隨（suí）著航空、航天（tiān）以及汽（qì）車等製（zhì）造工（gōng）業的快速發展，高（gāo）精度、複雜大型零件的加工與精度（dù）評價成（chéng）為業內關注的突出問題，通常這類工件產品需經過多次的加（jiā）工—測量—修整，才能（néng）滿足設計要求。數控機床（chuáng）作為（wéi）一種高效、高精度的製造（zào）裝備在製造企業中得到了廣泛應用，而（ér）且正朝著高精度、高效率、開放化、智能化、複合化的方向發展。複合化的（de）目標是（shì）盡可能地在一台機床上利用（yòng）一次裝卡完成全部（bù）或大部（bù）分的加工任務，以保證工件位置精度，提高生產效率 。加之人們對工件加工（gōng）的（de）高精度、高效（xiào）率的（de）不（bú）斷追求，與數控（kòng）機床集成的在線測量技術在實（shí）際生產中受到廣泛關注。

    傳統的離（lí）線測量方式，即采用拆卸移動工件的檢測方式，涉及二次裝（zhuāng）夾定位問題，使得加工結果和測量（liàng）結果（guǒ）的（de）一致性差，導致生產周期延（yán）長、生產（chǎn）效率降低。拆卸移動工件的（de）檢測方式是阻礙數字化製造整體（tǐ）效率（lǜ）提高的主要原因[2]。在線測（cè）量，即加工與（yǔ）測量過程均（jun1）在同一設（shè）備上實施的檢測（cè）方式 ，工件經過一次裝卡（kǎ）便可完成加工與（yǔ）測量工作（zuò），避免（miǎn）了二次裝夾定位（wèi）誤差（chà），可降低測量成本，減少生產輔助時間，提高生產效率和加工精度（dù）。數控機床在線測量技術具有（yǒu）采樣速度快、精（jīng）度（dù）高的特點，實（shí）現了工件的數字化數（shù）據采集和精度評價 。

    與三坐（zuò）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（chà）影響因素較（jiào）多，但三坐標測量機價格昂貴（guì），性價比與應用的廣泛程度遠不如數控（kòng）機床 。因此在精度要（yào）求不是很高時，數控機床在線測量技術更具優勢（shì）。

    數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，有效地提高現有機（jī）床（chuáng）的使用價值，保證零（líng）件的加工質量 。因此，數控機床在線測量得（dé）到（dào）現代製造企業的重視和應用（yòng），具有重要的研究和應用價值，國（guó）內外研究人員針對此方麵進行了大量的研究（jiū）工作，並在實際中進行了（le）推廣和應用 。

    機床在線測量組成結構

    現代數控機床較（jiào）之以前在開放性方麵有了很大（dà）的提升，現代數控係統良好的擴展（zhǎn）性和兼容性使得一台數控（kòng）機床兼具一定精度的三維坐（zuò）標測量（liàng）功能成為（wéi）可能 。如果把機床與測量係統有機地集成起來，在（zài）零（líng）件加工的同時，又可以實現工件的在線測（cè）量。

    數控在（zài）線測量係統組成主要包括硬件和（hé）軟件兩部分。類似數控加工係統，其硬件係統主要包（bāo）括數控機（jī）床係統和測頭係統；軟（ruǎn）件係統則（zé）是利（lì）用二次開發技術，實現（xiàn）類似（sì）於數控加工編程的在線測量編（biān）程，得（dé）到驅動（dòng）數控機床實現測量（liàng）的NC代碼 。數控機（jī）床在線測量係統的原理示（shì）意圖如圖1所示。

    數（shù）控（kòng）機床在線測量係統（如圖2所示）主要分為2種（zhǒng）：一種為直接調用基本宏程序，而不（bú）用計算機（jī）輔助；另一種則根據（jù）機床數控係統提供的（de）數控指（zhǐ）令，用戶開發編製應用係統隨時生成檢測（cè）程（chéng）序，然後傳輸至數控（kòng）係統中 。

    在工業發達國家，測頭基本上和刀具一樣已成為數控機（jī）床不可（kě）或缺的基本備件，在機械製造領域中得到越來越廣（guǎng）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（shì）以加工工件（jiàn）為測量對象，使用時（shí）安裝在（zài）機床主（zhǔ）軸上的工件測量測頭；另一種是以刀具為測量對象，處於機床（chuáng）固定（dìng）位置的刀具測量測頭。通常，機床在線測量采用（yòng）是工件測（cè）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（jī）於數控機（jī）床（chuáng）係統開發並集成測量係統（tǒng）實現的，其測量過程和加（jiā）工（gōng）過程十分相似。

    盡管數控機床在線測量（liàng）具有諸多優（yōu）點，但現有的在線測量係統，大都是專用的，測量功能單一，不（bú）能滿足加工零件（jiàn）的（de）複雜性、多樣性需求（qiú）。在機床在線測量係統基礎上，將（jiāng）其（qí）與CAD係統進行集成，經過CAD係統的二次開發，實現測量編程和仿真驗證，增大了數控機床在（zài）線測量的靈活性（xìng）及工作範圍，實現（xiàn）了設計+加工+測量（Design-Manufacturing-Inspection，簡稱D-M-I）的集成（chéng）。數控加工、測量與設計三者在不（bú）同階段的集（jí）成示意圖如圖3所示。

     機（jī）床在線測量過程

     1  、工作（zuò）原理

     在線檢測係統中直接影響精度的關鍵部件是測頭[6]，具有搜索（suǒ）前進的能力的（de）觸（chù）發式測頭最為常用[7，13-14]，向數控係統提供觸發信號以獲得觸發點的坐標[9，13]。測頭（tóu）係統最關鍵的一個功能是可生成程序中斷指令，當測頭測端（duān）與被測工件接觸時，測頭係統向數控機床發（fā）送一（yī）外部中斷請求（該中斷請求（qiú）由測頭觸發信號提供）。當機床控製係統接收到中斷後，便通過定（dìng）位係統鎖存此時測端球心（xīn）的坐標值，以（yǐ）此來確定（dìng）測端與被測工（gōng）件接（jiē）觸點的（de）坐標（biāo）值。測頭係統檢測過（guò）程如圖4所示。

     接觸式測頭較其他測頭擁有更（gèng）高的測（cè）量精度，同時接觸式（shì）測頭由於結構（gòu）簡單、使用方便、製造（zào）成本低以及較（jiào）高的觸發精度等優點，在數控機床在線檢測係統（tǒng）中被廣泛應用。

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

     2 、測頭定位（wèi）

     為使數控機床能夠準確（què）、高效、快速地完成每一次的在線測（cè）量，在一次（cì）測量任務中需多次測量觸發。根據測頭（tóu）在一次測量過程（chéng）中運動，需設定3種距離 ，如圖5所示。

     （1） 預接觸距離。該距離是指測頭中心（xīn）到被測工件表麵公稱（chēng）尺寸上接觸點的（de）距（jù）離。在（zài）測頭進入預接觸距（jù）離前，測頭快（kuài）速運動。

     （2） 搜索距離。該（gāi）距離設定了測頭從零件的公（gōng）稱尺寸開始沿進（jìn）入被測零件材料（liào）內部方向的最大距離。如果測頭在這段距離運動中觸發，機床將鎖（suǒ）定觸發點的坐（zuò）標（biāo）。在搜索距離階段，測（cè）頭應以給定的測量速度運動。

    （3） 回退距離。該距離（lí）是測頭接觸到被測表麵後沿反方向回退的距離。測頭接觸被測表麵後（hòu），為了避免（miǎn）移動過（guò）量而折斷，測頭需要反方向退出一段距離，同時回退距（jù）離必（bì）須足夠大，以保證測頭能安全地到達下一個預接觸點或（huò）定位點。在回（huí）退距離階段，測頭以回（huí）退速度退回。

     為滿足測頭各個運動階（jiē）段的不同需（xū）求，在測量（liàng）過程中對應了3種距離，包含3種速度，即定位速度（dù）、測量速度和回退速度。測量速度應取值較小，以減小（xiǎo）測（cè）量值的誤差（chà），同時避免折斷測杆。在測量過程中為提高測（cè）量效率，可以將定位速度（dù）和（hé）回（huí）退速度取值較大，從而保證以較快速度移動測頭，減少測量（liàng）時間。

     為（wéi）避免測頭在碰觸到被測表麵後仍向前運（yùn）動而折斷測（cè）杆，機床（chuáng）測量會在接收到觸發（fā）信號之後將（jiāng）剩餘行程（chéng）刪除。剩餘行程刪除，即測頭（tóu）在已（yǐ）編程行程運（yùn）動過程中接收到觸發信號時，記下（xià）當前坐標值（zhí）之後跳過未完成的動作，繼續執行下一（yī）行代碼。

     目前，數（shù）控係（xì）統一般均提供了基本的（de）測量指令，或測量係統的開發單位或人員也會提（tí）供部分已封裝好（hǎo）的測量指令供用戶使用。

     3 、檢測路徑規劃

     數控機床在線（xiàn）測量係統是一種通過采樣來進行測量的係統 。因此（cǐ）采樣點的數量和分布情況將直接影響測量結果，對自由曲麵的測量尤為重要。對整個（gè）被測表麵全（quán）部進行采樣（yàng）是不（bú）現實的，為（wéi）提高測量結果可信度，通常會（huì）采用增（zēng）加檢測點數目（mù）的方式（shì），但獲得高準（zhǔn）確度的同時也會極（jí）大降低測量效率。因此如何規劃高效、準確的檢測路徑成（chéng）為關鍵所在。

     機床在線測量在規劃檢（jiǎn）測路徑時，在滿足（zú）測量精度要求的基礎上盡可能提高測量效率，即在（zài）滿足測量精度的前提下，以最短的測（cè）量路徑檢測最（zuì）少的測量點（diǎn）。以圓柱麵測量為例，把（bǎ）測頭定位到型麵的中心線上（shàng），采用四點測量方法便可以獲得高精度的測量結果。該測量方法（fǎ）對內孔測量也（yě）同樣適用（yòng），詳細測量路徑見文獻 。

     在路徑規劃要求的指導下，平（píng）麵測量、凸台/凹槽測（cè）量以及角度（dù）測量等均已有確定的測（cè）量路徑規劃方案，詳見文獻 。

     當進行複雜測（cè）量時，則編程人（rén）員需要對CAD係統進行二次開發，根據基本測量（liàng）原理在CAD環境中進行人機交互測量路徑規劃和編程，圖6為哈爾濱工業大學基（jī）於Pro/Engineer CAD環境進（jìn）行二次開發進行（háng）人（rén）機交互所規劃的測量點和測量路徑。

     測量誤差分（fèn）析

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

     由於數控機床在線測量係統是以機（jī）床為（wéi）母體，集成測量係統而生成的。所以數控機床加工過（guò）程中存在的（de）誤差在測量過程中也同樣會影響測量精度。機床在線測量測量誤差主要包括測頭係統誤差、機（jī）床運動部（bù）件定位誤（wù）差、測（cè）量路徑不合理造成的誤差（chà） ，其中測頭係統誤差又分為測頭靜（jìng）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（wù）差包（bāo）括死區誤差和測頭重複定位誤差，它隨著測杆長度（dù）、剛度以及接觸壓力（lì）的改變而（ér）改變。死區誤差是（shì）指測頭在接觸工件後，測杆發生的彎曲變形量 。測頭重複定位誤差相對（duì）於死（sǐ）區（qū）誤（wù）差相對較小，因（yīn）此測頭靜態誤差主要（yào）由死區誤差（chà）決定。測頭動態誤差主要與測頭檢測時的接觸速度以及數控係統采樣間（jiān）隔（gé）有關。

     測頭是通（tōng）過與機床（chuáng）配套的刀柄安裝機床（chuáng）主軸上，由於（yú）測頭軸線（xiàn）與（yǔ）主軸軸線的不完全對中，存在測頭（tóu）的安（ān）裝誤（wù）差 ，在多（duō）方向測（cè）量中造成測（cè）量誤差。測頭（tóu）與（yǔ）主軸的不對中安裝誤差，可以（yǐ）通過測量前（qián）的測頭偏心標定進行（háng）部分補償。

     由於數（shù）控機床零部件（jiàn）的製造、裝配誤差、伺服係統的跟蹤誤差以及間隙、摩擦等（děng）因素（sù），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（jìng）誤差也是一個主要的誤差來源，在數據處理時可通過測頭半徑補償來消除 。但在實際測量中（zhōng），情況較為複雜，測頭（tóu）半徑誤差將引入測量結果，在自由（yóu）曲麵的測量過程中，該項誤差更為明顯。

    針（zhēn）對（duì）測量過（guò）程中諸多的誤（wù）差來源，高效、高精度的誤差補償算法是（shì）亟待解決的一（yī）個關鍵問題。在實際應用中，可采用多次（cì）測（cè）量、誤（wù）差補償等減小測量誤差，提高測量精度。

    機床測量係統與（yǔ）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。此外，根（gēn）據測量結果進行再加（jiā）工時，會造（zào）成誤差的累積。在實現（xiàn）D-M-I模式（shì）集成後，可針對該項誤差進（jìn）行補（bǔ）償 ，從而進一步提高測量精度（dù）。

    鑒於D-M-I模式相對於M-I模式的數控機床在線測量係統具有更（gèng）高的精度和靈活性，針對結構複雜（zá）零件的加工、測量與修整（zhěng），我們（men）采用了D-M-I模式的數控機（jī）床在線測量與加工，以提高測量、加工（gōng）精度。將PC機與數控機（jī）床相連，在PC機（jī）上主要完成CAD係統與CAI軟（ruǎn）件係統的集成，在數控（kòng）機（jī）床上完成NC係統與CAI的硬件係統集成，從而實現CAD/NC/CAI的（de）集成（chéng），係統結構如圖7所（suǒ）示。

     下（xià）麵以實（shí）例針對具體（tǐ）測量係（xì）統的實現步驟進行介紹。根據用戶的需求，選用Pro/Engineer作為D-M-I模（mó）式的數（shù）控機床在線測量係統的CAD係統。通過（guò）在Pro/Engineer環境中建立數控機（jī）床模型和工件（jiàn）模型來模擬實際的加工測量環境，在該環境中進行測量軌跡和加工軌跡的規劃和仿真驗（yàn）證。相（xiàng）關功能通過Pro/Engineer的二次開發進行實現，在Pro/Engineer中添（tiān）加開發新（xīn）功能菜單。

     該機床在線測量係統的操作步驟為：操作（zuò）者首先向虛擬（nǐ）數控操作環境中加載（zǎi）目標零件模型；隨後進行（háng）虛擬操作環境初始化操作，其目的是（shì）建立虛擬操作環境下裝配坐標（biāo）係與實際機床坐標係（xì）之間的關係、各運動部件（jiàn）的（de）變換（huàn）矩陣（zhèn）；最後，操作人員根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，修改完成之後將整個虛擬環境重新激（jī）活，便可重新對其進行操（cāo）作。該係統將CAI操作軟件通過二次開發技術集成到Pro/Engineer環境下（xià），使得（dé）CAD係統與CAI係統實現無縫連接。基（jī）於Pro/Engineer的虛擬測量環（huán）境構建，可實現實際操作過程的模擬，對測量或加（jiā）工過程進行可靠性驗證。

     結論

     測頭係統與數控（kòng）機床集（jí）成構成的機床在線測量係統，可（kě）以明顯縮減生產輔助時間，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誤差導（dǎo）致的廢品率，充分發揮（huī）了數控機床（chuáng）的（de）性能。機床測量的應用可以減少中間環節，保證（zhèng）加工精度，提高數控機床的加工能力；並可實現工件的數（shù）字化數據采集，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模式的機床在線測量係統，通過對CAD的二次開（kāi）發，可充分利用CAD強大（dà）的圖形交互能力（lì）和設（shè）計功能，用戶進行交互測量路徑的（de）規劃，方便係統的應用。該方（fāng）向的研究及應用係統的開發具有較大的應用價值，同時也提升了數控機床的應（yīng）用水平。