已編程行程運動過程中接收到觸發（fā）信（xìn）號時，記下當前坐標值（zhí）之後跳（tiào）過未（wèi）完成的動作，繼續執行下一（yī）行代碼（mǎ）。

     目前，數控係統一般均提供了基本的測量指令（lìng），或測量係統的開發單位或（huò）人員也會（huì）提（tí）供部分已封裝（zhuāng）好的（de）測量指令供用戶使（shǐ）用。

     3 、檢測路徑規劃

     數控機床在線（xiàn）測量係統（tǒng）是一種通過采樣來進行測量的係統 。因此采樣點的數（shù）量（liàng）和分布情況將直（zhí）接影響測量結果，對自由曲麵（miàn）的測（cè）量尤為（wéi）重要。對整個被測表麵全部進行采（cǎi）樣是不現實的，為提高測量結（jié）果可信度，通常會采用增加檢測點數（shù）目的方式，但獲（huò）得高準確度的同時也會極大降低測量效率。因此如何規（guī）劃高效、準（zhǔn）確的檢測路徑成為關鍵所在。

     機床在線測量在（zài）規劃檢測路徑時，在滿足測量精度要求的基礎上盡（jìn）可（kě）能提高測量效率，即在滿足（zú）測量精度的前提（tí）下，以最短的測量路徑檢測最少的測量點。以圓柱麵測量為例，把測頭定位到型麵（miàn）的中心線（xiàn）上，采用四點測量方法便可以獲得（dé）高精度的測量結果。該測量方法（fǎ）對內孔測量也同樣適用，詳細測量路徑見文（wén）獻 。

     在路徑規劃要求的指導下，平麵測量、凸台/凹槽測量以及角度測量等均已有確定的測量路（lù）徑規劃方（fāng）案，詳見文獻 。

     當進行複雜測量時（shí），則編（biān）程人員需要對CAD係統進（jìn）行二次開發，根據基本測量原理（lǐ）在CAD環境中（zhōng）進行人機交互測量路徑規劃和編程，圖6為哈爾濱工業大（dà）學基於Pro/Engineer CAD環境進行二次開（kāi）發（fā）進行（háng）人（rén）機（jī）交互（hù）所規劃的測量點和測量路徑。

     測量誤差分析

     在任何（hé）一項測量中，由於各種因素的影響，所得到的測（cè）量值總會存在誤差。為了使測量結果更精確地逼近真實值（zhí），需要對測量（liàng）結果進行補償，因此測量過（guò）程中影響測量精度的誤差組（zǔ）成來源應當被仔細分析和考慮。

     由（yóu）於數控機床（chuáng）在線測量係統是以機（jī）床為母體，集成測量係統而生成的。所（suǒ）以（yǐ）數控機床加工過程中存在的誤（wù）差在測量過程中也同樣會影響（xiǎng）測量（liàng）精度。機床（chuáng）在線測量測量誤差主要包（bāo）括測頭（tóu）係統誤（wù）差、機床運動部件定（dìng）位誤差、測量路徑不合理造成的誤差 ，其中（zhōng）測頭係統誤差又分為測（cè）頭靜態誤差、測頭動態誤差以及測頭在機床上的安裝誤差等。

     測頭（tóu）靜態誤差包括死區（qū）誤差和測頭重複定（dìng）位誤差，它隨著（zhe）測（cè）杆長度、剛度以及接觸壓力的改變而改變（biàn）。死區誤差是指測頭在（zài）接觸工件後，測杆發生的彎曲（qǔ）變形量 。測頭重複定（dìng）位誤差相對於死區誤差相對較小，因此測頭靜態誤差主要由死區誤（wù）差決定。測（cè）頭（tóu）動態誤差主要與測頭檢測時的接觸（chù）速度以及數控係統采樣間隔有關。

     測頭是通過與機床（chuáng）配套的刀（dāo）柄安（ān）裝機床主軸上，由於測頭軸線與主軸軸線的不完全對中，存在測頭的安（ān）裝誤差（chà） ，在（zài）多方向測量中造成測量誤差。測頭與主軸的（de）不對中（zhōng）安裝誤差，可以通過測（cè）量前的測頭偏心標定進行部（bù）分補償。

     由於數（shù）控機床零部（bù）件的製造、裝配（pèi）誤差、伺（sì）服係（xì）統的跟蹤誤差以及間隙、摩擦等因素，機床各工作部件在進行測量運動時，會產生定位誤差。

     除此之外，測頭的半徑誤差也是一個主要的誤差來源，在數據處理（lǐ）時可（kě）通過測頭半徑補償來消除 。但在實際測量中，情況較為複雜，測頭半徑誤差將引入測量結（jié）果，在自由曲（qǔ）麵（miàn）的測量過程中，該項誤差更為明（míng）顯。

    針對測量過程（chéng）中諸多的誤差來源，高效、高（gāo）精度（dù）的誤差補（bǔ）償算法是亟待解（jiě）決的（de）一（yī）個關鍵問題（tí）。在（zài）實（shí）際應（yīng）用中，可采用多次測量、誤差補償（cháng）等減小測量誤差，提高測量精度。

    機床（chuáng）測量係（xì）統與CAD的集成

    數控機床在線測量作為M-I模式的典型代表，極大地縮短了（le）生產周期。但在實際應用中，由於並未與零件的設計模型相銜接，導致測量路徑交互規劃時存在諸多不便（biàn）。此外，根據測量結果進行再加工時，會造成誤差的累（lèi）積。在實現D-M-I模式集成後，可針（zhēn）對該項誤（wù）差進行補償 ，從而進一步提高測量精度。

    鑒於D-M-I模式（shì）相對於M-I模式的數（shù）控機床在線測量係統具（jù）有更高的精度和靈活性，針（zhēn）對結構複雜零件的加工、測（cè）量（liàng）與修整，我們采用了D-M-I模（mó）式的數控（kòng）機床在線測量與加工，以提高測量、加工精度。將PC機與數控機床相連，在PC機上（shàng）主（zhǔ）要完成CAD係統與（yǔ）CAI軟件係統的集（jí）成，在數控機床上完（wán）成NC係統與（yǔ）CAI的硬件係統集成，從而實現CAD/NC/CAI的集成，係統結（jié）構如圖7所示。

     下麵以實（shí）例針對具體測量係統的實現步驟進行介紹。根據用戶的（de）需求，選用Pro/Engineer作為D-M-I模式（shì）的數控機床在線測量係（xì）統的（de）CAD係統。通過在Pro/Engineer環境中建立數控機床模型和工件模型（xíng）來模擬實際的加工測量環境，在該環境中進（jìn）行測量軌跡（jì）和加工軌跡的規（guī）劃（huá）和仿真驗證。相關功能通過（guò）Pro/Engineer的（de）二次開發進（jìn）行實現，在Pro/Engineer中添加開發新功能菜單。

     該機床在線測（cè）量係統（tǒng）的操作步驟為：操作（zuò）者首先向虛擬數控（kòng）操作環境中加載目（mù）標零件模型；隨後進行虛擬（nǐ）操作環境初始化（huà）操作（zuò），其目的是建（jiàn）立虛擬操作環境下裝配坐標係與實際機床坐標係之間的關係、各運動部件（jiàn）的變換矩陣；最後，操作人員根（gēn）據功能菜單選擇進行測量麵選擇、測量路徑規劃、測量過程仿真等操作。當需要（yào）修改被加工（測量）的零件時，隻需將虛擬環境下的該零件激活，修改完成之（zhī）後將整個（gè）虛擬環境重新激活，便可重新對其進行操作。該係統將CAI操作軟件通過二（èr）次開發技術集成到Pro/Engineer環（huán）境下，使得CAD係統（tǒng）與CAI係統實現無縫連接。基於Pro/Engineer的虛（xū）擬（nǐ）測量環境構建，可實現實際操作（zuò）過程的模擬，對測量或加工過程進行可靠性驗證。

     結論

     測頭係統與數控（kòng）機床集成構成的機床在線測量係統，可（kě）以明顯（xiǎn）縮減（jiǎn）生產輔助（zhù）時間，減輕工人勞動強度，提高生產效率，同時還縮減了由離線測量（liàng）誤差導致（zhì）的廢品率，充分發揮了數控機床的性能（néng）。機床測量的（de）應用可以減少中間環節，保證加工精度，提（tí）高數控機床的加工能力；並可實現（xiàn）工件的數字（zì）化數據采集，後期還可借助計算機輔助設計係統可以實現工件表麵三維重構。基於D-M-I模式的機床在線（xiàn）測量係統，通過對CAD的二（èr）次開發，可充（chōng）分（fèn）利（lì）用CAD強大的圖形交互能力和（hé）設計功能，用戶進行交互測（cè）量路徑的（de）規劃，方便係統的應用。該方向的研究及應用係統的（de）開發具有較大（dà）的應用價值，同時也提升了數控機（jī）床的應用水平（píng）。