陳 雷，王 璇，張 旭，張海濤

(1.沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司，沈陽 110043；2.天津大學(xué) 精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津 300072)

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非正交測量機下REVO測量系統(tǒng)控制與應(yīng)用研究

陳 雷，王 璇，張 旭，張海濤

(1.沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司，沈陽 110043；2.天津大學(xué) 精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津 300072)

針對在非正交式坐標測量機下應(yīng)用基于正交式坐標測量機設(shè)計和應(yīng)用的高效率高精度REVO五軸測量系統(tǒng)，提出了控制器返回坐標值數(shù)據(jù)的分離方法，獲得測量機各主軸的準確位置，實現(xiàn)了非正交式測量機下測量系統(tǒng)運動和測量的精確控制；通過Microsoft Visual C++平臺開發(fā)了基于I++ DME通信協(xié)議的坐標測量機測量軟件，并通過實踐檢驗了測量軟件的可靠性和有效性，創(chuàng)新性的實現(xiàn)了REVO五軸測量系統(tǒng)在非正交式坐標測量機中的應(yīng)用，為復(fù)雜環(huán)境下具有復(fù)雜特征工件的高效率高精度測量提供了可靠的理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù)。

REVO；非正交；測量機；數(shù)據(jù)分離；測量軟件

0 引言

Renishaw公司推出的REVO五軸測量系統(tǒng)[1]，是近20年來坐標測量機行業(yè)最重大的進步，其是一款基于正交式坐標測量機設(shè)計和應(yīng)用的高精度、高效率測量系統(tǒng)。相比于裝有三軸掃描系統(tǒng)的傳統(tǒng)坐標測量機(CMM)，其檢測效率提高了9倍，而且與傳統(tǒng)的可重復(fù)定位測座系統(tǒng)相比，節(jié)省了數(shù)小時的校準時間[2]。REVO五軸測量系統(tǒng)目前已被歐美等發(fā)達國家廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、模具等測量領(lǐng)域。

隨著制造技術(shù)的發(fā)展以及各領(lǐng)域?qū)α慵蟮娜找嫣岣?，工件的加工精度檢測成為亟需解決的關(guān)鍵問題[3]。對具有復(fù)雜特征且一體化加工的工件，往往需要在極限空間限制下進行原位在線檢測[4-6]，以滿足“設(shè)計-加工-檢測”的閉環(huán)制造模式，傳統(tǒng)的正交式坐標測量機結(jié)構(gòu)已不能滿足原位在線檢測的需求，必須采用非正交式測量機結(jié)構(gòu)形式[7-10]。

本文創(chuàng)新性地將基于正交式坐標測量機設(shè)計和應(yīng)用的REVO五軸測量系統(tǒng)應(yīng)用于非正交坐標測量機中，通過對測量數(shù)據(jù)的分離和重構(gòu)以及相應(yīng)測量軟件的開發(fā)，實現(xiàn)了在非正交式坐標測量機中對REVO五軸測量系統(tǒng)的精確控制，為復(fù)雜環(huán)境下的復(fù)雜零部件高效率高精度測量提供了一種可靠的檢測方式。

1 REVO五軸系統(tǒng)工作原理

1.1 探針變形補償

REVO測頭可以安裝工作長度長達500mm的探針，測量時探針變形的補償原理如圖1所示。激光光束從測頭體內(nèi)發(fā)出，沿著空心探針到達探針端部的反射鏡上。測尖開始接觸工件表面時探針產(chǎn)生輕微的彎曲，反射鏡產(chǎn)生位移，返回光路隨之產(chǎn)生偏移，偏移量被安裝于測座內(nèi)部的位置傳感器件(PSD)感知。由于反射鏡與測球緊密相連，因此可以測出探針端部的準確位置。

圖1 探針變形補償原理

1.2 REVO五軸系統(tǒng)正常配置

REVO五軸測量系統(tǒng)是基于正交式坐標測量機設(shè)計和應(yīng)用的，必須與SPA2-2伺服放大器和UCC2控制器等配合使用，其正常配置如圖2所示。

圖2 REVO五軸系統(tǒng)正常配置

在圖2中，測量機的三個軸是相互正交的，REVO測頭安裝在豎直軸的末端，REVO測頭在其專門的控制器UCC2的控制下隨三個軸做平移運動。測量時，控制系統(tǒng)返回的坐標值由坐標測量機每個軸的光柵值、測頭兩個軸移動和探針變形在三個方向上產(chǎn)生的位移量在UCC2控制器中直接合成后輸出。正交式坐標測量機下，每個主軸的光柵值、測頭兩個軸運動的位移量以及探針變形量都是線性量，可以直接相加構(gòu)成被測點的坐標值，并輸出給用戶，用戶直接使用返回的值就可以對測量機進行控制等操作。

2 測量數(shù)據(jù)解析

2.1 非正交式測量機結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)具有復(fù)雜特征自由曲面類零件的原位在線測量，根據(jù)五軸數(shù)控加工現(xiàn)場的空間限制，設(shè)計了如圖3所示的非正交式坐標測量機，其由兩個直行運動軸(x，z)和一個旋轉(zhuǎn)軸(C)組成，其中，水平(x)和豎直(z)運動軸采用直線光柵計數(shù)，單位為毫米(mm)，旋轉(zhuǎn)軸(C)采用圓光柵技術(shù)，單位為度(degree)。UCC2控制器對測量機各個軸的控制都是以毫米為單位的數(shù)值進行的，而圖3所示的測量機旋轉(zhuǎn)軸的單位為度，控制器通過指令使其運動10，旋轉(zhuǎn)軸會轉(zhuǎn)動10°而非平移10mm，由于運動的單位不同，控制器返回的坐標數(shù)據(jù)并不能真實、直觀地反映出各個坐標軸當(dāng)前的位置狀態(tài)，在運動的過程中很可能會發(fā)生碰撞，因此，要實現(xiàn)對圖3中的非正交式REVO五軸測量系統(tǒng)進行精確控制，必須對控制器返回的數(shù)據(jù)進行解析并重構(gòu)。

圖3 非正交式坐標測量機結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 數(shù)據(jù)分離

測量時，REVO五軸系統(tǒng)返回的數(shù)據(jù)格式為(x,y,z,α,β,I,J,K)，其中(x,y,z)為被測點的坐標值，α,β分別為測量時A軸與B軸的角度，(I,J,K)為測量時的探測矢量。REVO五軸系統(tǒng)返回的是合成后的數(shù)據(jù)，并不能從控制系統(tǒng)中獲得各主軸的光柵值、測桿變形量以及測頭A、B軸運動產(chǎn)生的位移量。正常情況下，被測點的坐標值M=(x,y,z)T可以表示為：

M=S+R+D

(1)

式中，S=(xs,ys,zs)T為各主軸的光柵值，R=(xr,yr,zr)T為各REVO測頭A軸與B軸運動軸在三個方向產(chǎn)生的位移量，D=(xd,yd,zd)T為測桿變形在三個方向產(chǎn)生的位移量。

在正交式三坐標測量機中，S、R、D中各個分量都是線性值，其單位都是統(tǒng)一的。但在圖3所示的非正交式坐標測量機中，由于采用了圓光柵對關(guān)節(jié)臂的旋轉(zhuǎn)角度進行計數(shù)，S中ys值的單位為度，故控制器直接合成后返回的數(shù)據(jù)(x,y,z,α,β,I,J,K)中，y的數(shù)值由單位為度的光柵值和單位為毫米的兩個線性值組成。因此，不能直接使用y的值對測量系統(tǒng)進行運動控制，必須對控制器返回的數(shù)據(jù)進行重構(gòu)，將角度量與線性量分離并重新合成，否則，運動的過程中很容易發(fā)生碰撞。

圖4 REVO測頭運動模型

設(shè)探針的長度為l，建立如圖4所示的REVO測頭運動模型，當(dāng)探針繞A軸與B軸分別轉(zhuǎn)動角度α與β時，REVO測頭A軸與B軸運動在三個方向產(chǎn)生的位移量R可以表示為：

(2)

探針變形在三個方向產(chǎn)生的位移量D可以表示為:

(3)

式中，d表示探針受測量力作用產(chǎn)生的變形量，此變形量并不能從測量系統(tǒng)中直接獲得。理論上，可以將探針看作是一個簡支梁，探針主要受測量力的作用而產(chǎn)生變形，此變形量可以通過d=Fl3/(3EIS)來確定，但是相關(guān)參數(shù)并不能從生產(chǎn)商處精確獲得，因此，也就不能計算出d的精確值，但可以通過實驗，可以獲得d的估計值。

則三個主軸的光柵值可以表示為：

S=M-R-D

(4)

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

REVO五軸測量系統(tǒng)的通信是基于I++ DME協(xié)議建立的。測量控制軟件需要按照I++ DME協(xié)議標準通過控制器的相應(yīng)接口(UCCServer)對控制器進行控制，實現(xiàn)自動運動與測量功能。軟件系統(tǒng)主要包括初始化、運動、測量與評價等模塊。

3.1 初始化模塊

測量軟件需要通過UCCServer接口使用Socket建立測量軟件與控制器的通訊。通訊建立后測量軟件發(fā)送相應(yīng)的指令連接并初始化控制器、使測量機回家以及設(shè)置所選擇探針的運動速度、加速度和測量速度、加速度、接近距離、回退距離等相關(guān)參數(shù)。測量軟件的初始化流程如圖5所示。

圖5 初始化流程

3.2 運動控制模塊

在圖3所示的非常規(guī)配置REVO五軸測量系統(tǒng)中，控制器返回的y坐標數(shù)據(jù)是由角度量和線性量混合相加的虛假坐標值，為了能夠精確的控制測量機各軸的運動以及防碰撞要求，必須從控制器返回的數(shù)據(jù)中分離出各軸的光柵數(shù)據(jù)，并對運動的目標位置進行防碰撞檢測，確認無碰撞后重構(gòu)目標坐標值并通過指令發(fā)送給控制器以實現(xiàn)相應(yīng)的運動控制(見圖6)。

圖6 運動控制流程

3.3 測量控制模塊

測量過程的自動化可以提高測量效率和測量精度。在進行自動測量之前，必須對自動測量的相關(guān)項目如測量模式、測量參數(shù)等進行設(shè)置，并根據(jù)測量文件中每個測量數(shù)據(jù)的類型，進行測量指令的重構(gòu)，構(gòu)建出測量數(shù)據(jù)所對應(yīng)的運動指令、測量指令和不同的掃描指令，并將其編譯為控制器可以識別的指令代碼并通過相應(yīng)的接口發(fā)送給控制器(見圖7)。

圖7 測量控制流程圖

使用Microsoft Visual C++平臺開發(fā)基于I++ DME協(xié)議的測量控制軟件，通過數(shù)據(jù)的分離與重構(gòu)，實現(xiàn)測量機單軸運動的精確控制；通過自學(xué)習(xí)可以實現(xiàn)被測對象的自動測量，并在測量軟件中加入了防碰撞設(shè)置，加強了在運動以及測量過程中對REVO測頭的保護，實現(xiàn)了REVO五軸測量系統(tǒng)在非正交式坐標測量機下的精確控制與應(yīng)用。圖8 所示為所研制的非正交式測量機下REVO五軸測量系統(tǒng)在某加工現(xiàn)場等待測量的狀態(tài)。

圖8 非正交式REVO五軸測量系統(tǒng)

4 結(jié)論

在非正交式坐標測量機下應(yīng)用REVO五軸測量系統(tǒng)，必須對控制系統(tǒng)返回的數(shù)據(jù)進行分離以方便控制，本文所提出的數(shù)據(jù)分離方法，準確提取出了測量機各主軸的光柵位置，并開發(fā)出了面向用戶且易于操作的坐標測量機自動測量軟件，實現(xiàn)了REVO五軸測量系統(tǒng)在非正交式坐標測量機下的創(chuàng)新性應(yīng)用，為復(fù)雜環(huán)境下的復(fù)雜零部件高效率高精度測量提供了一種新的技術(shù)途徑。

[1] REVO 5-axis measurement system. Available online: http://www.renishaw.com/en/10438.

[2] Renishaw. REVO User’s Guide[R]. Part number: H-1000-5129-01-A, 2008.

[3] 牟如強,侯力,張海燕,等. 新型圓弧齒線圓柱齒輪齒形誤差檢測方法分析[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù),2015(8):79-81,85.

[4] 韓如聰,張建富,馮平法,等. 原位檢測系統(tǒng)中觸發(fā)式測頭半徑誤差分析與建模[J]. 組合機床與自動化加工技術(shù),2014(12):60-64.

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[9] 劉書桂,張海濤, 蘇智琨. REVO測頭在非正交式三坐標測量機中探測矢量修正算法研究[J]. 天津大學(xué)學(xué)報, 2016,49(9):956-960.

[10] 裘祖榮，蘇智琨，張國雄,等. 整體葉盤測量機參數(shù)標定的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 納米技術(shù)與精密工程，2014, 12(4): 235-241.

(編輯 李秀敏)

A Study on the Control and Application of REVO 5-axis Measurement System in Non-orthogonal Coordinate Measuring Machine

CHEN Lei1, WANG Xuan1, ZHANG Xu1, ZHANG Hai-tao2

(1. AECC Shenyang Liming Aero-Engine Group Corporation, Shenyang 110043,China;2. State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

A data separation method is proposed according to the application of REVO 5-axis measurement system in non-orthogonal coordinate measuring machine(CMM), which is designed based on the orthogonal CMM. The movement and measurement of the measuring system in non-orthogonal CMM are controlled precisely as a result of the date separation. The measurement software of the non-orthogonal CMM is developed by the Microsoft Visual C++ platform, and the reliability and effectiveness are proved by practice. The application of REVO 5-axis measurement system in non-orthogonal CMM is then realized innovatively, providing a reliable theoretical and technical foundation to the high efficiency and high accuracy measurement of the workpiece with complex features in complicated environment.

REVO; non-orthogonal; CMM; data separation; measurement software

1001-2265(2016)11-0073-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.020

2016-08-05；

2016-09-01

國家自然科學(xué)基金項目(51375338)

陳雷(1978—)，男，沈陽人，沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司高級工程師，研究方向為航空發(fā)動機產(chǎn)品工藝設(shè)計、制造與測量，(E-mail) chenlei98213@163.com；通訊作者：張海濤(1986—)，男，河南南陽人，天津大學(xué)博士后，研究方向為坐標測量技術(shù)及誤差補償，(E-mail)zhanghaitao@tju.edu.cn。

TH165；TG506

A