伏 天，遲玉倫，李郝林

（上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

平面度誤差是指被測實際表面對其理想平面的變動量，目前對于平面度誤差測量的研究大部分停留在實驗室內(nèi)，沒有批量應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，制約該技術(shù)發(fā)展的重要原因是不能快速獲得準確的被測平面信息以及對其進行高效、精確的評定。

本文以西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的OEM（Original Equipment Manufacture）開發(fā)軟件為平臺，利用840D數(shù)控系統(tǒng)開放性強的特點，針對光學(xué)玻璃的平面度誤差測量問題，設(shè)計了一套基于西門子840D的平面度誤差在線測量系統(tǒng)。

1 平面度測量系統(tǒng)應(yīng)用軟件功能

本系統(tǒng)包含傳感器采樣、傳感器濕度修正、導(dǎo)軌誤差分離、平面度評定、繪制玻璃表面形貌、數(shù)據(jù)分析等功能，同時具有快速、精確、易操作等特點。

圖1為超精密平面度在線測量系統(tǒng)軟件框架圖。本軟件的主要功能模塊為運動控制模塊、傳感器采樣模塊、平面度評估模塊以及數(shù)據(jù)分析處理模塊。各模塊的功能如下：

（1）運動控制模塊：該模塊通過對 NCU（Net Control Unit）和PCU（Package Control Unit）通訊方式的運用控制采樣點的選擇；同時還具有嚴格控制采樣點重復(fù)度的功能，消除了數(shù)據(jù)采樣中因采樣點位置不同而造成的重復(fù)度誤差。

（2）傳感器采樣模塊：該模塊具有對傳感器采樣的數(shù)據(jù)進行記錄、保存、修正等功能。在所有采樣點的數(shù)據(jù)均已采樣完成之后，本模塊可對采樣數(shù)據(jù)進行溫度、濕度修正，消除了周圍環(huán)境變化對采樣值的影響，優(yōu)化了最終的評定結(jié)果。

（3）平面度評估模塊：該模塊對經(jīng)過處理的采樣數(shù)據(jù)進行整合，運用改進的最小二乘逐次兩點法和最小區(qū)域平面度評估法的算法組合得到光學(xué)玻璃的平面度誤差。

（4）數(shù)據(jù)分析處理模塊：該模塊對多次測量之后所得到的平面度值進行重復(fù)度評價，對多次測量之后所得結(jié)果的均方差、平均值、最大值、最小值進行評價，能對某次測量所得的結(jié)果繪制出虛擬3D表面形貌。

圖1 超精密平面度在線測量系統(tǒng)軟件框架圖

2 平面度誤差評定算法實現(xiàn)

平面度誤差評定包括兩方面內(nèi)容，即導(dǎo)軌的誤差分離和平面度評定。對于前者，本文采用改進的逐次兩點法進行誤差分離，對于后者，本文采用最小區(qū)域平面度評估法進行平面度評估。

2.1 誤差分離算法原理

根據(jù)改進逐次兩點法的原理，本系統(tǒng)將3個傳感器呈直角形式擺放，3個傳感器分別標記為（1，1）、（1，2）和（2，1）。傳感器相對于被測光學(xué)玻璃平面的運動軌跡如圖2所示。其中，i表示當前行數(shù)，j表示當前列數(shù)，記傳感器（m，n）（m，n＝1，2）在某位置處的實際采樣值為Dijmn，則：

圖2 傳感器相對于光學(xué)玻璃的運動軌跡

當導(dǎo)軌移動到測量點（i，j）處時，3個傳感器的采樣值分別為Dij11，Dij12，Dij21，3個傳感器的差分輸出如下：

經(jīng)過以上差分輸出導(dǎo)軌運動誤差已經(jīng)被消去，把

（Dij12－Dij11）、（Dij21－Dij11）、（Dij21－Dij12）分別用x（i，j，1）、x（i，j，2）、x（i，j，3）三組數(shù)據(jù)代表，則式（2）可寫成如下矩陣形式：

2.2 誤差分離的算法實現(xiàn)

本文采用COM組件法，即利用MATLAB COM Builder將M函數(shù)文件轉(zhuǎn)換成COM文件，并且在VB開發(fā)OEM時直接調(diào)用該組件。以下是在MATLAB中編寫的改進逐次兩點誤差分離算法的部分程序：

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 測量結(jié)構(gòu)及儀器

整個測量系統(tǒng)由840D數(shù)控系統(tǒng)、實驗平臺、米銥電容傳感器、NI采集卡和傳感器夾具等部分組成。其中工作臺可以在X，Y方向運動，Z方向的手調(diào)立柱用來控制傳感器與被測對象的間距，采集卡將數(shù)據(jù)傳入到工控機中。整個測量系統(tǒng)的采樣界面見圖3，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理界面見圖4。

圖3 系統(tǒng)采樣界面

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理界面

3.2 測量結(jié)果分析

對同一光學(xué)玻璃的5次平面度測量試驗中得到了5個平面度測量結(jié)果，分別為21.796 9μm、21.800 3 μm、21.821 6μm、21.869 4μm、21.938 5μm，從數(shù)據(jù)中可以得出其5次測量的最佳重復(fù)精度為99.984%，5次測量的平均值為21.845μm，均方差為0.053 29，最大值為21.938 5μm，最小值為21.796 9μm。

該結(jié)果表明測量的偏差幾乎為0.1μm，重復(fù)精度高；又由于5次測量結(jié)果的均方差為0.053 29，因此各次測量結(jié)果數(shù)值相對波動率較小，證明本系統(tǒng)工作穩(wěn)定。最后取被測光學(xué)玻璃表面的平面度為5次評定結(jié)果的平均值，即為21.845μm。

4 結(jié)論

本文實現(xiàn)了只在數(shù)控系統(tǒng)上操作就能進行測量和運算的系統(tǒng)，大幅提高了平面度測量的效率，對于原本需要人工進行定位、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的整個約30 min的平面度評估過程，本系統(tǒng)實現(xiàn)了“一線”式操作，在保證測量精度的前提下，把評估過程縮減到10min以內(nèi)，效率提高了1倍多。

［1］葛根炎，李圣怡.精密和超精密加工在位檢測與誤差分離技術(shù)［M］.長沙：國防科技大學(xué)出版社，2007.

［2］葛根炎，李圣怡.大型超精密平面測量新方法［J］.機械工藝師，1998（6）：19－21.

［3］李靜，何永義.基于西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的凸輪非圓磨削的實現(xiàn)［J］.制造技術(shù)與機床，2007（11）：74－76.