王 丹， 李 磊， 李小燕， 楊江照

(1. 廣東科技學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東 東莞 523083; 2. 固高派動（東莞）智能科技有限公司，廣東 東莞 523808)

0 引 言

在精密加工行業(yè)，對工件加工質(zhì)量的檢測要求越來越高[1-2]。目前常用的檢測方法包括人工檢測和測量機測量。人工檢測由于測量人員工作習(xí)慣、人工讀數(shù)等主觀因素，存在較大的測量誤差，且單個測量時間長、效率低，所以現(xiàn)場大多用人工進行抽檢，不能對所有的參數(shù)進行測量?，F(xiàn)有的接觸式尺寸測量機測量高精度工件尺寸時，會對工件表面造成較大的損傷。因此，為了解決人工質(zhì)檢誤差大、效率低，接觸式測量機易損傷高精密工件等問題，探索工件尺寸的非接觸式高精度檢測顯得尤為重要。文獻[3]開發(fā)了能夠測量具有高深寬比特征工件的測量系統(tǒng)，其中是以高精度的三坐標(biāo)測量機為基礎(chǔ)，輔助以雙目視覺完成。文獻[4]提出了基于光柵感知的直線導(dǎo)軌運動誤差在線測量方法，對動態(tài)誤差提供技術(shù)支持。文獻[5]提出了激光跟蹤技術(shù)的靜態(tài)標(biāo)定方法，為磁懸浮軌道幾何參數(shù)提供新的思路。文獻[6]提出一種三坐標(biāo)測量機高速測量過程動態(tài)誤差補償方法，提高了測量機動態(tài)精度和測量效率。由上可知，激光測量[7]、誤差補償[8-9]、多坐標(biāo)測量[10-11]等因素是解決非接觸式高精度檢測的關(guān)鍵。本文提出采用激光傳感器結(jié)合多運動平臺的方式，研制一種非接觸式高精度尺寸測量機。在該測量機中，被測量物體搭載在運動平臺上，運動平臺載著被測量物體運動到測量點的位置，通過激光傳感器的讀數(shù)以及運動平臺的當(dāng)前位置，確定被測量物體的尺寸參數(shù)。

1 系統(tǒng)組成

本文采用模塊化設(shè)計，主要包括運動平臺和測量模塊兩大系統(tǒng)。由于本文對最終測量精度要求為±0.005 mm等級，因此運動平臺采取直線電機與光柵尺組合的方式實現(xiàn)測量平臺的直接驅(qū)動，避免由于傳動鏈引入的誤差不確定性。同時為避免直線電機在工作過程中由于發(fā)熱引起機臺熱脹冷縮而影響光柵尺測量精度，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用光柵尺與電機部件隔離的方式安裝。光柵尺選用RSF光柵尺（MS15系列），分辨率可達0.000 5 mm。直線電機選用GTHD系列GTHD-0032AAP1 型驅(qū)動器，該驅(qū)動器連續(xù)輸出電流和峰值電流分別為3 A和9 A，滿足直線電機工作使用。測量載臺的平面度小于0.002 mm。 測量模塊采用激光測距傳感器，選用基恩士的CL-P070彩色激光同軸位移計，其分辨率可達0.000 22 mm，測量范圍為70 mm±10 mm（靠近傳感器為正讀數(shù)）。綜合上述零部件，系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 高精度尺寸測量機系統(tǒng)

被測工件搭載在由直線電機驅(qū)動的X、Y平臺載臺上，寬度和高度激光傳感器均固定在機臺上。其中，載臺和0級直角靠肩為高度和寬度的相對測量基準(zhǔn)。為確保測量準(zhǔn)確，在該測量機中，需要確保：激光傳感器測量方向與機臺動坐標(biāo)系垂直；動坐標(biāo)系與機臺坐標(biāo)系之間的關(guān)系確定；測量點相對于機臺坐標(biāo)系的位置確定。結(jié)合機臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以通過微調(diào)激光傳感器的安裝基座來調(diào)整激光傳感器測量方向與機臺動坐標(biāo)系的垂直度。而機臺坐標(biāo)系與動坐標(biāo)系的關(guān)系，則需要標(biāo)定量塊輔助完成。測量點相對機臺坐標(biāo)系的位置需要結(jié)合激光傳感器的有效測量范圍及機臺動坐標(biāo)系的運動有效工作空間綜合考量。

2 測量原理

如圖1所示，在執(zhí)行測量作業(yè)時，X、Y平臺搭載被測量工件在平面內(nèi)移動到高度激光傳感器和寬度激光傳感器的測量位置，上位機通過當(dāng)前X、Y方向光柵尺的讀數(shù)以及激光傳感器的讀數(shù)，計算出相關(guān)測量要素的測量值。測量原理如圖2所示，其中，XOY為機臺坐標(biāo)系，原點O默認(rèn)為X軸和Y軸的Home點處；X'O'Y'為工件坐標(biāo)系，原點O'與0級直角的角點重合，且X'軸和Y'軸分別與直角靠肩的兩個垂直邊平行，方向與X軸和Y軸的方向一致；高度傳感器和寬度傳感器均固定在機臺中，即相對于XOY坐標(biāo)系，其坐標(biāo)值保持不變（在不調(diào)整硬件的情況下）；此外通過微調(diào)機構(gòu)（0.02°）保證高度激光傳感器測量方向與XY平面垂直，寬度激光傳感器測量方向與O'Y'方向垂直。需要指出，此處均假設(shè)X軸和Y軸垂直，X'軸和Y'軸垂直。

圖2 高度測量原理示意圖

2.1 高度測量

由圖2可知，在進行高度方向相關(guān)尺寸測量時，如高度、孔深等，前述已知高度激光傳感器固定在機臺上，若已知高度激光傳感器在機臺坐標(biāo)系XOY下的坐標(biāo)為 (xh,yh)，測量載臺基準(zhǔn)面的高度激光傳感器測量值為zh，P1點在工件坐標(biāo)系的坐標(biāo)值為，則在測量P1點的實際高度尺寸zM時，需要：

1）移動測量載臺，使得P1點位于高度激光傳感器正下方，由于X'軸和Y'軸的方向分別與X軸和Y軸的方向一致，則工件坐標(biāo)系原點O'相對于XOY坐標(biāo)系的坐標(biāo) (x0,y0)為

2）讀取P1點位于高度激光傳感器正下方時的高度激光傳感器的讀數(shù)為zl，則P1相對于載臺測量面的測量高度為：

2.2 寬度測量

在進行寬度方向相關(guān)尺寸測量時，如長度、寬度等，前述已知寬度激光傳感器固定在機臺上，原理如圖3所示。

圖3 寬度測量原理示意圖

若已知寬度激光傳感器在機臺坐標(biāo)系XOY下的坐標(biāo)為 (xw,yw)，寬度激光測量基準(zhǔn)點Q為寬度激光傳感器與寬度測量基準(zhǔn)面的交點，在機臺坐標(biāo)系XOY下的坐標(biāo)為 (xp,yp)，寬度激光傳感器讀取寬度測量基準(zhǔn)點的值為xc，P2點在工件坐標(biāo)系的坐標(biāo)值為，則在測量P2點的實際寬度尺寸時，需要：

1）移動測量載臺，使P2點位于寬度激光測量基準(zhǔn)面，且正對寬度激光傳感器，則工件坐標(biāo)系原點O'相對于XOY坐標(biāo)系的坐標(biāo) (x0,y0)為

而且：

2）讀取此時寬度激光傳感器的讀數(shù)xl，則P2在工件坐標(biāo)系下的測量尺寸為：

3 測量誤差建模及分析

實際零部件在機械裝配時引入的裝配誤差[12-13]，在本尺寸測量裝置中，主要體現(xiàn)在0級直角靠肩，即工件坐標(biāo)系與機臺坐標(biāo)系存在一定的夾角，如圖4中 θ所示。

圖4 測量誤差模型示意圖

4 系統(tǒng)基準(zhǔn)標(biāo)定

由上述測量原理以及誤差補償分析可知，設(shè)備在進行尺寸測量時，需要先進行標(biāo)定[14-15]，確定如下參數(shù)：

1）高度激光傳感器在機臺坐標(biāo)系XOY下的坐標(biāo)值 (xh,yh)。

2）測量載臺基準(zhǔn)面的高度激光傳感器測量值zh。

3）寬度激光測量基準(zhǔn)點在機臺坐標(biāo)系XOY下的坐標(biāo)值 (xp,yp)。

4）寬度激光在寬度激光測量基準(zhǔn)面的測量值xc。

5）機臺坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的夾角 θ。

6）測量點Pi在工件坐標(biāo)下的坐標(biāo)值。

其中1）～5）需要通過系統(tǒng)標(biāo)定獲得，6）為被測量物體的標(biāo)稱尺寸。

4.1 坐標(biāo)系夾角標(biāo)定

在本文中，使用30 mm 0級標(biāo)準(zhǔn)量塊，如圖5所示。結(jié)合X、Y運動的光柵尺讀數(shù)以及高度激光傳感器和寬度激光傳感器的讀數(shù)來標(biāo)定測量基準(zhǔn)面的相關(guān)坐標(biāo)信息。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)量塊

在標(biāo)定夾角 θ時，先將量塊精度基準(zhǔn)面靠緊O'Y'放置，移動機臺X、Y軸，使任意邊緣探測點置于寬度激光傳感器測量區(qū)間內(nèi)，記錄當(dāng)前X軸和Y軸光柵尺讀數(shù) (x01,y01)，同時記錄寬度激光傳感器的讀數(shù)xc1；然后移動機臺Y軸，使寬度激光傳感器讀數(shù)有效（即寬度激光傳感器能測量量塊的邊緣），記錄當(dāng)前X軸和Y軸光柵尺讀數(shù) (x01,y02)，同時記錄當(dāng)前寬度激光傳感器的讀數(shù)xc2；根據(jù)先后兩次的數(shù)據(jù)，可得：

4.2 高度標(biāo)定

標(biāo)定高度激光傳感器在機臺坐標(biāo)系XOY下的坐標(biāo)值時，先將量塊精度基準(zhǔn)面靠緊O'Y'放置，移動機臺X、Y軸，通過判斷高度激光傳感器讀數(shù)的跳變情況使高度激光傳感器剛好位于量塊邊緣處，記錄當(dāng)前X軸和Y軸光柵尺讀數(shù) (xh1,yh1)；然后將量塊旋轉(zhuǎn)90°，緊靠O'X'放置，移動機臺Y軸，判斷高度激光傳感器讀數(shù)的跳變情況使高度激光傳感器剛好位于量塊邊緣處，記錄當(dāng)前X軸和Y軸光柵尺讀數(shù) (xh1,yh2)；根據(jù)先后兩次的數(shù)據(jù)，結(jié)合量塊標(biāo)稱值30 mm，則高度激光傳感器在機臺坐標(biāo)系XOY下的坐標(biāo)值為：

針對測量載臺基準(zhǔn)面的高度激光傳感器測量值的標(biāo)定，在本文中，移除標(biāo)定塊，直接通過移動X、Y軸，使載臺位于高度激光傳感器正下方，記錄當(dāng)前高度激光傳感器讀數(shù)zh1，則

4.3 寬度標(biāo)定

在標(biāo)定寬度激光測量基準(zhǔn)面在機臺坐標(biāo)系XOY下的坐標(biāo)值時，先將量塊精度基準(zhǔn)面靠緊O'Y'放置，移動機臺X、Y軸，使量塊任意邊緣探測點置于寬度激光傳感器測量區(qū)間內(nèi)，記錄當(dāng)前X軸和Y軸光柵尺讀數(shù) (xw1,yw1)，同時記錄寬度激光傳感器的讀數(shù)xc1；然后將量塊旋轉(zhuǎn)90°，緊靠O'X'放置，如圖6所示。

圖6 標(biāo)定圖例

移動機臺Y軸，通過判斷寬度激光傳感器讀數(shù)的跳變情況使寬度激光傳感器剛好位于量塊邊緣處，記錄當(dāng)前X軸和Y軸光柵尺讀數(shù) (xw1,yw2)；根據(jù)先后兩次的數(shù)據(jù)，結(jié)合量塊標(biāo)稱值30 mm，則寬度激光測量基準(zhǔn)點在機臺坐標(biāo)系XOY下的坐標(biāo)值為：

相應(yīng)地，寬度激光傳感器在機臺坐標(biāo)系XOY下的坐標(biāo)值為：

而寬度激光在寬度激光測量基準(zhǔn)面的測量值xc，則為：

至此，1）～5）中參數(shù)全部獲得，如圖7所示。

圖7 標(biāo)定界面

將新的標(biāo)定數(shù)據(jù)保存在軟件的運動配置文件里。被測量物體的標(biāo)稱尺寸可以根據(jù)設(shè)計或送檢樣品獲取，結(jié)合前面小節(jié)內(nèi)容，可以實施相關(guān)尺寸測量。

5 實驗結(jié)果與分析

5.1 測量步驟

產(chǎn)品測量主要包括外輪廓尺寸和孔深尺寸，主要分為3個步驟：

1）產(chǎn)品投入，點擊如圖8（a）所示的啟動，按照程序提示進行上料，實際上料如圖8（b）所示。

圖8 測量示意圖

2）產(chǎn)品正面尺寸數(shù)據(jù)測量完成，需要進行翻轉(zhuǎn)測量反面尺寸，軟件提示進入翻轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，可以采用手動或者自動的模式進行。

3）反面尺寸測量完成，測試載板將產(chǎn)品運送到下料處，進行下一步工序。

5.2 軟件功能

根據(jù)高精度測量機的測量原理，本文搭建的控制系統(tǒng)主要程序功能有：手動操作、回零操作、自動測量、文件配置、測試模式選擇、滿盤操作、數(shù)據(jù)回溯、參數(shù)標(biāo)定等。其中自動測量工作流程如圖9所示。

圖9 自動測量工作流程

5.3 實驗結(jié)果

選擇某型號工件進行測試，工件尺寸和得到的測量參數(shù)如表1所示。其中測量方式A表示采用測量機進行測量，B表示采用人工測量。

表1 工件尺寸測量數(shù)據(jù)對比表

由表1可知，對于此次工件的長、寬、高及孔槽深度尺寸公差0.1 mm，0.03 mm，0.01 mm，0.02 mm，測量機測量結(jié)果均能滿足要求。人工測量中，底面孔槽深度1.205 mm，尺寸公差0.01 mm的參數(shù)未能滿足要求，其他尺寸滿足要求。因此在此次型號的工件測量中，測試機測試準(zhǔn)確率100%，人工測量準(zhǔn)確率90%。為了進一步驗證測量機的性能，分別對不同型號工件進行測量機和人工測量的對比分析。在10 000次測量結(jié)果中，測量機測量準(zhǔn)確率99.54%，人工測量準(zhǔn)確率92.32%，測量機比人工測量準(zhǔn)確率提高7.22%，且效率明顯提高。圖10為測量機對某型號工件測量時軟件界面。

圖10 測量機測量軟件界面

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于誤差校正模型的高精度非接觸式尺寸測量機控制系統(tǒng)。通過激光傳感器結(jié)合多運動平臺，基于系統(tǒng)誤差校正控制策略的方式實現(xiàn)高精度自動測量。根據(jù)測量機的測量和標(biāo)定原理，分析并建立了誤差模型；根據(jù)誤差模型，確定了標(biāo)定方法，并設(shè)計了高精度測量機的測量控制系統(tǒng)。通過現(xiàn)場應(yīng)用，所設(shè)計的高精度測量機滿足測量精度要求，同時提高了測量準(zhǔn)確率和效率。