局部坐標係最小二乘（chéng）法擬合曲線圓心在一（yī）些大型、高精度箱體類零件的孔係加工中，對於（yú）孔的形位公差的（de）測（cè）量（liàng）是（shì）一個決定生產質量和效率的關鍵環節。但在目前實際生產中所采用的各種方法，手工檢測精度和（hé）效率較（jiào）低; 三坐標檢測（cè）本身（shēn）測量精度很高，但離線測量不但帶來很大的定位基準誤差，且對工件的（de）修正加工帶來困難，多次（cì）裝夾工件還增加了工作強（qiáng）度; 而利用加（jiā）工中心機床本身的（de）功能，在線測量不僅能更好地滿足工件檢測精度要求，對提高生產質量和生產（chǎn）效率（lǜ），減（jiǎn）輕勞動強度（dù）都有著很高的應用價值。本（běn）文（wén）針對高精度箱體上相交斜孔位置度在線自動檢測問題進行了研究，提出了（le）開發設計的思路和方法，並對係統（tǒng）測量宏程序的編製進行（háng）了深入（rù）的分析和研討，通過箱體相交斜孔的生產（chǎn）實例，編製了檢測宏程序。同（tóng）時，對係（xì）統的組成（chéng）原理、工藝性、檢（jiǎn）測精（jīng）度、安全性以及（jí）數據處理等作了必要的論述。

1 基本組成和工（gōng）作原理

    五軸加工中心在線自動測量係統（tǒng）包括加工中心、計算機（jī）、測頭係統和工件。接觸式測頭像普通刀具一樣安裝（zhuāng）在加工中心刀庫（kù）中，可由程序控製實現自（zì）動調（diào）出並安裝（zhuāng）在主軸上，測頭就（jiù）相當於一個重複精度很高的觸點開關（guān）。其（qí）工作原理如圖1 所示，首先在計算機上生成自動測量宏程序，並將測量宏程序由RS232 通信接口傳輸（shū）給機床（chuáng）數控係統，數控係統將程序處理後，發出控製指令，從而使機床伺服係統驅動工作部件，利用加（jiā）工中心係（xì）統本身的（de）傳動機構控製（zhì）測頭向測量點運動，當測球以一定的速度接觸工件（jiàn）時，測頭被觸發，測頭內部觸點脫開（kāi），觸發（fā）信號傳到轉換器，轉換器發出短暫的蜂鳴聲，並通過測頭與數控係統（tǒng）的專用接口轉變成數控係統可（kě）識別的信號，該點瞬時的機床坐標由運行的程序（xù）讀出並記入相應（yīng）的變量中。信號接受後，加工（gōng）中心立即停止運動。測頭允許一定的超程，但測頭的運動速度不能過高，以免損壞，必須用跳步指令（lìng）來實現測量工（gōng）進動作( 如FANUC 0mc 係統的跳步指令為G31) 。當測頭離開工件時（shí），發出第2 次蜂鳴聲，測杆複位。

     在計算機軟件係統控（kòng）製下，可對係統測量結果進行計算（suàn）、補償、數據庫（kù）鏈接及可視化等（děng）各項數據處理（lǐ）工作，直至完成全部測量工作。

2 測量宏程序（xù）及其編製

     測量宏程序是加（jiā）工中心在線測量的依據，是使測頭按照一定速度和特定路線執（zhí）行測（cè）量任務的命令集。

     在編製某個工件測量（liàng）宏程序時，首先要製定工件的檢測工藝方案，並根據所使（shǐ）用的五軸加工中（zhōng）心規定的指令（lìng）代碼及程序格式，將工件的檢（jiǎn）測元素、幾何參數、測（cè）頭運動路徑規劃以及其他輔助動作編製成（chéng）工件檢測程序單，再將程序單輸送給數控係統，從而（ér）指揮加工中心（xīn）實現檢測功能。工件結構形狀、精度要求（qiú）不同，檢測程序及參數也（yě）不同。

     測量宏程（chéng）序的編製應注意以下幾個（gè）問題:

     ( 1) 由於測頭和機（jī）床類型的不同（tóng）組合，為實現不同測量功能的宏程序的編製也不盡相同，編程者要對不同組合的係統進（jìn）行分析和比較。

     ( 2) 要明確測量（liàng）對象是序前、序（xù）中還是序後測量。序前測量由（yóu）於被測要素的（de）位置坐標不明確，需要手動引導測頭進入測量（liàng）區。而序中（zhōng）和序後測量，由於有準確的測量位置（zhì）坐（zuò）標，可通過程序實現自動測量。

     ( 3) 明確被測對象的（de）幾（jǐ）何（hé）要（yào）素特征，選定相應的測量方法，包括（kuò）測量速度、測點（diǎn）數、測點分布、測頭接觸方式及測量路徑規劃等。

     ( 4) 因為是利用機床在線測（cè）量，機床要完成的加工工序比較多，對（duì）局（jú）部變量（liàng）( #1 ～ #33) 、公共變量( #100 ～ #149，#500 ～ #531) 的使用應（yīng）先進行設計安（ān）排並作出規劃（huá）表，以使工件加（jiā）工和測量中信息參數不至於因為地址重疊而（ér）發（fā）生數（shù）據混亂。從實現角度講，編製測量宏程序最關（guān）鍵的問題是對宏變量的（de）操作。宏程（chéng）序中用係統變量保存模態（tài）信息變量，如記錄（lù）刀具偏置值、工件偏置值和坐標值等。公共變量（liàng）是各子宏程序之間共同使用的變量，它們用來保存標定（dìng）信息或坐標轉換信息（xī）。與公共變量相反（fǎn），各子宏程序的局部變量相（xiàng）互獨立，其有效範圍隻局限在本程序。通過局（jú）部變量可實現（xiàn）數據交（jiāo）換、條件（jiàn）判斷等功能。

     ( 5) 測量路徑（jìng）的快速性、精確性和安全性是編製測量宏程序（xù）的關鍵。測頭的運動速（sù）度包括定位（wèi）速度和（hé）接近速度，即測量動作是由一個個定位動作、接近動作、接觸動作（zuò）和（hé）後退動作（zuò）組合而成，如圖2 所示求高精度甚至（zhì）精密檢測情況下，測（cè）量動作需要重（chóng）複進行，以消除在線測量係統中各種可能（néng）的隨機誤差因素。係統記錄每（měi）次測量的坐標值，並進行多次累加求出測點坐（zuò）標平均值。如果采用多次碰撞重複測量，並合理安排定位（wèi）動（dòng）作、接近動作、接觸動作和後退（tuì）工作的點坐標位置和運動速度，即可保證測量的精度和（hé）速（sù）度。本係統中精（jīng）密測量選項即是指重複測量求取平均值。測量（liàng）路徑的安（ān）全性是指測量過程（chéng）中（zhōng）工件和測頭的安全性（xìng），既要避免測頭對工件的擦傷，又要避免工件或夾具對（duì）測頭的超程撞擊。

     對本係統來說，測量（liàng）路（lù）徑（jìng）的安全性應遵循以下原則:

( 1) G31 指令程序段的下一段要用反向運動指令，這（zhè）樣可（kě）有效地避免測頭的超程撞擊。

( 2) 要避免相鄰程序段連續使用（yòng）G31，以免產生（shēng）超程撞擊（jī）以致損壞測頭或工件。

( 3) 測（cè）頭尋找（zhǎo）工件時用G31 指（zhǐ）令並使用較小的進給速度，絕對不（bú）允許使（shǐ）用G00 或G01。

( 4) 對異形件的測量，要充分考慮到中間障礙物的高度、大小問題（tí）。

( 5) 多使用一些工藝性的防（fáng）止碰撞（zhuàng）的程（chéng）序段。

3 測量宏程序實例

     圖3 為（wéi）某箱（xiāng）體零件相交孔部分簡化結構示意圖。設計要求零件上表麵的垂（chuí）直孔與斜側麵上的相交孔有較高的位置度。由於箱體較大，移動及安裝定位不易，所以采用在線（xiàn）測量的方式進行（háng）檢驗。以零件上表（biǎo）麵垂直孔作為基（jī）準孔，這樣可以消除零件安裝誤差對測量精度的影響。對每一被測孔通（tōng）過坐（zuò）標（biāo）係變換，設定局部坐（zuò）標係，保（bǎo）證主軸軸線與孔軸線平行，局部坐標係的原點即為被測孔的位置理論點。坐標變換的原理如圖4 所示，先將原坐標係（xì）平移至被測孔中心O1 ( xe，ye， ze) ，X 軸保持水平（píng），坐（zuò）標係繞X 軸旋轉α 角度，再繞（rào）Z軸（zhóu）旋（xuán）轉γ 角度，便得到被測孔（kǒng）的局（jú）部坐標係O1 X1 Y1Z1。測量（liàng）主程序調用格式如下:

G65 P1001 X Y Z A C R M F HE Q B;

     參數說明（míng）: X( #24) 、Y( #25) 、Z( #26) 為被測孔（kǒng）端麵中（zhōng）心坐標值; A( #1) 、C( #3) 為被測孔局部坐標係繞X、Z 軸轉角; R( #18) 為被測孔半徑; M( #13) 為標準（zhǔn）測量( 0) 和精密測量( 1) 的（de）選項; F( #9) 為測（cè）頭快進速度; H( #11) 為測頭慢進( 工進) 速度; E( #8) 為測頭慢進和後（hòu）退距離，一般應大於（yú）3. 0 mm; Q( #17) 為測頭探測超程距離，取值在2. 0 mm 左右; B( #2) 為需要的測點個數。

     測（cè）量宏程序見表1。

4 測量數據的處理

     以上宏（hóng）程序測得的數據就是（shì）在局部坐標係中被測孔圓周上的一（yī）係列點( xi，yi) ，根據測量數據采用最小二乘法得到擬合曲線圓（yuán）方（fāng）程，進而得到擬合曲線圓心坐標（biāo）( x1，y1) ，如圖5 所示，這項工（gōng）作可以通（tōng）過計算機專用程（chéng）序軟件（jiàn）完成。z1坐（zuò）標的測量可通過測頭垂直於孔口（kǒu）端麵接觸工件來獲得，便得到被測孔的位（wèi）置坐標Om ( x1、y1、z1) 。孔的理論位置為O1 ( 0，0，0) ，於是，被（bèi）測（cè）孔（kǒng）的位置度誤差為

5 結語

     在線自動測量技術是一項先進、高效（xiào）、精確的檢測技術，尤其適應於高精度大型箱體類工件（jiàn）及安裝定位不太容易的工件，對保證工件加工質量和提高生產效率具有很高的實用價值。本文論述了高精度箱體相交孔係在線測（cè）量係統（tǒng）的組成和工作原理、測量數據的處理。通過局部坐標係的建立，簡化了測量工作。對（duì）於測量係統研發的（de）重點工作即測量宏程序的編製原則、工藝方（fāng）案以及測量的快速性、精確性、安全性作了重（chóng）點的分析和討論，並以實（shí）際案例來說明宏程序的編製方

法。