張建明，羅松保，龐長濤，杜海濤

（中航工業(yè)北京航空精密機械研究所精密制造技術航空科技重點實驗室，北京 100076）

隨著現代數控加工、傳感和測量技術的發(fā)展，機床在機測量（Onmachine Measurement，On-machine Gauging；或譯作在位測量，在線測量）技術對提高加工精度、效率和產品質量，解決離線測量的問題或障礙，發(fā)揮著越來越重要的作用。機床在機測量技術已成為現代先進制造技術的重要發(fā)展方向之一。

圖1 在機測量系統結構簡圖Fig.1 Schematic diagram of on-machine measurement system structure

通用數控機床在機測量技術

1 應用系統構成與效能

利用數控加工中心或車、銑中心等通用數控機床上已有的導軌坐標測量、運動控制系統，配置適當的刀具檢測、工件檢測用途的測頭，使機床具備數控多坐標測量機功能。

圖1 所示為典型的在機測量系統結構簡圖，其中伺服系統為多坐標伺服系統，測頭在機床加工過程中儲存在刀具庫，測量周期中換裝在刀具主軸上，形成數控多坐標測量機系統。工作臺上安裝刀具測頭，可對刀具主軸上的刀具進行檢測。

具有測量功能的擴展機床可實現：

（1）利用刀具測頭實現自動對刀、刀具破損監(jiān)測；

（2）工件測頭識別并設定工件定位狀態(tài)，可省去工裝卡具，減少機床停機時間，消除手動設定誤差，降低廢品率，提高生產力和批量產品尺寸的靈活性；

（3）通過對工件特征進行有序工件測量，自動修正偏置值，增強無人加工的可靠性、適應性，提供過程反饋，減小變化，利用自動偏置更新進行首件檢測，縮短等候首件檢測結果的停機時間；

（4）確認成品工件的尺寸等。

2 測頭技術

測頭技術是在機測量的核心關鍵技術。測頭的類型和性能將決定整個測量系統可達到的功能、精度和效率等性能水平。

（1）觸發(fā)式測頭系統。

目前，通常的數控機床在機測量系統大多配置觸發(fā)式測頭系統。

觸發(fā)式測頭工作原理如下[1]: 圖2所示測針后端3個等分圓柱與測頭內6個鋼球（或圓柱）精密接觸，形成三維空間6個線性無關的精密定位點機構，從而確定了測頭坐標系內3個直線、3個旋轉坐標6自由度空間位置的唯一向量坐標點。3個鋼柱和6個鋼球同時又形成了導電回路，檢測導電回路導電狀態(tài)可判斷定位狀態(tài)。當測球接觸工件，改變機構定位狀態(tài)時，檢測電路發(fā)出測量觸發(fā)信號。測量采樣觸發(fā)后，機床數控系統即時鎖存各運動坐標測量值，并使運動減速停止，完成一次“飛越”測量過程。

觸發(fā)式測頭應用要點：需采取適當的檢測對策，防止非測量態(tài)測頭定位機構誤觸發(fā)輸出。機床數控系統也需依工作狀態(tài)識別誤觸發(fā)信號。

觸發(fā)式測頭優(yōu)點：機械結構和檢測電路簡單，成本低；測針使用、更換靈活、方便；觸發(fā)力可調，以適應不同材質工件和不同測針的測量要求；支持通過加長組件進行深入特征測量；能夠運用星形測針作復雜測量，因而具有很好的空間可探測性（也被稱為“萬向測頭”）；可達到較高的探測精度（測頭機械精密定位機構重復性可達0.1μm；單向觸發(fā)重復測量精度為亞微米級；全向觸發(fā)測量精度為微米級）。

觸發(fā)式測頭缺點主要有：不能進行掃描測量，測量效率較低；受測球半徑影響，對于曲率變化大的復雜工件形面的測量適應性差，甚至不能有效測量；受接觸測力影響，不適合軟材料工件測量。

（2）測頭信號傳輸方式。

在機測量系統的構建首先需要解決測頭信號傳輸的問題。當采取刀具主軸換裝測頭的方案，測頭信號傳輸必須為無線傳輸方式。根據機床結構特點和工作方式，測頭信號傳輸方式可分為有線和無線兩類。

有線式傳輸成本低、可靠性高、實時性好，應盡量采用。如某些機床對刀測頭、某些車削中心刀塔安裝的工件測頭采用的是有線傳輸方式。

早期的無線傳輸方式有感應傳輸式、紅外傳輸式等。感應傳輸式成本低、可靠，但傳輸距離短，近年來使用較少。紅外傳輸測頭使用靈活，應用較廣。紅外測頭傳輸距離較遠，但有光路被干擾或被擋而使系統失控的危險。為使傳輸可靠，技術上可采用調制光學編碼傳輸，使其具有抗光干擾和通道監(jiān)測能力。近年來，國內外還開展了多種適合加工場合的無線傳輸技術的研發(fā)，如WIFI、藍牙、無線電跳頻等傳輸技術[1]。

目前，已獲得應用的有無線電跳頻傳輸系統（圖3）。跳頻（Frequency Hopping Spread Spectrum，FHSS）是一種獨特的無線電傳輸系統，無需使用專用無線電信道。測頭和接收器以連續(xù)的頻率同步跳動，因此允許多個測頭系統和其他工業(yè)設備共存。

圖2 觸發(fā)式測頭測針定位機構及工作原理Fig.2 Positioning mechanism and working principle of trigger probe stylus

超精密機床在機測量技術

超精密加工技術在現代高科技和武器裝備研發(fā)和生產中發(fā)揮著越來越重要的作用。這些裝備系統中的一些現代光學元件，除了超高的加工精度外，常常需采用一些特殊材料（金屬基等）和特殊形狀（非球面、自由曲面等）的結構。對于這類零件，通常的加工機床和測量技術手段往往難以滿足或實現加工要求。

為此，一種集當代多領域最先進技術，以確定性加工方式工作的超精密機床發(fā)展起來。這類機床的典型代表為單點金剛石車床（Single Point Diamond Turning，SPDT），其中美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）研制的大型光學金剛石車床（Large Optics Diamond Turning Machine，LODTM）代表了當今機床的最高精密度水平。 LODTM可加工直徑達2100mm，重達4500kg的工件，其加工面形精度最高可達0.028μm，表面粗糙度可達3.5～9nm。

圖4所示為中航工業(yè)北京航空精密機械研究所研制的Nanosys-1000 LODTM機床和在機平面度、直線度輪廓測量系統。該機床通過納米（1nm）級分辨率的超精密加工運動軌跡控制，用金剛石刀具直接車削成形金屬、紅外等材料的大型光學鏡面。該機床可高效地加工傳統光學加工技術和裝備難以或無法加工的多種材料（如金屬基、紅外、KDP等）和復雜曲面（深度非球面、離軸非球面等）的現代光學系統元件。

圖3 跳頻無線傳輸觸發(fā)式測頭系統應用Fig.3 Application of FHSS wireless transmission trigger probe system

圖4 Nanosys-1000 LODTM在機測量系統Fig.4 On-machine measurement system of Nanosys-1000 LODTM

對于確定性超精密加工技術而言，在機測量技術的研發(fā)則顯得尤為迫切和重要。通常在機測量技術主要用于提升加工效率。而在超精密加工的場合，則常常是解決能否實現的問題。典型的事例是研發(fā)的機床已達到極高精度，但沒有合適的測量儀器或手段用來測量被加工件（如非球面光學元件），只能利用機床本身的精度構建在機測量系統，才能實現對此類零件的在線檢測。雖然有離線測量手段，但由于工件加工、測量過程中的重新裝卡會相應地引入重復定位誤差，從而破壞超精密加工過程的誤差收斂。

1 超精密在機測量測頭技術

超精密在機測量的要求非常高，光學元件面形精度為亞微米級甚至更高；表面粗糙度為納米級或更高。為此，常用的觸發(fā)式測頭性能已遠遠不能滿足使用要求。

高分辨率、高穩(wěn)定、高線性、低測力（或無測力）測頭系統是超精密機床在機測量系統發(fā)展的關鍵技術。

目前，超精密加工對象主要為光學元件，超精密在機測量主要有兩種方式：接觸式微位移電感測頭對刀、檢測及工件面形輪廓掃描測量；非接觸式激光波面干涉測量。

2 電感測頭超精密機床在機測量技術應用

目前，對刀和輪廓掃描測量測頭主要采用接觸式超精密電感微位移傳感器。測頭測量分辨率可達1nm，在測量狀態(tài)控制（如溫度穩(wěn)定性、時間穩(wěn)定性等）的條件下，微位移測量精度可達數納米。

圖5所示 Nanosys-300是中航工業(yè)北京航空精密機械研究所研制的非球面超精密復合加工機床。其中，對刀和工件測量采用的是氣浮式超精密電感測頭。氣浮式測頭具有測力小且恒定的優(yōu)點。

圖6所示為Precitech公司Nanoform超精密加工機床及其氣浮電感測頭在機工件測量裝置[2]。電感測頭與單點金剛石刀具安裝在同一刀架拖板上。加工和測量過程中，工件不需多次重復裝卸，實現了加工、測量過程的一體化。其中加工件為非球拋物面，測量系統可對加工零件面形進行自動測量、分析、校正和調整加工工藝參數。

圖 7（a）所 示 為 SPDT機 床測量、加工校正前的面形輪廓精度Pt=0.3886μm；圖7（b）所示為SPDT機床測量、加工校正后的面形輪廓精度Pt=0.1531μm[2]。

圖8所示為美國LLNL研制的號稱世界最高精度的LODTM機床。為機床配置的電感測頭對機床加工的KECK深空望遠鏡二次反射非球面鏡進行在機掃描測量，鏡面面形輪廓測量精度值為數十納米。

3 激光波面干涉在機測量技術應用

圖9所示為法國REOSC公司的光學元件加工、測量一體化設施。其中數控研拋機床上30m高的塔中安裝有激光波面干涉儀。激光波面干涉測量精度在理想的狀態(tài)下，可達幾分之一波長，甚至幾十分之一波長。

圖5 Nanosys-300機床在機對刀和工件測量Fig.5 On-machine tool setting and work-piece measurement of Nanosys-300

圖6 Precitech公司SPDT機床Fig.6 SPDT lathe of Precitech

圖7 SPDT機床在機測量、加工校正前后的面形輪廓精度Fig.7 Measured form error before and after correction in SPDT lathe with on-machine measurement

圖8 美國LLNL研制的LODTM機床Fig.8 LODTM developed by LLNL

復雜及特殊形狀工件在機測量技術

觸發(fā)式測量系統適宜由平面、圓柱、孔、球等簡單幾何形狀元素構成工件的加工應用。但當測量對象為渦輪葉片等復雜面形需要采用大數據表征時，由于測頭的特點和工作方式的限制，系統的測量效率將變得很低。而對于微小結構（如雕刻表面等），由于測球直徑的影響，難以勝任相應的測量工作。

超精密在機測量系統中的線性電感測頭或激光波面干涉測量儀適合簡單形狀（如回轉類光學元件）工件的高精度測量，不適合構建復雜及特殊形狀工件在機測量系統。

隨著現代科技發(fā)展，復雜及特殊形狀零件的應用和在機測量技術的研發(fā)需求日益迫切。此類零件在機測量技術研發(fā)的關鍵是適應各種測量、控制要求的新型測頭、多軸控制系統及其應用技術。

1 3D接觸式掃描測頭及其應用

觸發(fā)式測頭“飛越”測量狀態(tài)可控性差，誤差因素多。接觸式高分辨率、微位移測頭易于實現測量狀態(tài)控制，常用以搭建高精度的測量系統。目前，計量型的高精度三坐標測量機常采用這種特性的精密3D接觸式掃描測頭。

3D接觸式掃描測頭裝有高分辨率、高精度的3D傳感器和偏移測力控制機構。3D機構高各向同性（力-位移），能實現對測量曲面法線的識別和測力控制。

圖10所示是一種3D接觸式掃描測頭的結構簡圖和外形[3]。測頭采用3D激光微位移傳感器。目前，主要的計量型三坐標測量機廠家多采用3D電感微位移傳感器。

圖9 法國REOSC公司超大型光學反射鏡加工與激光波面干涉測量一體化裝置Fig.9 Integrated system of large optical reflector manufacture and wave laser interferometer developed by REOSC in France

圖10 3D接觸式掃描測頭Fig.10 3D contact scanning probe

圖11 三角測距方式激光測頭Fig.11 Laser triangulation measurement probe

這種計量型測量機可實現非常高的測量精度（亞微米至微米級），并達到較高的測量效率。所以，常被用來對葉片類復雜零件產品進行高精度的質量終檢。

3D接觸式掃描測頭可實現對復雜曲面工件的法向變位測力控制。為實現這種測量，運動控制將對系統性能提出非常高的要求。當這類測頭用于在機測量系統時，還需解決測頭安裝機構的適配問題。未來這類測頭在機測量系統的應用將主要面向一些特殊和高端制造場合。

接觸式測頭不適合軟材料工件的測量。3D接觸式掃描測頭比觸發(fā)式測頭測量效率高，但測量速度仍然受限于接觸測量狀態(tài)。對于精度要求不高，但強調測量效率的場合，非接觸測量的優(yōu)勢就突顯出來。

2 光學掃描測頭技術及其應用

光學掃描測頭為非接觸式測量方式，可實現快速采樣，比接觸式掃描測頭效率更高。此外，聚焦型的激光測頭還可形成極小的測量光斑，分辨率可達10nm，適合微小結構零件的測量。

光學測頭及其應用技術已成為復雜及特殊形狀工件高效測量系統的發(fā)展重點。這類測頭具有代表性工作原理有：

（1）三角測距方式激光測頭。

如圖11（a）所示，半導體激光發(fā)出的激光束照射在目標上。接收器透鏡聚集目標反射的光線并聚焦到感光元件上。當與目標之間的距離發(fā)生改變時，通過接收器透鏡的反射光的角度會隨之改變，光線聚焦在感光元件上的位置也有所不同[4]。

圖11（b）所示已擴展成譜帶形的激光束在目標表面發(fā)生漫反射。反射后的光落在 CMOS感光元件上，這樣就可以通過檢測反射后位置和形狀中的變化來測量目標表面上各個點的位置。由此，線掃描測頭擴展成面掃描測頭。

三角測距激光測頭對工件材料適應性強、工作距離和測量范圍大（可達1～750mm），應用廣泛。但測量精度易受測量光束與工件測量面之間夾角限制，也易受工件反光影響。

對于復雜曲面測量，為獲得最佳測量效果，應保持測頭發(fā)射光束垂直于測量面（法線方向）。在實際應用中，要實現這種最佳掃描測量的五軸運動控制和編程，還具有相當大的技術難度。

針對三角測距方式激光測頭測量入射角小、反光影響大的問題，一種新式的雙眼三角測距方式激光測頭被研發(fā)出來[5]。如圖12所示，測頭中間的孔為激光發(fā)射孔，旁邊兩接受傳感器光孔軸角度對稱于中間孔。

采用雙眼激光測頭，在某些應用場合可降低對測量控制編程的難度，并仍能達到較好的測量精度。圖12所示測量系統對渦輪葉片的橫截面輪廓進行掃描測量。葉片的每個截面輪廓法線在一定角度范圍內連續(xù)變化。在測量某一截面時，調整測頭俯仰角為該橫截面輪廓法線俯仰變化角度中值，并調整測頭高度使光束焦點落在截面輪廓線上。在該截面輪廓的編程自動掃描測量過程中，測頭高度和俯仰角不變，使復雜曲面掃描測量簡化成三軸聯動控制。由于雙眼測頭的兩個傳感器具有測量角互補效果，從而提高了曲面測量入射角限和測量精度，降低了曲面掃描測量運動控制的難度。

（2）共焦測距測頭。

測頭鏡頭有固定的焦距。當測頭與工件測量距離為焦距時，激光束聚為一點。測量偏離焦距時，光線逐漸變模糊，這樣就確定了對焦位置。某些共焦原理測頭使用音叉實現鏡頭的上下移動。對焦位置確定了反射光量最強時音叉（鏡頭）的高度，通過內部傳感器讀取此時的音叉（鏡頭）位置，即可測量與目標物的距離（圖13）。由于是測量對焦高度，因此可不受目標物材料、顏色和傾斜等的影響實現準確測量。

激光共焦測頭測量焦點小，角度特性優(yōu)良，但測量范圍較?。ㄈ缒钞a品系為0.6～2mm），適合微?。殻碗s表面工件的測量。

圖14所示為新一代光譜共焦式測頭[6]。光譜共焦位移傳感器由光源射出一束寬光譜的復色光（呈白色），通過色散鏡頭發(fā)生光譜色散，形成不同波長的單色光，每一個波長都對應一個到被測物體的距離值。測量光射到物體表面被反射回來，只有滿足共焦條件的單色光，可以通過小孔被光譜儀感測到，通過計算被感測到的波長，換算獲得距離值。

測頭系統由控制器和探頭組成，它們由一根光纖連接光源（如氙燈），與振蕩調焦透鏡系統相比，光譜共焦測頭使用的是無磨損透鏡系統設計，可設計成微型測頭。使用直徑為4mm的光譜共焦微型探頭，可測量狹小腔體、深槽和鉆孔的尺寸。該類測頭線性量程范圍為0.4～6.5mm（某產品系列參數）。

（3）錐光偏振激光測頭。

錐光偏振激光測頭[7]基于錐光偏振全息術，通過工件上的反射光線在晶體上的不同表現進行長度的測量（圖15）。錐光偏振全息術接收同軸反射的激光。同軸性的特點使得測量范圍大大增加，可謂“可看見的，就可以測量”。因此，錐光偏振激光測頭對突變表面、陡斜輪廓、深小孔及盲孔測量（角度：±85°）具有獨特的優(yōu)勢。但這種測頭的工作距（典型系列產品：20～200mm）和測量范圍（1～100mm）越大，測量精度（3～70μm）也就隨之降低。

圖12 雙眼三角測距激光測頭渦輪葉片掃描測量Fig.12 Turbine blade scanning measurement with double eyes laser triangulation measurement probe

圖13 激光共焦測距方式測頭原理圖Fig.13 Principle diagram of confocal laser probe

未來發(fā)展

從在機測量技術研發(fā)趨勢看，未來該項技術將不斷提高測量精度和效率，特別是滿足各種超高精度，以及復雜和特殊工件測量應用需求方向發(fā)展。其主要方面有：新型在機測量系統原理和方法；各類特殊應用適應性新型測頭的研發(fā)；復雜曲面在機測量多軸聯動控制技術和系統的研發(fā)；各種特殊工件對象的專用加工、測量一體化裝置；以及針對應于各種特殊測量對象的測量控制和測量數據處理軟件的開發(fā)等。

未來技術發(fā)展的某些典型應用：

（1）在復雜曲面工件在機測量方面，如先進航空發(fā)動機制造中，渦輪葉片在機加工、測量一體化技術（圖16）。

圖14 光譜共焦測距方式測頭Fig.14 Chromatic confocal probe

圖15 錐光偏振測距式測頭Fig.15 Polarized conoscopic probe

圖16 發(fā)動機葉片進排氣邊智能精密加工與檢測裝置示意圖Fig.16 Schematic diagram of smart precision machining and measurement setup of leading edge/trailing edge of engine blade

（2）在特殊結構工件在機測量方面，如渦軸發(fā)動機薄壁細長階梯主軸、飛機起落架軸等工件的在機加工、測量一體化等技術。對于這類工件中深腔內小孔測量難題，圖14所示的微型化光譜共焦測頭的應用研發(fā)提供了一種可行的途徑。

（3）在大型超精密工件加工方面，如航空航天遙感、深空探測等系統中大型光學主鏡加工，為了減少振動、環(huán)境氣流擾動等加工環(huán)境對波面干涉測量系統精度的影響，近年來研發(fā)的4D動態(tài)波面干涉測量技術展示了潛在的重要應用前景。

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