在机测量技术现状与发展趋势

王平江，雷宇晴，邹尚波，崔璐璐

（华中科技大学国家数控工程技术研究中心，武汉 430074）

在机测量技术现状与发展趋势

王平江，雷宇晴，邹尚波，崔璐璐

（华中科技大学国家数控工程技术研究中心，武汉 430074）

文章主要论述了现代制造领域与复杂曲面加工密切相关的在机测量技术，并对在机测量给出了定义，从在机测量的类别出发，分别阐述了各种在机测量方式的研究现状，并指出了现有技术的不足、展望了未来的发展方向。对全面把握在机测量技术现状，发现技术瓶颈，探索在机测量新技术有重要指导意义。

在机测量；测量方式；技术现状

0 引言

上世纪80-90年代，基于三坐标测量机的测量技术因其精度高、通用性强、测量范围大、性能好等优点，已成为一类大型精密测量仪器，故有“测量中心”之称。但是，三坐标测量作为一种离线测量方式，不仅成本较高、维护困难，还需要二次装夹和重新定位，严重影响了整个加工的效率。

步入新世纪，航空航天、汽车、造船及模具等工业领域，生产模式从大批量和单一品种渐渐演变成中小批量和多品种，尤其是用于动力总成系统中那些复杂零部件的加工，如发动机中的叶片、缸体和缸盖、变速器中的壳体以及制动盘和制动鼓等。鉴于这些零部件形状复杂和工艺要求高，一旦出现废品就会造成很大损失，因此如何提升数控机床和加工中心制造质量意义很大。而在机测量（On Machine Measurement或OMM）功能的设置就是一种十分有效的手段，在机测量最早用于大型齿轮的加工误差补偿［1］，三坐标测量机虽然精度较高，但是对于大型齿轮而言，二次装夹和重定位是很困难和费时的，这就使得在机测量不失为齿轮在线测量的好方式，并且通过测量数据进行误差补偿，也可以达到应有的精度。近年来，随着各种可以用在机床上的测头（以下简称测头）的迅速发展，其在加工中心的运用也越来月普遍，它不仅能显著地提高工件的制造质量，而且还为各种复杂曲面的修复提供了解决方案［2］。

实践证明，在机测量不同于三坐标测量，它不仅可以实时的测量数据，避免了重复定位和二次装夹的工序，还可以直接将测量结果用于加工误差补偿，实现了加工生产和测量检测一体化，对减少辅助时间、提高加工效率以及提升加工精度、减少次品率有重要指导意义。本文主要从在机测量的类别出发，分别对各种在机测量方式的研究现状进行综述，比较了各种在机测量方式的应用场合和技术优劣，同时指出了现有技术的不足、展望了未来的发展方向，对探索在机测量新技术有重要指导意义。

1 在机测量及其分类

所谓在机测量（OMM），就是以机床硬件为载体，附以相应的测量工具（硬件有：机床测头、机床对刀仪等；软件有：宏程序、专用3D测量软件等），在机床上完成零件几何特征测量的测量方式。在机测量除了用于零件尺寸和精度的测量，还可以用于工件的找正、刀具破损检测、机床健康状态检测以及加工误差补偿和参数设置，对提高加工精度、构造大闭环系统有重要指导意义，尤其对复杂曲面来说，工件越复杂，精度要求越高，其优势越明显［3］。

根据测量方式来分，在机测量可分为接触式、非接触式以及复合式三类。目前运用最多的是接触式，根据测头类型，接触式又可分为开关式（触发式或动态发讯式）与扫描式（比例式或静态发讯式）两大类。开关测头的实质是零位发讯开关，当测头产生任一方向的位移时，均使任一触点离开，电路断开即可发讯计数。开关式结构简单，寿命长、具有较好的测量重复性，而且成本低廉，测量迅速，因而得到较为广泛的应用；扫描式测头实质上相当于X、Y、Z三个方向皆为差动电感测微仪，X、Y、Z三个方向的运动是靠三个方向的平行片簧支撑，测头的偏移量由线性电感器测出。非接触式主要分为激光扫描式、视觉式、超声测量等。激光扫描测头主要用于实现较软材料或一些特征表面进行非接触测量，测头在距离检测工件一定距离内进行测量，采点速率在200点/秒以上，通过对大量采集数据的平均处理而获得较高的精度；视觉测头进一步提高了测量机的应用，使得许多过去采用非接触测量无法完成的任务（如印刷线路板、触发器、垫片或直径小于0.1mm的孔）得以完成；超声测量主要是利用声波测距原理来检测，一般用于薄壁类零件的壁厚测量。复合式主要是前述两大类里面任意两种或两种以上的测头的混合，充分利用各种测头的性能，优势互补，达到更好的测量效果，是未来测量智能化的重要方式。

2 在机测量技术现状

在高质量产品的制造和高效率生产环境的构建中，测量技术发挥了很大的作用。近年来，基于接触式、非接触式等各种测头的在机测量技术在现代工业领域被广泛应用。

2.1 接触式

2.1.1 触发式

触发式测量在国内外发展较早，技术也相对成熟，测头的位置坐标主要通过加工中心的控制系统锁存，其精度主要取决于加工中心的定位精度。因此，为了得到较高的测量精度，国内外学者的研究大都基于国外的数控系统和加工中心。比较典型的有：杨光等［4］建立了由三轴立式加工中心、FANUC-0MC数控系统、EP6BL型触发式测头组成的在机测量系统，该系统可以根据测量数据完成曲面的UG建模和加工代码的自动生成，定位精度达到±0.003mm～±0.004mm，为实现CAD/CAM的集成奠定了基础。吴小梅［5］研制了基于数控铣床的测量、造型和加工集成系统，该系统的主要优点在于它可通过边界线的获取自动生成测量路径，从而完成各种曲面的测量、建模和加工，但该系统仅限于没有曲面突变的情况，对于有突变的情况还需进一步考虑。后来，孙宏强［6］在杨光［4］的基础上自行开发了测量软件，利用加工中心的高精度行走机构，运行在机测量软件生成的测量主程序和典型几何特征的测量宏程序，对在机加工的工件实现了坐标测量。其测量结果与三坐标测量机的测量结果相比有一定的误差，但总体看来，评价结果绝对误差都小于0.01mm，基本上符合工程中的误差范围。在多轴加工方面，Huang［7］利用触发式测头，对零件表面进行在机测量和误差补偿，首次在五轴加工中心上实现了薄壁类零件自适应柔性加工，达到了应有的精度，同时其研究还为叶片的高速高精加工提供了良好的加工策略。

触发式在机测量效率虽不尽人意，但精度较高，并且只要系统能够在测头触发的瞬间及时锁存测头位置坐标，便能获得更高的精度，但为控制系统的运行速度和循环周期提出了更高的要求。

2.1.2 扫描式

接触式扫描测量是在触发式的基础上发展起来的，克服了触发式测量不连续的缺点，提高了测量效率。但是，其测量坐标值为测头位移量与机床位移量的和，误差也为这两者的叠加，所以其测量精度也较触发式低。衣振国［8］结合Sinumerik84OD数控系统和DIGIT三坐标仿形仪，设计开发了基于开放式数控的多通道测量系统，在测量过程中，通过X或Z轴的随动控制，完成了蜂窝共底构件的测量，基本实现了型面测量、数据处理、曲面重构、加工程序生成、数控加工一体化功能，但其测量对象仍然是简单的曲面零件。赵磊［9］针对发动机整体叶盘结构特点和加工机床的周围环境，将Revo接触式扫描测头应用在臂式测量机中，率先设计国内首套发动机叶盘在机检测装置，完成了叶盘加工精度的评定工作。然而，目前较前言的是英国Renishaw，该公司针对在机测量开发了创新型OSP60扫描测头和SPRINT扫描系统［10］，该系统每秒能测量1000个真实3D数据点，其出色的分析能力为工件测量、检测、适应性加工和机内过程控制提供了无可比拟的优势，同时还可优化机床利用率和循环时间。此项新扫描技术开创了全新的过程控制方法，这是其他测量方法以前所无法实现的。除了极为快速而精准的3D测量外，SPRINT模拟扫描系统还可提高过程控制的自动化程度，无需操作人员干预。

通过对扫描式在机测量方法的调查，虽然测头的扫描效率不及非接触式，但是接触式测量方法在超精密加工中仍然很受欢迎，它的轮廓精度大约在亚微米级。并且，其对刀具的破损和机床的误差检测与补偿功能是其他测量方式无法轻易实现的。

2.2 非接触式

2.2.1 激光测量

对于非接触式测量方式，激光扫描法相对成熟，并且在三坐标测量机上已有的技术也可以很方便的移植到在机测量上来，如李健［11］在FANUC数控铣床上集成了激光测头而使其附加了数控测量功能，很方便的实现了三轴机床的在机测量。但是，如何提高激光在机测量的精度、扩展激光在机测量的功能（如工件找正、机床误差跟踪等）应是专家和学者们研究的重点。石照耀［12］利用激光跟踪仪在大尺寸测量和定位方面的优点，先采用AT901-MR激光跟踪仪建立起齿轮工件坐标系，并将齿轮工件坐标系与三维测量平台坐标系关联起来，然后利用测头对齿轮进行自适应测量，实现了特大型齿轮特征线的在机测量，开辟了激光定位-测量的新方式。Tae Jo Ko［13］在SINUMERIK 810D数控系统上开发了一种基于CAD/CAM的激光位移传感器测量系统，将测头控制和测量程序以API的形式植入CAM软件，得到良好的测量结果，但是该系统只能实现垂直方向的测量，对于陡壁类表面误差很大，另外热变形和刀具误差补偿也需要进一步研究。Wei Gao［14］在一台立式金刚石车床上安装了二维光学传感器，实现了加工过程中对圆柱表面正弦微观曲线的检测，并通过测量实验求出了最佳刀具半径补偿值（1.5mm），进而取代了名义刀具半径补偿值（1mm），使加工误差从原来的10.1nm减小到1.8nm，该系统不同于传统测量方式，测头没有固定在主轴上，而是位于垂直于主轴的平面，借助工件的旋转和上下移动完成柱面上正弦曲线的扫描。

2.2.2 视觉测量

三维视觉测量方法由于具有非接触、实用性强、分辨率高和速度快等特点，被认为是最有前途的三维形貌检测技术，已成为国内外三维形貌测量领域的热点和重点。刘斌［15］针对锻造生产过程中的大锻件尺寸测量问题，提出了基于双目立体视觉的在机测量方法，为大型锻件尺寸的在机测量提供了一种新方法。黎淑梅［16］提出了一种基于双目立体视觉的大尺寸工件在机三维测量方法，该方法以视差理论为基础，建立了双目立体视觉测量系统的硬件平台和软件框架，实现大尺寸工件三维信息的有效获取和关键尺寸的三维测量，并由实例检验了测量系统的有效性。但上述研究只是实现了单纯意义上的在机测量，并未能将测量数据反馈给加工控制系统，测量系统与加工控制系统仍然是孤立存在的。后来，夏瑞雪［17］在立式数控铣床上安装了视觉探头，以AutoCAD为开发平台在国内首次实现了视觉测量系统和数控系统的有效集成，并能根据CAD模型自动生成测量程序，实现了加工零件的在机视觉测量。该研究在一定程度上实现了CAD/ CAM/CAI的集成，但只支持特定的CAD软件模型，测量精度也不是很高，并且一次只能测量零件的一小部分区域，并不是完整意义上的视觉测量。2012年，Wang［18］利用机械手和工业相机在一台数控铣床上建立了一套单眼立体系统，通过图像镶嵌法初步实现了大型零件的在机测量与建模，但该方法只是建立在实验平台上，并没有应用于生产实践。

由此可见，视觉在机测量由于测量技术的复杂性，起步较晚、技术水平也相对落后，其与加工控制系统的高度集成与应用还有待进一步研究。

2.2.3 超声测量

超声测量在实际中应用较早，但与数控系统的集成技术近年来才崭露头角，T.PFEIFER［19］将超声波传感器集成到NC系统，并开发了测量软件，实现了中空类零件直径的在机测量，在实际中完成气罐的匀壁厚加工，精度达到6μm，但仍需进一步提高，以实现多范围内的精确测量。不同于内部特征测量，Zhai Ruihong［20］在五轴铣床上利用超声测头实现了零件外表面的在机测量，为了得到较高的测量精度，Zhai建立了五轴机床的测量动力学模型，然后根据超声波发射和接收的特点，得出了测量路径的计算公式，并利用图像分割算法提高了效率和精度。磨床在机测量方面，Huang Yun［21］在西门子840D砂带磨床上集成了超声测量系统，可完成工件厚度的在机实时检测，该测量系统的数据采集模块通过多点通讯接口与控制系统相连，可根据实时厚度对磨头的位置进行控制，实现了加工、测量的一体化，提高了检测和修磨的效率。

2.3 复合式

复合式在机测量主要是多传感器与数控系统高度集成，目的是优势互补，各取所长，实现精密化、智能化测量。2003年，浙江大学张华［22］提出在同一台设备上实现激光扫描、接触扫描和视觉测量复合测量方法，研究了基于神经网络的立体视觉微测量技术、多传感器互补测量与信息融合技术，但其研究主要集中在理论层面，并没实现其与加工中心的集成，也未用于实验。将复合式在机测量首先用于实践的是华中科技大学，牟鲁西［23］研究了基于误差分析的复杂曲面零件接触式测头-关节臂激光扫描仪组合测量方法，初步搭建一个面向复杂曲面零件多轴数控加工的在机组合测量系统，实现了复杂曲面全局快速测量和局部超差区域精确测量，并在工程中进行了验证。2005年，国外学者Gil-Sang Yoon［24］开发了一种3D在机测量系统，实现了接触式测头和激光测头的有效集成，其中，接触式测头主要用于CAD模型已知的特征测量，而激光测头主要完成局部（如小孔）测量，拥有很好的误差预测和评定功能。可见，真正将复合式测量用于实践的还屈指可数，并且其测量方式也仅包括了激光扫描和接触式测量两种，多样化、智能化测量方式集成还停留在理论研究阶段。

3 发展趋势小结

随着现代制造业对零件加工高精度、高效率的要求，以及各种高精度机床测头的迅速发展，零件的测量方式也将从传统的三坐标机测量向高效、实时的在机测量转变，并且构建基于在机测量的大闭环CAD/ CAM/CAI系统也将是今后的主要发展方向。在这方面，国内外大量专家、学者对在机测量技术都进行了一定的研究，但局限性太强。首先，所谓的曲面零件在机测量大多针对某一种零件或某一类零件，并且对零件的曲面特征还有一定的要求，测量范围有限。其次，在软件层面上，由于加工中心控制系统种类不一，对数据采集接口的要求各异，很难实现测量软件与控制系统的集成，同时，控制系统与曲面建模软件之间也没有规范性的接口，它们都是独立的存在，因此并没有实现真正意义上的CAD/CAM/CAI高度集成。再次，与加工中心集成的测量系统大都是单一测量方式，对多传感器互补测量的探索也仅限于全局测量（如接触式测量）与局部测量（如激光测量）的组合，未能将多传感器互补、智能测量的理论很好的运用于实践。最后，高速高精的测量理念未得到深化，在机测量之所以能优于三坐标机测量，很大一部分原因在其高速上，而前述的研究很少有突出高速测量这一思想的，大都将重点放在精度上，所以测量速度和精度未能得到很好的统一。

未来，随着各种高精度要求的复杂曲面的广泛运用，在机测量主要朝构建大闭环的CAD/CAM/CAI集成系统发展，以实现高精度、高效率加工，其主要特点是：①通用化，即对于任意复杂曲面，测量系统都能正确的给出路径规划，并按照一定的策略顺利完成零件的高速测量而不留死角；②集成化，未来的测量软件、控制系统、建模软件将以一定的规范、采用特定的接口高度集成在一起，实现数据的实时共享，而不是各种通讯接口和协议的自我封闭与割据；③智能化，即测量系统将集成各种传感器，如视觉、触觉、嗅觉传感器等，根据各类型的数据做出判断、并自动调节测量策略，实现自动化的智能测量；④高速高精化，高速不仅体现在加工效率上，更体现在数据采集上，在数控系统的插补周期内，测量系统将以更高的速度采集数据；高精主要取决于机床用测头的精度与加工中心的精度，而这两者的高精度化正是未来测量和加工发展的方向。

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（编辑 李秀敏）

Status and Development Trend of On-machine Measurement Technology

WANG Ping-jiang，LEIYu-qing，ZOU Shang-bo，CUILu-lu
（National Numerical Control System Engineering Research Center，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

this paper mainly discusses the on-machine measurement technology of modern manufacturing field that closely related w ith complex curved surface machining，and the definition of on-machine measurement is given.Then starting from the category of on-machine measurement，it respectively illuminates the research status of measurement mode for all kinds of the on-machine measurement，then points out the shortcomings of existing technology and clears the development direction of the future.It is of important guiding significance for comprehensively grasping the current status of on-machine measurement technology，finding the technology bottlenecks and exploring new technology of on-machine measurement.

on-machine measurement；measurement mode；technical status

TH161；TG659

A

1001-2265（2015）07-0001-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.07.001

2014-10-31；

2014-12-15

国家科技重大（04）专项（2012ZX04001-012）；国家科技重大（04）专项（2012ZX04001-022）；2012国家支撑计划（2012BAF17G01）

王平江（1963-），男，武汉人，华中科技大学副教授，博士，研究方向为数控及自动化控制技术，精密测量仪器的研究和设计，（E-mail）pingjiang_wang@qq.com；通讯作者：邹尚波（1990-），男，湖北襄阳人，华中科技大学硕士研究生，研究方向为数控在机测量技术，（E-mail）271636669@qq.com。