数控加工中心在线测量研究.docx
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数控加工中心在线测量研究
1前言
1.1加工中心在机检测的背景意义
1.1.1机床行业现状
我国是世界第一大机床消费国和进口国。
目前，国内中档数控机床已显现出替代外国同类产品的趋势，而高端数控机床与德国等国仍存在大差距，国内机床难以占领高端市场。
同时，发达国家对于进口的数控机床始终有所限制，这不利于我国数控机床的发展。
船舶、工程机械、航空航天、风电等都是机床行业的下游产业。
在相关政策的推动下，我国汽车产量不断攀升。
随着汽车零部件制造加工工艺水平的提升，也会进一步提高对机床的要求。
在航空航天领域，势必需求大型高速精密的数控机床。
我国数控机床功能部件技术水平、产品的种类、服务的范围等都有了一定的进步，但国产功能部件远远达不到市场的需求的适应性和满足度。
我国功能部件的产品水平和国外有差距。
高技术的功能部件对数控机床影响大，如轴、直线导轨、直线电机、机械手。
而我国目前生产的功能部件大多数以劳动密集型为主，技术含量很低，难以适应国产数控机床的发展速度和要求。
这些关键的功能部件，我国还没有形成规模。
1.1.2加工中心在线检测的意义
数控加工中心在线检测免去了工件的反复装夹、校正的过程。
比离线检测减少了工件检测的时间，提高了检测效率;数控加工中心配备光栅尺等检测装置，可以有较好的检测精度;在成本方面，由于仅需附安装在机检测测头和相应软件即可完成检测工作，与三坐标测量机检测工件相比，大大降低了检测成本;由于加工与检测在同机上完成，检测反馈信息可用于修改加工G代码，形成加工—检测—再加工的闭环系统，将大大地提高成品率。
不仅在工件检测方面，在工件的装夹找正方面，在线测头也能发挥出独有的优势。
采用工件测头，可在机床上快速、准确测量工件的位置，再将测量结果快速反馈到数控系统中，修正工件坐标。
采用在线测头可替代使用百分表及芯棒寻找基准的方法[1]。
1.2加工中心在线检测的研究现状
1.2.1国内研究现状
国内对加工中心在线检测方面做了很多深入的研究，主要有误差补偿、基于CAD的加工中心在线检测技术研究、基于示教的加工中心在线检测、自动编程技术、路径规划、软件设计等方面。
刘丽冰等人研究了加工中心在线检测误差通用数学模型，探讨了测量系统误差参数辨识方法，实现了基于模型的加工中心在线检测软件误差补偿。
[2]王广彦研究了检测是产品设计阶段应法考虑的工作的观点并开发了基于CAD的加工中心在线检测编程系统，完成检测程序的图形化编制汇。
邓三鹏、姜庆华等人基于多体动力学理论研究了加工中心在线检测系统的拓扑结构，实现了相邻体间坐标变换矩阵，建立了检测系统的几何误差与热误差综合模型，对测头误差处理技术进行了研究。
该模型可以同时补偿测头误差、机床几何误差与热误差，并且在MAKINO立式加工中心上验证了此方法。
2005年，刘丽冰、田大伟、桑宏强等人研究用于加工中心在线检测的规范化方法，对检测信息进行特征抽象及特征分类，建立了检测路径规划的数学模型，完成了基于特征的工件检测路径自动规划及检测程序自动生成。
还研究了牙轮牙掌在线监控方法并开发了相应系统，在加工中心上用触发式测头实现了加工基准位置的在线监控。
1.2.2国外发展现状
目前，国外在理论方面也有很多在线检测方面的研究，包括通过在线测头减少机床的误差，提高机床加工精度等。
在实际应用中，国外很多机床制造厂都开发出了机床在线检测系统。
如英国的DELCAM公司，其推出的质量检测、在线检测系统PowerINSPECT得到广泛应用，它可以支持多种测量设备类型，功能强大，是易学易用的独立检测软件系统。
PowerINSPECT提供了强大的CAD数据接口转换软件，与广泛格式的三维数学模型进行联机或脱机检测比较误差分析，生成图文并茂的、符合PTB认证、符合1509002标准的、清晰易懂的检测报告。
英国ReniShaw公司也提供机床了测头和软件，可以完成对刀、刀具破损检测、工件找正、序中测量和首件检测等。
意大利的MARPOS提供整套的机床在机检测方案。
如图1.1为意大利MARPOS的产品。
图1.1意大利MARPOS公司机床检测方案
2.数控机床在线测量系统的组成和误差分析
为保证数控机床这样高度自动化设备连续可靠的工作，需要具有自动检测功能。
现代制造工业的快速发展对数控机床的在线检测技术提出了更高的要求，要实现数控机床高精度的在线检测，不可避免应对监测系统的组成、工作原理及主要误差进行仔细地分析，才可能尽量避免误差，或根据这些来源情况采取相应的措施，以对误差进行补偿，实现计算机辅助数控机床进行高精度在线测量。
2.1在线测量系统的需求分析
由于一些客观存在的原因，如生产现场环境恶劣、价格原因等，而且自动测量中常用的三坐标测量机和工业CT机均有各自的使用限制，均不能很好的满足生产的需求。
然而由测量软件+测头+数控机床组成的简单的三坐标测量系统，没有使用环境限制，测量范围原则上就是机床的加工范围，因此对于测量而言是低成本且行之有效的。
它还可以利用计算机强大的计算、存储和开发能力来弥补数控机床数控系统数据处理上缺陷。
数控机床配置相应测头和计算机软件，构成数控测量系统。
该测量系统是数控系统和测量系统集成化、一体化控制系统，是一个集机械、电子和计算机等学科的综合测量系统。
在高科技术飞速发展今天，测量技术对一个国家的综合发展起着十分重要的基础作用。
如果没有先进的测量技术与测量手段，就不可能有先进高质量产品，就很难制造出单项性能及综合性能均优良的产品，更谈不上发展现代高新尖端技术。
因此，世界上工业发达国家都非常重视研究和发展各种测量技术。
目前，机床上广泛应用测量以循环中测量为主要形式。
循环中测量incyclemeasuring，是一种测量作为整个加工过程一部分在机床上完成的测量方式。
加工与测量分开，一道工序或整个切削加工完成后不卸下工件，而是直接对工件进行测量。
测头在机床上应用，一般只局限于加工中小批量零件的CNC加工中心和数控车床。
CNC机床的生产效率非常高，如不能准确监控加工过程，很容易产生废品。
而循环中测量提供了一种自动监控方法，可有效的保证CNC的加工质量。
[4]
测头系统最初是用在三坐标测量机（CMMCoordinateMeasuringMachines）上的，它是CMM中最关键硬件之一。
它随CMM同时产生同步发展，有一定相对独立性。
CMM从手动到机动，又从NC到CNC，每步飞跃都包含着测头系统发展。
在测头系统为CMM提供了新的触测工作原理、新的精度后促使CMM性能发生根本性的变化。
同样，CMM的原理、性能以及关键技术有重大的突破进展，也会促进测头系统的更新换代。
测头发展水平直接标志着坐标测量机CMM性能的优劣，直接影响着CMM的测量精度、使用功能、操作的自动化程度和测量效率。
因此，研制生产CMM的厂家都要花费较多的精力和费用来研究高性能测头。
为了竞争的需要，高性能的测头关键技术处于保密状态。
三维测头，伴随着三坐标测量机的发展只有30年的时间。
国外以Renishaw公司为代表,开发了高性能的测头系统,并广泛应用于多种数控机床和坐标测量机，开发了加工中心专用对刀和检测测头系统，如立式加工中心用MP10测头，超小型测头OMP40，适用于各种加工中心的MP10系列测头。
国内的哈尔滨先锋机电技术开发有限公司CNC-OMS工件在线测量系统、OMS工件测头系统，还有适用于数控机床的TP-EP系列有线通讯测头。
这些相关研究及取得的成效证明了本研究题目的可行性，并为我们的研究工作提供了宝贵的参考资料，也更加坚定了我们研究信心。
2.2系统的组成结构
这套在线测量系统的组成如图2.1，主要包括数控机床、计算机、测头系统、被测工件和相应的软件，测头系统（如图2.2）又包括测头一个、电缆若干根和信号转换装置一个。
图2.1在线测量系统组成
接触触发式测头可像普通刀具一样，如果有自动换刀的话可以安装在刀库当，自动调出并安装在机床主轴上，没有的话就直接安装在机床主轴，由程序控制自动测量并将测量结果反馈给控制系统。
图2.2测头系统
2.3在线测量的原理
采用测头进行测量，先将测头安装在机床的主轴上，然后控制机床移动，使测头测针上的触头与工件表面接触，由机床的数控系统实时地记录并显示主轴的位置坐标。
因此，可以结合测针的触头与工件具体位置关系，利用主轴的坐标值换算出工件被测量点的相关坐标值。
获得工件被测量点的相关坐标值以后，再根据各坐标点几何位置关系进行计算，便可获得最终的测量结果[5]。
2.4在线测量的过程
要实现在线自动测量，首先应在计算机上编写或生成自动测量宏程序，并将测量宏程序由RS-232通讯接口传输给加工中心，从而使机床伺服系统驱动工作部件，带动测头及被测件按照测量宏程序产生测量动作。
测头进行测量时发出触发信号，通过测头与数控系统的专用接口转变为数控系统可识别信号，数控系统接受信号后，记录测点坐标，同时按宏程序控制测头的下一步动作。
在计算机软件系统控制下，可对系统测量结果进行计算、补偿、数据库链接等各项数据处理工作，完成全部测量工作。
2.5测头的工作状态
测量过程中，当触头与工件接触时，测头发出指示信号，该信号是由测头的灯光和蜂鸣器的鸣叫组成，主要是向操作者指明触头与工件已经接触。
对具有信号输出功能的测头，当触头与工件接触时，测头还通过电缆向外输出一个经过光电隔离的电压变化状态信号。
2.6测头在测量过程中的作用
根据上述工作原理，测头在能够执行并显示精确位移的机床上才能充分发挥测量的作用，例如：
各种数控、数显机床；测头是这种“测量装置”（即：
测头+机床）的一部分，它在测量过程中通过与工件精确接触来确定测量点的坐标、发出指示信号、保证测量结果精确和测量操作方便、迅速、可靠的任务[6]。
2.7测量的工作方式
测头在数控机床上共有两种工作方式，即手动工作和编程工作方式。
对没有信号输出功能的测头，只能采用手动工作方式。
对具有信号输出功能的测头，两种工作方式均可采用。
采用手动工作方式时，机床的运动由操作者手动控制，测量点的坐标值的记录和测量结果的计算亦由操作者承担。
手动工作方式适合单件、小批量或测量项目变化不定情况。
这种方式优点是使用安全，操作者不需要特别培训；缺点是不适合测量点很多，计算较复杂和大批量生产的情况。
采用编程工作方式时，整个测量过程中机床的运动、被测点坐标值的记录和测量结果的计算都由操作者事先编写的宏程序确定。
编程工作方式适合大批量或复杂的测量情况。
这种方式的优点是测量效率高；缺点是要求操作者经过专门的培训。
2.8系统的硬件配备
加工中心是YCM-V116B立式数控加工中心,测头是购买的雷尼绍测头.计算机配备基本的软硬件即可，计算机在这套系统中的主要功能就是在它上面把测量程序编写完成，然后使用我们数据传输软件通过RS-232接口传输到加工中心上去，还有就是在加工中心测量完毕之后，接收测量的数据到计算机一端，以便在计算机上进行后期数据处理[7]。
2.9常规检测过程中测量误差的来源及其种类
2.9.1测量误差的来源
在任何一项测量中，无论采用多么完善的测量方法和器具，由于各种因素影响，所得到的测量值总会存在误差。
就是同一台仪器，同一种方法，同一测量者对同一个量进行测量，结果往往也是不同的。
因此，在任何依次测量中所得到的测量结果，仅是被测量的近似值。
因此测量过程中，要考虑影响测量精度的误差组成来源。
测量误差主要来源于下面四个方面：
1、测量装置误差
测量装置误差指量具或者量仪及其附近和提供标准量值的基准件造成的误差。
测量器具因为本身设计上的原因，如用近似机构代替理论机构，用均匀刻度代替理论上的非均匀刻度，会给测量结果带来一定误差。
这种误差称为理论误差。
测量器具零件的制造误差和装配调整达不到理想状态，也会引起测量误差。
2、方法误差
由于测量方法本身不够准确而造成的误差称为方法误差。
3、环境误差
由于环境因素的影响而造成的测量误差被称为环境误差。
环境因素中温度的影响一般较大，因此规定：
标准的测量温度为20°C，高精度测量应在恒温条件下进行；温度和湿度需视测量精度，保持在不同允许范围内；被测体与量具都达到标准温度后，才能进行测量。
4、人员误差
由于测量人员的本身因素给测量结果带来的误差称为人员误差。
2.9.2测量误差的种类
根据误差的性质和特点，可把测量误差分为粗大误差、系统误差和随机误差三大类。
2.10加工中心误差分析
2.10.1加工中心几何误差
三坐标加工中心，一般都具有X、Y、Z三个相互垂直的直线运动轴。
理想情况下，测头和工件的相对位置是由工作部件的相对运动实现。
实际上，由于存在零部件的制造、安装误差和伺服系统的跟踪误差以及间隙、润滑等因素，机床各工作部件在进行程序规定的测量运动时，都会产生误差。
加工中心的几何误差是综合反映机床各关键零部件经组装后的综合几何误差。
运动学原理表明，一个物体在空间有六个自由度，包括三个平移自由度和三个回转自由度。
理想情况，机床的每个运动部件只有一个自由度的相对运动，导轨限制其它五个自由度运动。
而实际上，每个方向的工作运动都伴随六个自由度的误差运动。
[8]
加工中心的工作台沿X轴运动时，产生的线位移误差和角位移误差可以用六个误差参数来描述：
标尺误差δx（x）、水平不直度δy（x）、垂直不直度δz（x）、滚摆误差εx（x）、颠摆误差εy（x）和摇摆误差εz（x），同理，当溜板沿Y轴运动时，产生线位移误差δx（y）,δy（y）,δz（y）和角位移误差εx（y）,εy（y）,εz（y），当机床的主轴箱沿Z轴运动时，产生线位移误差δx（z）,δy（z），δz（z）和角位移误差εx（z）,εy（z）,εz（z）。
同时，运动轴之间的垂直度误差用δxy,δyz,δzx来描述。
由此得出，一个典型的三坐标加工中心共有18个误差运动，再和三个坐标轴间的3个垂直度误差，总共21项运动误差。
2.10.2加工中心热误差
物体的尺寸随温度而变化，这是固有特性。
1931年国际权度局确定以20C作为测量物体尺寸的标准温度。
即某一物体长为L，是指它在20C时的长度为L。
在其它温度下测量时，它的尺寸不为L。
这时产生热变形误差。
当测量仪器的温度偏离20C时，测量元件的性能和尺寸也会变化，同样会引起热变形误差。
热变形误差又称为温度误差，是由于温度因素而引起的几何参数的测量误差。
形成热变形误差的因素主要有两个：
一是被测物体和测量仪器的温度偏离20C；二是被测物体的尺寸和性能随温度变化。
对于被测物体，主要是它的尺寸随温度变化，具有不为零的线膨胀系数。
对于测量仪器来说，主要是它的结构尺寸的变化。
仪器总是在一定的环境条件下工作。
阳光、空调系统、冷却液、其它机器或仪器产生的热，都是外部的热源。
仪器还有不少的内部热源，如摩擦、电气系统中的功率损耗等。
机床频繁加速、减速及改变运动方向也会增大热能产生。
将工件或其它物体搬进搬出，也会带来或带走热量。
当外部或内部的总热量为零时，温度才趋于平衡；反之，当热量不平衡时，温度变化。
在热量以传导、对流、辐射三种方式传递时，空间各点的温度会不同，这种情况称为温度梯度。
综上所述，以温度本身而言，存在三种误差：
（1）温度偏离20C；
（2）温度随时间变化；
（3）温度的空间梯度。
三坐标加工中心，常见的热源包括：
主轴电机、主轴轴承摩擦、主轴箱齿轮摩擦、轴驱动电机、X、Y、Z向丝杠螺母摩擦、油泵和X、Y、Z向导轨副摩擦。
同时，加工中心的支持部件也可能影响热变形，其中常见的有电源、电气部分和换刀驱动马达等。
如果加工中心处于加工状态，冷却泵开动，则携带切削热的冷却液又成为影响机床变形的热源。
2.10.3测头误差
对于加工中心在线检测系统，由于检测装置采用的是测头，与测头相关的因素也会影响测量结果，形成与测头相关的一些误差。
影响测头误差的因素主要包括测头结构、与运动相关的因素、被测物体、工作方式、工作环境等。
在表2.1中列出了测头的各类误差。
表2.1测头误差分类
测头结构
与运动相关因素
被测物体
工作方式
工作环境
测头类型
测杆质量
测杆刚度
测头方位
测杆长度
测杆直径
弹簧预压力
接近速度
测头加速度
测头经度
测头纬度
表面接近角度
材料
弹性模量
形状
表面组织
检测路径
取点策略
测点数量
外界温度
外界变化
机床变形
以下对这几类因素进行详细说明：
（1）与运动有关的因素
当测头与测量表面接触时，碰触力受几个因素的影响，包括测头接近速度，测头的加速度，接近距离，及测量角度。
例如，当测球接触工件表面时，测头的速度越高，对测头系统的动态力就越大。
这就会使得测杆/测头组件弯曲变形，增加测量误差。
另一方面，在测量速度很低时，电接触噪声变得很重要。
实际上，速度应保持恒定，以减少测量误差。
（2）测头结构在接触测量表面时，测头对于碰触力的动态反应取决于测头和测杆的质量和刚度，尤其是测头预加弹簧压力，测头的方位，及测杆长度。
预加弹簧压力（或测量力）越大，使测头触发的接触力也越大，误差也越大。
预加弹簧压力应足够大以保证良好的动力接触，而不是太低以至于当测头从一个测量点到另一个测量点之间往返移动时，产生误触。
（3）被测物体也可能影响测头的动态性能。
例如，如果工件是由柔软易弯曲材料制成的，在测头的碰触下，其结构发生弯曲变形。
当测头以非正交的角度接触被测表面时，除了测头预行程变化误差外，预行程量还将引起在测球和工件之间可能的滑移而产生摩擦误差。
这种误差也受被测物体表面结构组织（粗糙度，波度）的影响。
（4）工作方式
工作方式指测头的测量点是如何取样的，工作方式与测量取点策略紧密相关。
由于检测路径会改变诸如测头经度，接近距离等，因此测头围绕工件的检测路径将会影响测量误差。
每一测量表面的测量点数也会影响测量不确定度，一般它随测量点数的增加而减少。
（5）工作环境
测头的动态误差也可能由工作环境而引起。
由于机床的外界振动，也可能导致测头测量误差。
尽管在温控环境中，热态的漂移比较小，但空气温度的变化，比如在加工车间，由于测头系统和工件的热膨胀，也会影响测头误差特性。
其中，测头的预行程误差是影响在线检测系统测量结果的主要误差。
2.11本章小结
本章首先介绍了加工中心在线检测系统的组成、工作原理，进而对加工中心的检测测头、信号传输方式分类以及测头测量原理进行了介绍，为测头选型提供了依据。
最后是对加工中心测量结果的误差分析，对加工中心几何误差、热误差、测头误差等进行了探讨，为测量误差补偿打下了技术基础。
3.测头性能分析以及数控机床用测头的选型
3.1引言
随着加工技术的发展，对机床的自动化程度和加工精度提出了越来越高的要求，从而以触发式测头为主的循环测量技术得到了广泛的应用。
在三坐标测量机发展的进程中，测头系统也经历了自己的发展历程。
各种测头都有其自身的特点及适用范围，因此要对各类测头的性能分析、比较，从而确定出最适合数控机床监测使用的测头，并研究该测头与数控机床的连接与通讯方法。
3.2测头的分类
3.2.1硬测头
接触式硬测头是指机械式测头，它是三坐标测量机早期使用的测头，主要用于手动测量，有的也能用于数控自动测量。
硬测头多用于精度不高的小型测量机中，它成本较低，操作简单方便，三坐标测量机的机械测头的种类很多。
这类测头的优点是简单，但是由于它只能用于手动测量，故测力无法准确控制。
测力过大，会引起测头和被测件变形；测力过小，又不能保证测头与被测件的可靠接触。
3.2.2光学测头
在多数的情况，光学测头与被接触物体没有机械的接触。
采用非接触光学测头，有以下突出的优点：
1.没有测量力，可测量各种柔软和易变形的物体；
2.由于不接触，可以快速对物体进行扫描测量，测量速度与采样频率都较高；
3.光斑可以很小，可以探测一般机械测头难以探测的部位，也不必进行半径补偿；
4.光学测头具有很大的量程，这是一般接触测头难以达到的；
5.同时探测内容丰富。
3.2.3电气测头
电气测头多采用电触、电容、电感、应变片、压电晶体等作为传感器接收测量信号，可以达到很高的测量精度，因此电气测头在各类三坐标测头中占有重要地位。
3.2.4触发式测头
在接触式测量中，普遍使用的是接触式软测头，其中使用最多的是接触触发式测头（也称开关发讯测头）。
该类测头品种繁多，世界公认性能最好的要属英国的Renishaw测头。
触发式测头通常具有三维测量功能，相当于触发精度很高的触点，在测量软件的控制下在数控机床上进行自动测量。
目前使用中的大多数触发式测头采用的是具有弹簧力作用的机械定位机构。
它是靠测球与被测工件接触产生的触发力克服内部弹簧的预压力，使测头内部某些触点脱离接触而发出触发信号。
这种测头结构的设计使得测头在不同的方位上接触工件时，要使触点开启所用的触发力不同，导致了测头预行程量的变化、重复性误差等，都是潜在的测量误差源。
它们的量值随测杆的长度或触发力的变化而变化，其中预行程变化是最大的测量误差来源。
该测头系统的设计消除了由振动引起误差。
采用测量传感器与运动复位机构相隔离的设计，这类测头与传统测头的工作原理不同。
传统的触发式测头采用符合运动学静定原理的三点布局的结构设计，其缺陷是会引起较大的预行程变化，造成测量误差与重复性误差。
新式的触发式测头设计成三网结构，预行程变化小。
用半导体应变片作为测头传感器的信号转换元件，把测杆的接触载荷转换成电信号。
3.2.5扫描式测头
扫描式测微测头（也称万能三维测头），这种测头的重复性误差<0.11nm，它使CMM的测量精度和自动化程度提高到一个崭新的水平。
与触发式测头相反，扫描式测头的输出信号为模拟量，故又称模拟测头。
它可以对工件表面连续采样，尤其适合于曲线和曲面、齿形和齿向误差的测量。
德国的OPTON公司和LEITZ公司的采用平行四边形弹性导轨系统的三向电感测头，利用差动变压器式传感器读取微位移。
LEITZ公司生产的扫描式测微测头，各轴的弹性系数相同，各向同性。
当测球与工件接触时，测球的偏移方向与所受触测力的方向是一致的，由此可以确定触测点的法线方向，从而由已知测球中心的坐标来精确求取触测点的坐标。
另外，日本三丰公司的扫描式测头，采用空气轴承微导轨系统，其微位移采用线性编码器读取。
这种扫描式测头的显著优点是，各轴的弹性系数相同，不存在各向异性，因此不必定期进行灵敏度调整。
3.2.6非接触式测头
最早的非接触式测头是瞄准显微镜，有目镜式和投影式。
但由于径深较大，在Z轴方向上的误差较大。
随着CMM的发展，开发出光三角测量式测头，环光隙式测头，焦点扫描式测头及立体摄像式测头等。
到目前，非接触式测头还没有突破性的进展。
目前出现的几种非接触式测头，都是在CMM上的应用，其结构复杂，应用范围非常狭小。
万能的非接触式测头还未出现，但从测量学的观点看，非接触测量的原理是诱人的，它最大的诱惑力就是测量力为零，在高精度测量中由测量力产生的系统误差和随机误差都是很大的。
3.3触发式测头系统
触发式测头的测头内部有在同一水平面上以120°对称分布的三个定位柱，每个定位柱又由其下面的两个支撑球支撑着，构成了一对触点副（两个触点）。
复位弹簧可使测头在测球与工件接触脱离后返回其初始位置（“自由”零位状态）。
这三对触点副在测头体内串联起来构成闭合回路。
[9]
测头与被测工件脱离接触力消失，在复位弹簧的作用下，使测头回到原始位置。
从测头发出的这一触发信号经信号传输器（红外传输，电磁祸合传输，无线电波传输或导线传输）传输至控制器接口中，由此接口对信号进行处理成数控系统可识别的开关量电平信号，并传送给数控系统。
数控系统接受到测头的触发信号后，使机床停止运动;并通过数控机床定位系统锁存测球球心的三个坐标值，来确定测球
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