隨著（zhe）航空、航天以及汽車等製造工業的快（kuài）速（sù）發展，高精度、複雜大（dà）型零件的加工與精度評價成為業內關注的突出問題（tí），通常這類工（gōng）件產品需經過多次的加工（gōng）—測量—修整，才能滿足設計要（yào）求。數控機床作為一種高效、高精度的製造裝備在製造企（qǐ）業中得到了廣泛應用，而且正朝（cháo）著高精度、高效率、開放化、智能化、複合化的方向發（fā）展。複（fù）合化的目標（biāo）是盡可（kě）能（néng）地在一（yī）台機床上利用一次（cì）裝卡完（wán）成全部或大部分（fèn）的加工任務，以保證工件位置（zhì）精（jīng）度，提高生產效率 。加之人們（men）對工件加工（gōng）的高精度、高效（xiào）率的不斷追（zhuī）求，與數控機床集成的在線測量技術在實際生產中受到廣泛關注。

    傳統（tǒng）的離線測量方式（shì），即采用拆卸移動工件的檢測方式，涉及二次裝夾定位問題（tí），使得加（jiā）工結果和測量（liàng）結果的一致性差，導致生產周期延長、生產效率降低。拆卸移動工件的檢測（cè）方式是阻（zǔ）礙數字（zì）化製造整體效率提（tí）高的主要原因[2]。在線（xiàn）測量，即加工與測量過程均在同一設備上實施的檢測方式 ，工件（jiàn）經過一次裝卡便可完（wán）成加工（gōng）與測量（liàng）工作（zuò），避免了二次裝夾定位誤差，可降低測（cè）量成（chéng）本，減（jiǎn）少生產（chǎn）輔助時間，提高生產效率和加工精度。數控機床在線測量技術具有采樣速度快、精度高（gāo）的特點（diǎn），實現了工件的數字化數據采集和精度評價 。

    與三坐標測量機（Coordinate Measuring Machining）相比，由於數控機床在線測量環（huán）境複雜，誤差影響因素較多，但三坐標測量機價（jià）格昂貴（guì），性（xìng）價比與應用的廣泛程度遠不如數控機床 。因此在精度要求（qiú）不是很高時（shí），數控（kòng）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（chéng）部分，可以擴展（zhǎn）數控機床的功能（néng），有（yǒu）效地提高現有（yǒu）機床的使用價值，保證（zhèng）零件的加（jiā）工質量 。因此，數控機床在線測量得到現代製造企業的重視和應用，具（jù）有重要的研究（jiū）和應用價值（zhí），國內外（wài）研究人員針（zhēn）對此方麵（miàn）進行了大量的研究工作（zuò），並在實際中進行了推廣和應用 。

    機床在線測（cè）量（liàng）組成結構

    現代數控機床較之以前在開放性方麵（miàn）有了很大的提升，現代數控係統良好的擴展性和兼容性使得（dé）一台數控機床兼（jiān）具一（yī）定精（jīng）度的三維坐（zuò）標測量功能成為可能 。如（rú）果把機（jī）床與測（cè）量係統有機地集成起來，在零件加工（gōng）的同時，又可以實（shí）現工件（jiàn）的在線測量。

    數控在線（xiàn）測量（liàng）係統組成主要包括硬件和軟件兩部分。類似數控加工係統，其硬件係統主要包括數控機床係統和測（cè）頭係統；軟件係統則是利用二次開發（fā）技術，實現類似於數控加工編程的（de）在線測量編程，得到驅動數控機床實（shí）現測量的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（shù）控機床在線測量係統（如圖2所示）主要分（fèn）為（wéi）2種：一種為直（zhí）接（jiē）調用基本宏程序，而不用計算機輔助；另一種（zhǒng）則根據機床（chuáng）數控係統（tǒng）提供的數（shù）控指（zhǐ）令，用戶開發編（biān）製應用係統隨時生成檢測程序，然後傳輸（shū）至數控係統中 。

    在工業發達（dá）國家，測（cè）頭基本上和刀具一樣已成為（wéi）數控機床不可或缺的基本備件，在機械製造領域中得到越（yuè）來越廣泛的應用。數（shù）控機床上采用的測頭主要分為2種（zhǒng）：一種（zhǒng）是以（yǐ）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；另一種是以刀具為測量（liàng）對象，處於機床固定位（wèi）置的刀具（jù）測量測（cè）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量[12]。數控在線測量係統是基於數控機床係統開發並集成測量係（xì）統實現的（de），其測量過程和加工過程十分相似。

    盡管數控機床在線測量具有諸多優點，但（dàn）現有的在線（xiàn）測量係統，大都是專用的，測（cè）量功（gōng）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（cè）量係統基礎上，將其與CAD係統進行集（jí）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（dà）了（le）數控機床在線測量的（de）靈活性及（jí）工作範圍，實現了設計+加（jiā）工+測量（Design-Manufacturing-Inspection，簡（jiǎn）稱D-M-I）的集成。數控加工、測量與設計三者（zhě）在不同階段的集成示意圖如圖3所（suǒ）示。

     機床在線測（cè）量過程

     1  、工作原理

     在線檢測係統中直接影響精度的關鍵部件是測頭[6]，具有搜索前進（jìn）的能力的觸發式測頭最為常用[7，13-14]，向數控係（xì）統（tǒng）提供觸發信號（hào）以獲得觸發點的坐標（biāo）[9，13]。測頭係統最關鍵的一個功能是可生成程序中斷指令，當測頭測端與（yǔ）被測工件接觸時，測頭（tóu）係統向（xiàng）數控機床發送一（yī）外部中斷請求（該中斷請求由測頭觸發信號提供）。當機床控製係統接收到中斷後（hòu），便（biàn）通（tōng）過定（dìng）位係統鎖存此時測端球心的坐標值，以此來確定測端與被測工（gōng）件接觸點的坐標（biāo）值。測頭係統檢測過程如圖4所示。

     接觸式測頭較其他測（cè）頭擁有更高的測量精度，同時接（jiē）觸式測頭由於結構簡單、使用方便、製造成本低以及較高的觸發（fā）精度等優點，在數控機床在（zài）線（xiàn）檢測係統中被廣（guǎng）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（xù）的控製實現（xiàn）的（de）。由於數控機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。

     2 、測頭（tóu）定（dìng）位

     為使數控機床能夠準確、高效、快速地完成每一次（cì）的在線測量，在一次測量任務中（zhōng）需（xū）多次測（cè）量觸發。根據測頭在一次測量過程中運動，需設定3種距離 ，如圖5所（suǒ）示。

     （1） 預接觸距離。該距離是指測頭中心到被測工件表麵公稱（chēng）尺寸上接觸（chù）點（diǎn）的（de）距離。在測頭進入預接觸距離前，測頭快速運動。

     （2） 搜索距（jù）離。該距離設定了測頭從零件的公稱尺（chǐ）寸開始沿進（jìn）入被測零件材料內部（bù）方向的最大距離。如果測頭在這段距離運動中觸（chù）發，機床將鎖（suǒ）定觸發點（diǎn）的坐標。在搜索距離階段，測頭應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後沿反方向回退的距離（lí）。測頭接（jiē）觸被測表麵後，為了避免移動過（guò）量而折斷，測頭需要（yào）反方向退出一段（duàn）距離，同（tóng）時回退距離必須足夠大，以保證測頭（tóu）能安全地到達下一個預接觸點或定位點（diǎn）。在回退距離階（jiē）段，測頭以回退（tuì）速度退回。

     為滿足測頭各個（gè）運動階段的不同需求，在測量過程中（zhōng）對（duì）應了3種距離（lí），包含3種（zhǒng）速度，即定位速度、測量速度和回退（tuì）速度。測量速度應取值較小，以減小測量值的誤差，同時避免折斷測杆。在測量過程中（zhōng）為（wéi）提高測量效率，可（kě）以將定（dìng）位速（sù）度和回退速（sù）度取值較大，從而保證（zhèng）以較快速度移動測（cè）頭（tóu），減少測量時間。

     為避免測（cè）頭（tóu）在碰觸到被測表麵後仍向前（qián）運動而折斷測杆，機床測量會（huì）在接收（shōu）到觸發（fā）信號之後將剩（shèng）餘（yú）行程刪除。剩餘（yú）行程刪除，即測頭在已編程行程運動過程（chéng）中接收到觸發信號時，記下當前坐標值之後跳過（guò）未（wèi）完成的動作，繼續執行下一行代碼。

     目前，數控係（xì）統一般（bān）均提供了（le）基本的測量指令，或測量係統（tǒng）的開發單位或人員也會提供部分已封裝好的測量指令供用戶使用。

     3 、檢（jiǎn）測（cè）路徑規劃

     數（shù）控機床在線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（shù）量和分布情（qíng）況將直接影響測量結果，對自由曲麵的測量尤為重（chóng）要。對整個（gè）被測表麵全部進行采樣是不現實的，為提高測量結果可信度，通常會采用增加檢測點數目的方式，但獲得高準確度的同時也會極大降低測量（liàng）效率（lǜ）。因（yīn）此（cǐ）如何規劃高效、準確的檢測路徑成為關鍵所在。

     機床在（zài）線測量在規劃檢測路徑時，在滿足測量精度要求的基（jī）礎上盡可能提高測（cè）量效率，即在滿足（zú）測量精度的前提下（xià），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（xíng）麵的中心線上，采用四點測量方法便可以（yǐ）獲（huò）得高精度的（de）測（cè）量結果。該測量（liàng）方（fāng）法對內孔測量也（yě）同樣適用，詳細測（cè）量路徑見文獻 。

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

     當進行（háng）複雜測量時（shí），則編程人員需要對CAD係統進行二次開發，根據基本測量原理在CAD環境（jìng）中進行人機交互測量路徑規劃和編程，圖6為（wéi）哈爾濱工業大學基於Pro/Engineer CAD環境進行二次開發進行人機交互所規劃的測量點和測量路徑。

     測量誤差分析

     在任何一項測量中（zhōng），由於各種因素的影響，所得到的測（cè）量（liàng）值總會存在誤差。為了使測（cè）量結果更精確地逼近真實值，需要對測量結果進行補償，因此測量過程（chéng）中影響測量精度的誤差組成來源應（yīng）當被仔細分析和考慮。

     由於數控機床在線測量係統是以機床為母體，集成測量係統而生成的。所（suǒ）以數控機床加工過程中存在的誤差在測量過程中（zhōng）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、機床運動部件定（dìng）位誤差、測量路（lù）徑不合理造成的誤差 ，其中測頭係統誤差又（yòu）分為測頭靜態誤差、測（cè）頭動態誤（wù）差以及測頭在機床上的安裝誤差等。

     測頭靜態誤差包括死區（qū）誤差（chà）和測頭重複定位誤差，它隨著測（cè）杆長度、剛度以及接（jiē）觸壓力的改變（biàn）而改變。死（sǐ）區誤差是指測頭在接觸工件後，測杆（gǎn）發生的彎曲變形量 。測頭（tóu）重複定（dìng）位誤差相對於死（sǐ）區誤差相對較小，因此測頭靜（jìng）態誤差主要由死區誤差決定。測頭動態（tài）誤差主要與測頭檢測時的接觸速度以及數控係統采樣間隔有關。

     測頭是通過與機床（chuáng）配套的刀柄安裝機床主軸上，由於測頭軸線與主軸（zhóu）軸線的不完全對中，存在測（cè）頭的安裝誤差 ，在多方（fāng）向測量中造成測量誤（wù）差。測頭與主軸的不對中安裝（zhuāng）誤差，可以通過測量前的測頭偏心（xīn）標定進行部分補償。

     由於數控機床零部件的製造、裝配（pèi）誤差、伺服係（xì）統的跟蹤誤（wù）差以及間隙、摩擦等因素，機床（chuáng）各工作（zuò）部件在進行（háng）測量運動（dòng）時，會產生定（dìng）位誤差。

     除此之外，測頭的半徑誤差也是一個主要的（de）誤差來（lái）源，在（zài）數據處理時可通（tōng）過測頭半徑補償（cháng）來消除 。但在實際測量中，情況較為複雜，測頭（tóu）半徑誤差將引入測量結果，在自由曲麵的測量過程中，該項誤差更為明顯。

    針對（duì）測量過程中諸多（duō）的誤差來源，高效、高精度的誤差（chà）補（bǔ）償算法（fǎ）是亟待解決的一個關鍵問題。在實際應用中（zhōng），可（kě）采用多次測量（liàng）、誤差補（bǔ）償等減小測量誤差，提高測量精度。

    機床測量係統與CAD的集成

    數控機床在線測量作為M-I模式的典型代（dài）表，極大地（dì）縮短了（le）生產周期。但在實際應用中（zhōng），由於（yú）並未與零件的設計模型相（xiàng）銜接，導致測量路徑交互規劃時存在（zài）諸（zhū）多不便。此外，根（gēn）據測量（liàng）結果進行再加（jiā）工時，會造成誤差的累積。在實現（xiàn）D-M-I模式集成後，可針對該項誤差進行（háng）補（bǔ）償 ，從而進一（yī）步提高測量精度。

    鑒於D-M-I模式相對於M-I模（mó）式（shì）的數控機床在線測（cè）量係統具有更高的精度和靈活性，針對結構複雜零件的加工（gōng）、測量與修（xiū）整，我們采用了D-M-I模式的數控機床在線測（cè）量（liàng）與加工，以提高測量（liàng）、加工精度。將PC機與數控機床相連，在PC機上主要（yào）完成CAD係（xì）統與（yǔ）CAI軟件係統的（de）集成，在數控機床上完成NC係統與CAI的硬（yìng）件係統（tǒng）集成，從而實現CAD/NC/CAI的集成（chéng），係統結構如圖7所示。

     下麵以實例針對（duì）具體測量係統的實現步驟進行介紹。根據用戶的需求，選用Pro/Engineer作（zuò）為（wéi）D-M-I模式的數控機床在（zài）線測量係統的CAD係統。通過在Pro/Engineer環境中建立數控機床模型和工件模型來模擬實際（jì）的加工測量（liàng）環境，在該環境（jìng）中進行測量軌跡和加工軌跡的規（guī）劃和仿（fǎng）真驗證。相關功能通過Pro/Engineer的（de）二次開（kāi）發進行實現，在Pro/Engineer中添加開發新功能菜單。

     該機（jī）床在線測量係統的操作步驟為：操作者首先向虛擬數控操作環境中加載目標零件模型；隨後進行虛（xū）擬操作環境初始化（huà）操作，其目的是（shì）建立虛擬操作環境下（xià）裝配（pèi）坐標係與實際機床坐標係之（zhī）間的關係、各運動部件的變換矩（jǔ）陣；最後（hòu），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（cè）量過程仿真（zhēn）等操作。當需要（yào）修改被加工（測量）的零件時，隻需將虛擬（nǐ）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環境下，使得CAD係統與CAI係統實現無縫連（lián）接。基於Pro/Engineer的虛擬測量環境構建，可（kě）實現（xiàn）實（shí）際操作（zuò）過程的（de）模擬，對測量或加（jiā）工過程進（jìn）行可靠性驗證。

     結（jié）論

     測頭係統與數控機床（chuáng）集成（chéng）構成的（de）機床在線（xiàn）測量係統，可以明（míng）顯縮減生產輔助時間，減輕工人勞動（dòng）強度，提高（gāo）生產效率（lǜ），同時還縮減了由離線（xiàn）測量誤差導致的廢品率，充分發（fā）揮了數控機床的性能。機床測量的應用可以減少（shǎo）中間環節，保證加工精度，提（tí）高數控機床的加工能（néng）力；並（bìng）可實現工件的數字化數據采集，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（yú）D-M-I模式的機床在線測量係統，通過（guò）對CAD的二次開發，可充分利用CAD強大的圖形（xíng）交互能力和設計功能，用（yòng）戶進行交互測量路徑的（de）規劃，方便係統的應用（yòng）。該方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（de）應用水平。