为了保证零件加工质量，提高效率，目前很多零件的主要工序都是采用数控加工。在加工过程中，需要经常对加工中的工件进行检测，以调整工艺参数从而提高加工精度。然而，如果加工和测量分别在不同的设备进行，不仅生产效率低，而且由于重复定位误差的存在，工件根据坐标测量机的测量结果再进行加工时往往难以保证零件加工精度，甚至会出现加工后零件报废的情况。为了避免产生这一问题，很多学者致力于在线测量(On-line measurement)方面的研究：南京航空航天大学与中国航空精密机械研究所在FMS-500系统研制过程中用无线传输电测头系统对工件尺寸进行在线测量，取得了很好的效果。哈尔滨工业大学王世刚、马玉林开发了一个FMS在线检测监控系统，实现了对制造过程中的工件尺寸参数进行自动在线循环检测，获得相关尺寸参数。刘丽冰、刘又午等建立了包括机床和测头误差参数在内的加工中心在线检测系统误差模型,提出了测头系统测量误差参数和安装误差参数的辨识方法,实现了加工中心在线检测软件误差补偿。以上的一些检测手段虽然取得了一些可观的成果，但是还普遍存在一个问题，即只针对了特定系统进行分析，但难以适用一般。

　　本文采用在机检测与误差补偿相结合的方法，即在加工过程中，工件不必从机床上取下，利用机床上的测量仪器，通过精密机床高精度导轨的联动，以机床作为测量装置的载体，对工件尺寸和形位精度进行检测。这样，以机床的精度作为在机测量的精度基础，结合优良的加工环境控制，通过开发必要的测量程序和测量数据处理软件，就可以实现自动测量、直观显示测量结果并进行误差补偿。此系统使用简单，可以在不同的数控设备上移植，具有一定的通用性。

　　一、零件加工尺寸在线检测的原理

　　按检测时是否停机，尺寸在线检测可分为加工过程中进行检测的在线检测和停机后不卸下工件进行检测的在机检测二类。到目前为止,对机械加工过程中工件尺寸直接在线测量技术研究最多的是车削过程和磨削过程,而且主要是对工件直径的在线测量。对工件尺寸在线检测更多的是采用在机检测的办法。

　　本文采用了在机检测与误差补偿相结合的方法，即在零部件加工过程中需要对工件尺寸进行测量时，机床停机，工件不从机床上取下，利用安装在机床上的配有通信功能的测头测量系统，按照待测量的工件尺寸和形位精度要求在测量程序的控制下对工件进行检测，检测结果数据传到计算机中进行分析与处理，并根据处理结果对加工参数、NC程序进行相应的修改与调整，对机床进行控制，实现加工误差的补偿。在线检测的基本原理系统框图如图1所示。

图1 零件加工尺寸在线检测的基本原理

　　二、软件系统结构与功能

　　为了实现零件加工尺寸的在线检测，我们把系统设计成具有设计尺寸和形位公差数据管理、测量程序生成和发送、数据采集、误差计算、误差结果分析和NC程序调整六个功能模块，其结构如图2所示。

图2 在线检测系统软件结构

　　1.零件设计尺寸和形位公差数据管理

　　为方便生成数控测量程序以及便于提取数据进行误差结果分析，通过建立设计尺寸和形位公差管理数据库，对加工零件的名称、特征号、特征类型、设计尺寸及偏差、形位公差等数据进行统一的存储和管理。在保证数据库的安全性和完整性的基础上，用户可以通过DBMS访问数据库中的数据，也可以通过DBMS进行数据库的维护工作。它提供多种接口，可使其它模块方便地访问查询和修改数据库。

　　2.测量程序生成和发送

　　NC测量程序生成系统共分为圆、圆柱、平面、距离和全跳动六个部分。因为圆、圆柱、平面、距离和全跳动代表了形位公差分析中所有可能使用的特征，只要将上述特征的测量数据组合，即可以分析各种形位公差。

　　该模块需要进行基本参数设置。在特征数据设置完成后，系统将自动生成测量文件。生成的测量文件通过RS232串口发送到数控系统中，由数控系统完成测量。

　　3.测量数据采集

　　数控系统根据测量文件进行测量后的数据文件通过RS232串口读入并保存至PC机。

　　4.误差计算

　　误差计算模块包括零件尺寸误差、圆度误差、圆柱度误差、平面度误差、同轴度误差、平行度误差、垂直度、全跳动误差八个模块。各个模块根据数据采集模块保存至PC机的数据文件，进行相应的形位误差的计算。

　　5.误差结果分析

　　该模块可以调用数据库中该零件的形位公差值和计算出的误差值进行对比，看是否超差，并具有超差报警功能。

　　3.NC程序调整

　　若计算结果显示超差，则必须对加工零件进行误差补偿。此时可以根据得到的误差值进行刀具补偿值设置，然后选择加工类型，系统将对NC程序进行调整并通过串口传送至数控加工系统重新加工。通过这些步骤，对圆度、圆柱度、平面度、同轴度、全跳动等误差较大的表面进行二次加工，以达到误差补偿的目的。

　　三、形位误差计算方法及其实现

　　在系统开发的过程中，难度{zd0}的是各种误差计算方法的确定及其实现。因为各种误差的评定方法都有多种算法，在算法的选择上不仅要求解速度快，而且要满足求解精度高。在开发过程中，圆度、平面度、圆柱度、同轴度等误差算法均采用了最小区域法。下面以圆度为例，简要介绍其算法过程。

　　首先建立圆度的数学模型，假设圆在XOY平面(或平行于XOY的平面)上，则最小区域圆的一般方程为

　　(1)

　　测得该圆轮廓线上n(n>3)个点，各点坐标为 (i=1,…,n)，则各点到该圆圆心的距离为：

　　(2)

　　按最小区域法构造以下函数：

　　= (3)

　　式中， 、 表示各点距评定圆圆心的{zd0}距离和最小距离。

　　当F取最小值时对应的 ， 即为最小区域圆的圆心坐标值。评定最小区域圆度误差的实质转化为求解关于圆心坐标a，b的{zy}化问题，用拟牛顿法基于目标函数F进行迭代搜索，以得到 ， 的值，此时的 就是最小区域圆度误差值。其计算模块结构如图3所示。

图3 计算模块结构

　　具体步骤如下：

　　(1)根据测得n(n>3)点(各点坐标为 (i=1,...,n))中的三点：P1( , )、P2( , )、P3( , )，解得圆心坐标初值( , );

　　(2)按下式构造函数 ： (4)

　　(3)将 作为初值代入式(4)，进行迭代求解，求得符合迭代求解精度和该函数式的解，，该解即为评定基圆的圆心坐标;

　　(4)求解各点距评定基圆圆心的距离(i=1,...,n);

　　(5)则圆度 ，式中 、 为距离 的{zd0}值和最小值。

　　四、系统验证与应用

　　系统完成后，江苏国防区域计量站2103校准实验室对本系统进行了检测，并将测量结果与三坐标测量机的测量结果进行了比较。证明了数控加工零件尺寸在线检测系统设计合理，误差评定方法正确可靠。

　　目前，该零件尺寸在线检测系统已经成功应用于DHP50数控镗铣加工中心的零件加工的在线测量。在对某雷达产品伺服精密构件机座、左支臂、右支臂和万向支架等产品的加工过程中，显著提高了零件首件合格率，零件成品合格率提高15%，加工效率提高20%。

　　五、结束语

　　本文设计并开发了零件尺寸在线检测系统，并在4坐标数控镗铣床上的精密零件加工中进行了测试与应用。测试结果表明，该系统使用方便、灵活，能够较好地实现自动测量、误差计算、显示测量结果并进行误差补偿等功能。另外，该系统可以在不同的数控加工设备上移植，因此还具有推广应用价值。

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