加工過程的質量監測問題一直受到人們的重視。制造業如何以低成本、高精度和靈活多變的柔性加工技術迎接二十一世紀的挑戰也是人們關心的問題。質量監控是現代加工技術的重要組成部分，作為加工過程監測手段的在機測頭，可對工件安裝定位、對刀、刀具磨損或破損以及加工件的形位尺寸等進行有效的監控。目前針對測量精度問題的研究主要集中在如何提高測頭系統的精度［5］，當測頭作為在機測量工具時，機床的坐標精度直接影響測量精度。本文通過在機測量

過程機床運動鏈分析，并以特征分析法來處理測頭的內部誤差，用軟件補償法提高測量精度。

2　在線檢測過程的運動鏈分析

在線檢測過程的運動鏈與加工過程相似，其區別是將刀具替換成測頭。根據機床幾何誤差補償技術分析，將包括機床在內的在機測量系統抽象提煉，以低序體陣列形式描述機床拓補結構，通過相鄰體的基本變換（包括位置變換矩陣和位移變換矩陣），其形式為（其中：c=cos,s=sin;αk、βk、γk為坐標系間的相對方位角）

式中：表示多體系統低序體的連乘，為測頭測球中心相對于刀具坐標系的坐標值。

基本變換中的誤差參數主要為機床的幾何誤差，通過參數辨識的方法（也可采用雙頻激光測距儀直接測量）獲得［6］。

3　基于特征測頭誤差處理技術

在機測頭測量的基本要素為點、線、面，由此構成形位尺寸的測量。在測量過程中，機床坐標反映的測頭測球位置，當處理和補償測頭誤差時，以測點的法線方向為依據，獲得對測頭精度最大的影響因素—預行程誤差（死區誤差），其它的誤差項如動態誤差、重復精度等誤差通過多次測量減小其影響。

3.1　測量類型

　　1）基本測量：主要包括點、線、直線距離和坐標系。

　　2）簡單組合測量：主要包括鍵槽、臺階、長方孔、圓心及直徑、橢圓、扇形、角度。

　　3）空間基本測量：

　　　球　　　　　　　球心及橢圓度

　　　圓柱　　　　　　不同高度的圓度，中心坐標

　　　圓錐　　　　　　高度、母線測量

　　　曲線測量　　　　平面曲線測量

　　　空間曲線測量　　基于網格的測量

3.2　特征描述

　　幾何特征：內凹、外凸。

　　位置特征：

　　　方向　　　X，Y，Z

　　　基平面　　XY，YZ，ZX，XYZ

3.3　測量及誤差處理技術

　　（1）測量過程

　　以下為測量Z方向一個點的程序段：

(程序頭）

  G31 G91 Z-10.F30;(以30mm/min的速度測量，此前刀具已定位到測頭上方）

  G31 G91 Z10。F600；（刀具抬起）

  G28 G91 Z0；（刀具返回參考點）

  G01 P10；（暫停）

 #12=#4014；（取當前坐標系號）

 #100=#5063;（讀觸發時Z坐標）

 #101=#［2700+#12］+#100;（把觸發坐標換算成機床坐標）

 #102=#101-#506;(計算刀長測量值）

 #2010=#102;(把刀長值送給指定刀編號：10號）

 (程序尾）

（2）處理過程

　　從圖1可看出，對于不同幾何特征，同樣測量圓心坐標和直徑，其測量路徑和測頭觸發方向都不一致。

　　針對規則形體測量，具體處理流程如圖2所示。對空間曲面的測量也可用類似的方法處理，但機械式觸發測量系統的效率較低，建議采用模擬測頭。

4　在線檢測誤差補償實驗

本實驗采用機床校驗標準試件

在MAKINO FANUC86—A20三坐標立式加工中心上實現。采用Renishaw MP3型機械式觸發頭，其中測頭的預行程誤差如表1所示。通過RS232C口NC系統與微機相連接，測量數據在

微機上進行后處理。該試件在MITUTOYO—BLN231三坐標測量機上用PH6觸發式測頭進行測量驗證。在無補償、有坐標和測頭誤差補償以及三坐標測量機的測量結果對比如表2所示。從測量的結果來看，通過誤差補償，測量精度有明顯的提高，接近三坐標的測量結果。

表1　測桿長度為50mm的預行程誤差

角度（°） 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330

誤差值（μm） 17 25 29 19 21 22 16 8 5 15 23 21

表2　標準試件基本尺寸在不同條件下的檢測結果

尺寸（mm） A B H D

無補償措施測量結果 213.901 123.808 14.934 245.220

坐標和測頭誤差補償后測量結果 213.920 123.839 14.945 245.247

三坐標測量機測量結果 213.922 123.841 14.946 245.250

5　結論

隨著計算機集成技術在機械制造業應用的不斷深入，機械制造從勞動力密集型往技術密集型發展，在線檢測技術取代了人工測量，成為加工過程重要的監測手段。機械式觸發測頭價格低廉、可靠性高等優點為廣大用戶所接受，國內有多家供應商。本文重點介紹的在機測量誤差處理方法，利用軟件補償法提高測量精度，通過補償前后與三坐標測量機的實驗數據對比，表明補償效果良好。該方法有一定的普遍性，適合其它類型的測頭誤差處理。