伏 天，遲玉倫，李郝林

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

平面度誤差是指被測實(shí)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(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確的被測平面信息以及對其進(jìn)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(qiáng)的特點(diǎn)，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(diǎn)。

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(yùn)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(yùn)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(yùn)用控制采樣點(diǎn)的選擇；同時還具有嚴(yán)格控制采樣點(diǎn)重復(fù)度的功能，消除了數(shù)據(jù)采樣中因采樣點(diǎn)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(jìn)行記錄、保存、修正等功能。在所有采樣點(diǎn)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(jìn)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(jìn)行整合，運(yùn)用改進(jìn)的最小二乘逐次兩點(diǎn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(jìn)的逐次兩點(diǎn)法進(jìn)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(jìn)行平面度評估。

2.1 誤差分離算法原理

根據(jù)改進(jìn)逐次兩點(diǎn)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(biāo)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(yùn)動軌跡如圖2所示。其中，i表示當(dāng)前行數(shù)，j表示當(dāng)前列數(shù)，記傳感器（m，n）（m，n＝1，2）在某位置處的實(shí)際采樣值為Dijmn，則：

圖2 傳感器相對于光學(xué)玻璃的運(yùn)動軌跡

當(dāng)導(dǎo)軌移動到測量點(diǎn)（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(yùn)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(shí)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(jìn)逐次兩點(diǎn)誤差分離算法的部分程序：

3 系統(tǒng)功能實(shí)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(shí)驗(yàn)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(yùn)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(jī)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(yàn)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(shí)現(xiàn)了只在數(shù)控系統(tǒng)上操作就能進(jìn)行測量和運(yùn)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(jìn)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(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2007（11）：74－76.