陳 雷，王 璇，張 旭，張海濤

(1.沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司，沈陽 110043；2.天津大學 精密測試技術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測量系統控制與應用研究

陳 雷，王 璇，張 旭，張海濤

(1.沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司，沈陽 110043；2.天津大學 精密測試技術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用基于正交式坐標測量機設計和應用的高效率高精度REVO五軸測量系統，提出了控制器返回坐標值數據的分離方法，獲得測量機各主軸的準確位置，實現了非正交式測量機下測量系統運動和測量的精確控制；通過Microsoft Visual C++平臺開發了基于I++ DME通信協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，創新性的實現了REVO五軸測量系統在非正交式坐標測量機中的應用，為復雜環境下具有復雜特征工件的高效率高精度測量提供了可靠的理論基礎和技術依據。

REVO；非正交；測量機；數據分離；測量軟件

0 引言

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

隨著制造技術的發展以及各領域對零件要求的日益提高，工件的加工精度檢測成為亟需解決的關鍵問題[3]。對具有復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“設計-加工-檢測”的閉環制造模式，傳統的正交式坐標測量機結構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構形式[7-10]。

本文創新性地將基于正交式坐標測量機設計和應用的REVO五軸測量系統應用于非正交坐標測量機中，通過對測量數據的分離和重構以及相應測量軟件的開發，實現了在非正交式坐標測量機中對REVO五軸測量系統的精確控制，為復雜環境下的復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發出，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生輕微的彎曲，反射鏡產生位移，返回光路隨之產生偏移，偏移量被安裝于測座內部的位置傳感器件(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五軸系統正常配置

REVO五軸測量系統是基于正交式坐標測量機設計和應用的，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 測量數據解析

2.1 非正交式測量機結構

為了實現具有復雜特征自由曲面類零件的原位在線測量，根據五軸數控加工現場的空間限制，設計了如圖3所示的非正交式坐標測量機，其由兩個直行運動軸(x，z)和一個旋轉軸(C)組成，其中，水平(x)和豎直(z)運動軸采用直線光柵計數，單位為毫米(mm)，旋轉軸(C)采用圓光柵技術，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值進行的，而圖3所示的測量機旋轉軸的單位為度，控制器通過指令使其運動10，旋轉軸會轉動10°而非平移10mm，由于運動的單位不同，控制器返回的坐標數據并不能真實、直觀地反映出各個坐標軸當前的位置狀態，在運動的過程中很可能會發生碰撞，因此，要實現對圖3中的非正交式REVO五軸測量系統進行精確控制，必須對控制器返回的數據進行解析并重構。

圖3 非正交式坐標測量機結構示意圖

2.2 數據分離

測量時，REVO五軸系統返回的數據格式為(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五軸系統返回的是合成后的數據，并不能從控制系統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生的位移量，D=(xd,yd,zd)T為測桿變形在三個方向產生的位移量。

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節臂的旋轉角度進行計數，S中ys值的單位為度，故控制器直接合成后返回的數據(x,y,z,α,β,I,J,K)中，y的數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的值對測量系統進行運動控制，必須對控制器返回的數據進行重構，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生碰撞。

圖4 REVO測頭運動模型

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

(2)

探針變形在三個方向產生的位移量D可以表示為:

(3)

式中，d表示探針受測量力作用產生的變形量，此變形量并不能從測量系統中直接獲得。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生變形，此變形量可以通過d=Fl3/(3EIS)來確定，但是相關參數并不能從生產商處精確獲得，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 控制系統軟件設計

REVO五軸測量系統的通信是基于I++ DME協議建立的。測量控制軟件需要按照I++ DME協議標準通過控制器的相應接口(UCCServer)對控制器進行控制，實現自動運動與測量功能。軟件系統主要包括初始化、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送相應的指令連接并初始化控制器、使測量機回家以及設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、回退距離等相關參數。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所示的非常規配置REVO五軸測量系統中，控制器返回的y坐標數據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據中分離出各軸的光柵數據，并對運動的目標位置進行防碰撞檢測，確認無碰撞后重構目標坐標值并通過指令發送給控制器以實現相應的運動控制(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項目如測量模式、測量參數等進行設置，并根據測量文件中每個測量數據的類型，進行測量指令的重構，構建出測量數據所對應的運動指令、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的接口發送給控制器(見圖7)。

圖7 測量控制流程圖

使用Microsoft Visual C++平臺開發基于I++ DME協議的測量控制軟件，通過數據的分離與重構，實現測量機單軸運動的精確控制；通過自學習可以實現被測對象的自動測量，并在測量軟件中加入了防碰撞設置，加強了在運動以及測量過程中對REVO測頭的保護，實現了REVO五軸測量系統在非正交式坐標測量機下的精確控制與應用。圖8 所示為所研制的非正交式測量機下REVO五軸測量系統在某加工現場等待測量的狀態。

圖8 非正交式REVO五軸測量系統

4 結論

在非正交式坐標測量機下應用REVO五軸測量系統，必須對控制系統返回的數據進行分離以方便控制，本文所提出的數據分離方法，準確提取出了測量機各主軸的光柵位置，并開發出了面向用戶且易于操作的坐標測量機自動測量軟件，實現了REVO五軸測量系統在非正交式坐標測量機下的創新性應用，為復雜環境下的復雜零部件高效率高精度測量提供了一種新的技術途徑。

[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,2015(8):79-81,85.

[4] 韓如聰,張建富,馮平法,等. 原位檢測系統中觸發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,2014(12):60-64.

[5] 潘武,張莉彥,徐俊成. 基于機器視覺的工件的在線檢測[J]. 組合機床與自動化加工技術,2012(7):75-78,81.

[6] 李鐵鋼. 結構件在機檢測技術研究[J]. 組合機床與自動化加工技術,2013(5):64-66.

[7] Li Xinghua, Zhang Guoxiong, Liu Shugui, et al. A study on machine calibration techniques [J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2013, 62(1): 499-502.

[8] Li Xinghua, Chen Bo, Qiu Zurong. The calibration and error compensation techniques for an articulated arm CMM with two parallel rotational axes [J]. Measurement, 2013, 46(1): 603-609.

[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]. 天津大學學報, 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標定的關鍵技術[J]. 納米技術與精密工程，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

國家自然科學基金項目(51375338)

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

TH165；TG506

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