數控機床在線測量技術研究
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（2） 搜索距離。該距離設定了測頭從零件的公稱尺寸開始沿進入被測零件材料內部方向的最大距離。如果測頭在這段距離運動中觸發，機床將鎖定觸發點的坐標。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面后沿反方向回退的距離。測頭接觸被測表面后，為了避免移動過量而折斷，測頭需要反方向退出一段距離，同時回退距離必須足夠大，以保證測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，測頭以回退速度退回。
為滿足測頭各個運動階段的不同需求，在測量過程中對應了3種距離，包含3種速度，即定位速度、測量速度和回退速度。測量速度應取值較小，以減小測量值的誤差，同時避免折斷測桿。在測量過程中為提高測量效率，可以將定位速度和回退速度取值較大，從而保證以較快速度移動測頭，減少測量時間。
為避免測頭在碰觸到被測表面后仍向前運動而折斷測桿，機床測量會在接收到觸發信號之后將剩余行程刪除。剩余行程刪除，即測頭在已編程行程運動過程中接收到觸發信號時，記下當前坐標值之后跳過未完成的動作，繼續執行下一行代碼。
目前，數控系統一般均提供了基本的測量指令，或測量系統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 檢測路徑規劃
數控機床在線測量系統是一種通過采樣來進行測量的系統[16]。因此采樣點的數量和分布情況將直接影響測量結果，對自由曲面的測量尤為重要。對整個被測表面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效率。因此如何規劃高效、準確的檢測路徑成為關鍵所在。
機床在線測量在規劃檢測路徑時，在滿足測量精度要求的基礎上盡可能提高測量效率，即在滿足測量精度的前提下，以最短的測量路徑檢測最少的測量點。以圓柱面測量為例，把測頭定位到型面的中心線上，采用四點測量方法便可以獲得高精度的測量結果。該測量方法對內孔測量也同樣適用，詳細測量路徑見文獻[17]。
在路徑規劃要求的指導下，平面測量、凸臺/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[17]。
當進行復雜測量時，則編程人員需要對CAD系統進行二次開發，根據基本測量原理在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于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。
在任何一項測量中，由于各種因素的影響，所得到的測量值總會存在誤差。為了使測量結果更精確地逼近真實值，需要對測量結果進行補償，因此測量過程中影響測量精度的誤差組成來源應當被仔細分析和考慮。
由于數控機床在線測量系統是以機床為母體，集成測量系統而生成的。所以數控機床加工過程中存在的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系統誤差、機床運動部件定位誤差、測量路徑不合理造成的誤差[16]，其中測頭系統誤差又分為測頭靜態誤差、測頭動態誤差以及測頭在機床上的安裝誤差等。
測頭靜態誤差包括死區誤差和測頭重復定位誤差，它隨著測桿長度、剛度以及接觸壓力的改變而改變。死區誤差是指測頭在接觸工件后，測桿發生的彎曲變形量[18]。測頭重復定位誤差相對于死區誤差相對較小，因此測頭靜態誤差主要由死區誤差決定。測頭動態誤差主要與測頭檢測時的接觸速度以及數控系統采樣間隔有關。
測頭是通過與機床配套的刀柄安裝機床主軸上，由于測頭軸線與主軸軸線的不完全對中，存在測頭的安裝誤差[3，19]，在多方向測量中造成測量誤差。測頭與主軸的不對中安裝誤差，可以通過測量前的測頭偏心標定進行部分補償。
由于數控機床零部件的制造、裝配誤差、伺服系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，在數據處理時可通過測頭半徑補償來消除[14]。但在實際測量中，情況較為復雜，測頭半徑誤差將引入測量結果，在自由曲面的測量過程中，該項誤差更為明顯。
針對測量過程中諸多的誤差來源，高效、高精度的誤差補償算法是亟待解決的一個關鍵問題。在實際應用中，可采用多次測量、誤差補償等減小測量誤差，提高測量精度。
機床測量系統與CAD的集成
數控機床在線測量作為M-I模式的典型代表，極大地縮短了生產周期。但在實際應用中，由于并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，根據測量結果進行再加工時，會造成誤差的累積。在實現D-M-I模式集成后，可針對該項誤差進行補償[20]，從而進一步提高測量精度。
鑒于D-M-I模式相對于M-I模式的數控機床在線測量系統具有更高的精度和靈活性，針對結構復雜零件的加工、測量與修整，我們采用了D-M-I模式的數控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機上主要完成CAD系統與CAI軟件系統的集成，在數控機床上完成NC系統與CAI的硬件系統集成，從而實現CAD/NC/CAI的集成，系統結構如圖7所示。
該機床在線測量系統的操作步驟為：操作者首先向虛擬數控操作環境中加載目標零件模型；隨后進行虛擬操作環境初始化操作，其目的是建立虛擬操作環境下裝配坐標系與實際機床坐標系之間的關系、各運動部件的變換矩陣；最后，操作人員根據功能菜單選擇進行測量面選擇、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，只需將虛擬環境下的該零件激活，修改完成之后將整個虛擬環境重新激活，便可重新對其進行操作。該系統將CAI操作軟件通過二次開發技術集成到Pro/Engineer環境下，使得CAD系統與CAI系統實現無縫連接。基于Pro/Engineer的虛擬測量環境構建，可實現實際操作過程的模擬，對測量或加工過程進行可靠性驗證。
結論
測頭系統與數控機床集成構成的機床在線測量系統，可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致的廢品率，充分發揮了數控機床的性能。機床測量的應用可以減少中間環節，保證加工精度，提高數控機床的加工能力；并可實現工件的數字化數據采集，后期還可借助計算機輔助設計系統可以實現工件表面三維重構。基于D-M-I模式的機床在線測量系統，通過對CAD的二次開發，可充分利用CAD強大的圖形交互能力和設計功能，用戶進行交互測量路徑的規劃，方便系統的應用。該方向的研究及應用系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用水平。(end)
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