加工中心触发式测头在线检测的实现
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介绍了加工中心在线检测系统的组成、工作 原理和工作过程。对测头的工作原理以及 Ｂ ＬＵＭ 测头测量循环的功能和使用方法进行 了介绍。该系统可实现测量程序自动生成以 及测量结果软件补偿。引入微机使得测量程 序编写由原来复杂的手工编写转变为微机交 互界面操作 ， 并使复杂的综合误差补偿成为 可能。 关键词 ： 加工中心 ， ＢＬＵＭ 触发式测头 ， 测量宏程序 ， 误差软件补偿
系统工作原理 对于柔性制造系统 （ ＦＭＳ ） 等各种现代先进制造技术体系来说 ， 加工中心在线检测系统是必不可少的组成部分。要实现计算机辅助 加工中心在线检测 ， 首先应在计算机辅助编程系统上自动生成检测 主程序 ， 将检测主程序由 ＲＳ － ２３２ 串行通讯接口传输给加工 中心 ， 通过程序控制 ， 测头将按程序规定的路径向测量点运动 ， 当测球接触工件时发出触发信号 ， 通过测头与数控系统的专用接口 将触发信号传到转换器 ， 并将触发信号转换后传给机床的控制系统 ， 该点的坐标被记录下来。信号接收后 ， 机床停止运动 ， 测量点的 坐标通过 ＲＳ－ ２３２ 串行通讯接口传回计算机 ，这时按程序控 制进行下一个测量动作。在计算机软件控制系统的控制下 ， 可对系 统测量结果进行计算进行补偿及修正等数据处理工作。
当对象参数变化时 ， 运用模糊免疫 ＰＩＤ－ Ｓｍｉｔｈ 控制算法 ，控制品质将得到根本 改善。仿真过程按下述方法设计对象参数 变化和干扰的引入 ：
基于模糊免疫 ＰＩＤ－ Ｓｍｉｔｈ 控制的火 电厂水质调节系统在 ｋ＝ ５００ 采样时刻 ， 施加一单位阶跃干扰信号 ； 在 ｋ＝ １００ ０ 采样时刻 ， 施加一个幅值为 － １ 的阶跃 干 扰 信 号 ； 在 ｋ＝ １５００ 采 样 时通过 仿真上述过程 ， 得出其响应曲线。由图可以 看出 ， 在控制对象发生改变的时候 ， 本系 统具有较强的鲁棒性，和良好的自适应性。
在圆测量界面中输入相关参数， 则自动生成的测量程序如 下： ％ Ｏ０００２ Ｔ９９９９ Ｍ０６ Ｓ０ ／ ／选择测头 Ｇ９０Ｇ４０Ｇ８０Ｇ９４ Ｇ２１Ｇ５４Ｂ０
／ ／选择坐标系 Ｇ０ Ｘ０Ｙ０ Ｚ１００ Ｇ６５Ｐ９８７０ Ｘ０ Ｙ０ Ｆ１５００ ／ ／Ｘ、Ｙ 方向 快速返回 Ｇ６５Ｐ９８７９ Ｈ１ Ｚ１００ ／ ／Ｚ 方向快速返回
首先 ， 应用常规 ＰＩＤ 控制方法 ， 取 Ｋｐ ＝ ０．５ ， Ｋｉ＝ ０．０１ ， 假设模型精确 ， 仿真得到对象阶跃响应曲线如图 ４ 中 （＋ ）曲线所示。采用模糊免疫 ＰＩＤ－ Ｓｍｉｔｈ 控 制 所 得 到 的 阶 跃 响 应 曲 线 如 图 ４ 中实现所示。明显可得 ， 当模型匹 配的时候 ， 模糊免疫 ＰＩＤ－ Ｓｍｉｔｈ控制得到的阶跃响应曲 线实现无超调 ， 响应时间快的优点。 模型匹配时常规 ＰＩＤ（＋ ）与模糊免疫 ＰＩＤ－ Ｓｍｉｔｈ 比 较当对象参数变化时，对应的阶跃响应曲线如图 ５ 所示 ， 系统是 发散的。可见 ， 对于大时滞时变对象的控制 ， 常规 ＰＩＤ 算法存 在调节时间长、调节品质差、甚至将失去稳定的缺陷。
１ ） 加工中心。实现加工、检测的基础 ， 其工作部件是实现所 需基本运动的部件 ， 它的传动部件的精度直接影响着加工、检测 的精度。 ２ ） 数控系统。一般采用 ＣＮＣ 数控系统 ， 输入存储、数控加 工、插补运算以及机床各种控制功能通过程序来实现。 ３ ） 伺服系统。数控机床的重要组成部分 ， 用以实现数控机床 的进给位置伺服控制和主轴转速（或位置）伺服控制。 ４ ） 测量系统。由接触触发式测头、信号传输系统和数据采集系统组 成 ， 是数控机床在线检测系统的关键部分 ， 直接影响着在线检测的精 度。其中关键部件为测头 ， 使用测头可在加工过程中 进行尺寸测量 ， 改善加工精度 ， 使得数控机床既是加工设备 ， 又兼 具测量机的某种功能。 ５ ） 计算机系统。在线检测系统利用计算机进行测量数据的采集和处 理、检测数控程序的生成、与数控机床通信等功能。
软件中各模块的主要功能如下 ： １ ） 基本参数设置子模块的功能是为了根据已有的零件参数表里面具体的测量特征 选择不同的测量主程序 ， 并且完成坐标系、进给量、测头类型等参数的设定。 ２） 测量程序生成子模块简化了测量主程序的编制工作 ， 可以完成圆测量、圆柱测 量、距离测量、平面测量等不同类型形状的测量程序自动生成。根据测量参数提示 ， 很容易实现参数传递。此模块主要完成零件待测信息的输入 ， 自动生成检测主程序。 ３ ） 测量结果补偿子模块用来完成对测量点坐标的测量值进行修正的工作。通过打 开测量结果数据文件获得测量点坐标信息 ， 经过相应的运算 ， 将对测量结果精度影 响最大的测头静态预行程误差和测球半径进行补偿 ， 从而得到测量点坐标的修正值。 ４ ） 通讯模块的建立包括 ＲＳ－ ２３２ 硬件通讯协议及软件支持部分。主要功能是 将测量程序生成子模块自动生成的测量程序发送至机床或加工中心并且接收测量点的 坐标信息。此模块必须保证选择的波特率、数据位、校验位和停止位与加工中心上接 口上的设置相同。
实验研究结果 为了验证基于该加工中心在线检测软件的正确性及可 行性 ， 在数控加工实验中心上对标准试件的实测结 果进行了实验验证。 机床采用的是 ＤＨＰ５０ 卧式镗铣床、米克朗 ＨＳ Ｍ ７００ ， 具有ＲＳ － ２３２ 通 讯 接 口 。 测 量 系 统 由 德 国 波 龙 科 技 生 产 ＢＬＵＭ Ｐ８２．０１５１－ ０４５ 型加工中心测头组成。 计算机采用的 ＰＩＩＩ 系列微机组成的系统。软件 支持环境为 Ｗｉｎｄ ｏｗｓ ＸＰ 操作系统。对某 一试件上一直径为 ７２ｍｍ 的内圆孔进行测量。并 对测量结果进行修正。
测量数据提取 在 ＦＡＮＵＣ １６ｉ 中测量数据的提取方法为（以内孔类 零件为例） ： ＰＯＰＥＮ ＤＰＲＮＴ ［ＣｆｎｕｍKL＃１０７［３４］LLｙ１LLｚ ２］
ＤＰＲＮＴ ［ＣｆｎｕｍLL＃１０８［３４］LLｙ１LL ｚ ２］ ＤＰＲＮＴ ［ＣｆｎｕｍLLｘ１LL＃１２０［３４］LL ｚ ２］ ＤＰＲＮＴ ［ＣｆｎｕｍLLｘ１LL＃１２１［３４］LL ｚ ２］ ＰＣＬＯＳ
结பைடு நூலகம்语
本文针对火电厂水质调节加药系统 ， 提出了 模糊免疫 ＰＩＤ－Ｓｍｉｔｈ 控制器 ， 利 用 Ｍａ ｔｌａ ｂ 的模糊控制工具箱及 ｍ 文 件编程进行模糊系统的设计与仿真 ， 结果表 明其结构简单 ， 适应性强 ， 易于实时控制 的特点 ， 该控制器不仅可以有效地控制大纯 滞后对象 ， 而且具有很好的抗干扰能力和自 适应能力。
触发式测头工作原理 触发式测头内部有在同一水平面上以 １２０° 称分布的 ３ 个定位柱 ， 每个定位柱又由其下面的 ２ 个支承球支承着 ， 它们构成了一对触点副 （ 两个触点 ） 。当 ３ 对钢球接触副均匀接触时 ， 测头处于零位。当 测球与被测工件接触时， 产生接触力， 在这一力的作用下 ， 测头座发 生位移或偏转 ， 此时 ３ 对钢球接触副中至少有一个触点脱开 ， 使原 来闭合的串联回路发生断路 ， 而发出触发信号。当测头与被测工件脱 离后 ， 接触力消失 ， 在复位弹簧的作用下 ， 使测头回到原始位置。 从测头发出的这一触发信号经信号传输器（ 红外传输、电磁祸合传输、 无线电波传输或导线传输 ） 传输至控制器接口 （ 一般为一接口单元 ） 中 ， 由此接口对信号进行处理成数控系统可识别的开关量电平信号 ， 并随之传送给数控系统。数控系统接受到测头的触发信号后 ， 使机床 停止运动 ， 并通过数控机床定位系统锁存此时测头测球球心的 ３ 个坐 标值 ， 以此来确定测球与工件接触点的坐标 ； 然后转入下一个程序段 的运行。从而可实现对空间任意位置进行自动定位、检测和监控。
本文以实现加工中心零件测量自动化为目的 ， 通过在加工中心上配备测头装置 ， 实现在线 测量。实现了测量自动化 ， 通过微机交互界 面操作 ， 实现测量程序自动生成。测量结果 计算在程序中进行修正 ， 进行复杂的综合误 差补偿运算由原来不可能而成为可能。
系统结构、工作原理及工作过程 在线检测系统组成 一个完整的加工中心在线检测系统一般由以 下几个部分组成：
系统软件设计与实现 １ ＢＬＵＭ 测头循环 本论文采用的德国波龙科技生产 ＢＬＵＭ Ｐ８２．０１５１－ ０４ ５ 型加工中心测头。下面以以内孔类零件为例说明测量循环的功能 和使用方法 ：其测量循环语句为 ： Ｇ６５Ｐ９８１５Ｃｃ （ Ｄｄ ） Ｓｓ （ Ｔｔ） （ Ｕｕ ） （ Ｗｗ） Ｚｚ当测头安装在主轴后 ， 必 须首先选定工件坐标系 （ Ｇ５４…Ｇ５９） 。该命令将打开测头 （ Ｏ９８９９ ） ， 并且将测头置于孔径中心上方的大致位置， 从 这个初试位置开始 ， 该测头开始 ４ 点测量 ， 最后回到由该语句中 变量 Ｃ 所决定的初始位置， 当这个孔径测量完毕后 ， 关闭测头测 量过程 （ Ｏ９８９９ ） ， 程序回到调用该语句之前的状态。
软件结构和流程图 该软件设计了在线检测系统友好的人机界面 ， 以方便用户使用和操 作。在线检测系统的人机界面是计算机和操作者之间进行联系的桥 梁。操作者通过它进行基本参数设置、测量参数设置、测量参数输 入等形成测量主程序 ， 通过通讯接口将测量主程序等信息输入数控 系统 ， 数控系统按程序的要求进行测量。数控系 统 则 通 过 它 将 系 统 当 前 状 态 、位置信息等反馈给操作者。本 文开发的该软件可以应用在配备了测头的加工中心和数控镗、铣床 等。数控机床上 ， 既可以用于加工序前或序后的综合测量 ， 也可 以通过编程在加工序中进行主动测量。因此 ， 它为操作者提供了完 备的测量手段 ， 同时也是加工质量的重要保障。
介绍了加工中心在线检测系统的组成、工作 原理和工作过程。对测头的工作原理以及 Ｂ ＬＵＭ 测头测量循环的功能和使用方法进行 了介绍。该系统可实现测量程序自动生成以 及测量结果软件补偿。引入微机使得测量程 序编写由原来复杂的手工编写转变为微机交 互界面操作 ， 并使复杂的综合误差补偿成为 可能。 关键词 ： 加工中心 ， ＢＬＵＭ 触发式测头 ， 测量宏程序 ， 误差软件补偿
系统工作原理 对于柔性制造系统 （ ＦＭＳ ） 等各种现代先进制造技术体系来说 ， 加工中心在线检测系统是必不可少的组成部分。要实现计算机辅助 加工中心在线检测 ， 首先应在计算机辅助编程系统上自动生成检测 主程序 ， 将检测主程序由 ＲＳ － ２３２ 串行通讯接口传输给加工 中心 ， 通过程序控制 ， 测头将按程序规定的路径向测量点运动 ， 当测球接触工件时发出触发信号 ， 通过测头与数控系统的专用接口 将触发信号传到转换器 ， 并将触发信号转换后传给机床的控制系统 ， 该点的坐标被记录下来。信号接收后 ， 机床停止运动 ， 测量点的 坐标通过 ＲＳ－ ２３２ 串行通讯接口传回计算机 ，这时按程序控 制进行下一个测量动作。在计算机软件控制系统的控制下 ， 可对系 统测量结果进行计算进行补偿及修正等数据处理工作。
当对象参数变化时 ， 运用模糊免疫 ＰＩＤ－ Ｓｍｉｔｈ 控制算法 ，控制品质将得到根本 改善。仿真过程按下述方法设计对象参数 变化和干扰的引入 ：
基于模糊免疫 ＰＩＤ－ Ｓｍｉｔｈ 控制的火 电厂水质调节系统在 ｋ＝ ５００ 采样时刻 ， 施加一单位阶跃干扰信号 ； 在 ｋ＝ １００ ０ 采样时刻 ， 施加一个幅值为 － １ 的阶跃 干 扰 信 号 ； 在 ｋ＝ １５００ 采 样 时通过 仿真上述过程 ， 得出其响应曲线。由图可以 看出 ， 在控制对象发生改变的时候 ， 本系 统具有较强的鲁棒性，和良好的自适应性。
在圆测量界面中输入相关参数， 则自动生成的测量程序如 下： ％ Ｏ０００２ Ｔ９９９９ Ｍ０６ Ｓ０ ／ ／选择测头 Ｇ９０Ｇ４０Ｇ８０Ｇ９４ Ｇ２１Ｇ５４Ｂ０
／ ／选择坐标系 Ｇ０ Ｘ０Ｙ０ Ｚ１００ Ｇ６５Ｐ９８７０ Ｘ０ Ｙ０ Ｆ１５００ ／ ／Ｘ、Ｙ 方向 快速返回 Ｇ６５Ｐ９８７９ Ｈ１ Ｚ１００ ／ ／Ｚ 方向快速返回
首先 ， 应用常规 ＰＩＤ 控制方法 ， 取 Ｋｐ ＝ ０．５ ， Ｋｉ＝ ０．０１ ， 假设模型精确 ， 仿真得到对象阶跃响应曲线如图 ４ 中 （＋ ）曲线所示。采用模糊免疫 ＰＩＤ－ Ｓｍｉｔｈ 控 制 所 得 到 的 阶 跃 响 应 曲 线 如 图 ４ 中实现所示。明显可得 ， 当模型匹 配的时候 ， 模糊免疫 ＰＩＤ－ Ｓｍｉｔｈ控制得到的阶跃响应曲 线实现无超调 ， 响应时间快的优点。 模型匹配时常规 ＰＩＤ（＋ ）与模糊免疫 ＰＩＤ－ Ｓｍｉｔｈ 比 较当对象参数变化时，对应的阶跃响应曲线如图 ５ 所示 ， 系统是 发散的。可见 ， 对于大时滞时变对象的控制 ， 常规 ＰＩＤ 算法存 在调节时间长、调节品质差、甚至将失去稳定的缺陷。
１ ） 加工中心。实现加工、检测的基础 ， 其工作部件是实现所 需基本运动的部件 ， 它的传动部件的精度直接影响着加工、检测 的精度。 ２ ） 数控系统。一般采用 ＣＮＣ 数控系统 ， 输入存储、数控加 工、插补运算以及机床各种控制功能通过程序来实现。 ３ ） 伺服系统。数控机床的重要组成部分 ， 用以实现数控机床 的进给位置伺服控制和主轴转速（或位置）伺服控制。 ４ ） 测量系统。由接触触发式测头、信号传输系统和数据采集系统组 成 ， 是数控机床在线检测系统的关键部分 ， 直接影响着在线检测的精 度。其中关键部件为测头 ， 使用测头可在加工过程中 进行尺寸测量 ， 改善加工精度 ， 使得数控机床既是加工设备 ， 又兼 具测量机的某种功能。 ５ ） 计算机系统。在线检测系统利用计算机进行测量数据的采集和处 理、检测数控程序的生成、与数控机床通信等功能。
软件中各模块的主要功能如下 ： １ ） 基本参数设置子模块的功能是为了根据已有的零件参数表里面具体的测量特征 选择不同的测量主程序 ， 并且完成坐标系、进给量、测头类型等参数的设定。 ２） 测量程序生成子模块简化了测量主程序的编制工作 ， 可以完成圆测量、圆柱测 量、距离测量、平面测量等不同类型形状的测量程序自动生成。根据测量参数提示 ， 很容易实现参数传递。此模块主要完成零件待测信息的输入 ， 自动生成检测主程序。 ３ ） 测量结果补偿子模块用来完成对测量点坐标的测量值进行修正的工作。通过打 开测量结果数据文件获得测量点坐标信息 ， 经过相应的运算 ， 将对测量结果精度影 响最大的测头静态预行程误差和测球半径进行补偿 ， 从而得到测量点坐标的修正值。 ４ ） 通讯模块的建立包括 ＲＳ－ ２３２ 硬件通讯协议及软件支持部分。主要功能是 将测量程序生成子模块自动生成的测量程序发送至机床或加工中心并且接收测量点的 坐标信息。此模块必须保证选择的波特率、数据位、校验位和停止位与加工中心上接 口上的设置相同。
实验研究结果 为了验证基于该加工中心在线检测软件的正确性及可 行性 ， 在数控加工实验中心上对标准试件的实测结 果进行了实验验证。 机床采用的是 ＤＨＰ５０ 卧式镗铣床、米克朗 ＨＳ Ｍ ７００ ， 具有ＲＳ － ２３２ 通 讯 接 口 。 测 量 系 统 由 德 国 波 龙 科 技 生 产 ＢＬＵＭ Ｐ８２．０１５１－ ０４５ 型加工中心测头组成。 计算机采用的 ＰＩＩＩ 系列微机组成的系统。软件 支持环境为 Ｗｉｎｄ ｏｗｓ ＸＰ 操作系统。对某 一试件上一直径为 ７２ｍｍ 的内圆孔进行测量。并 对测量结果进行修正。
测量数据提取 在 ＦＡＮＵＣ １６ｉ 中测量数据的提取方法为（以内孔类 零件为例） ： ＰＯＰＥＮ ＤＰＲＮＴ ［ＣｆｎｕｍKL＃１０７［３４］LLｙ１LLｚ ２］
ＤＰＲＮＴ ［ＣｆｎｕｍLL＃１０８［３４］LLｙ１LL ｚ ２］ ＤＰＲＮＴ ［ＣｆｎｕｍLLｘ１LL＃１２０［３４］LL ｚ ２］ ＤＰＲＮＴ ［ＣｆｎｕｍLLｘ１LL＃１２１［３４］LL ｚ ２］ ＰＣＬＯＳ
结பைடு நூலகம்语
本文针对火电厂水质调节加药系统 ， 提出了 模糊免疫 ＰＩＤ－Ｓｍｉｔｈ 控制器 ， 利 用 Ｍａ ｔｌａ ｂ 的模糊控制工具箱及 ｍ 文 件编程进行模糊系统的设计与仿真 ， 结果表 明其结构简单 ， 适应性强 ， 易于实时控制 的特点 ， 该控制器不仅可以有效地控制大纯 滞后对象 ， 而且具有很好的抗干扰能力和自 适应能力。
触发式测头工作原理 触发式测头内部有在同一水平面上以 １２０° 称分布的 ３ 个定位柱 ， 每个定位柱又由其下面的 ２ 个支承球支承着 ， 它们构成了一对触点副 （ 两个触点 ） 。当 ３ 对钢球接触副均匀接触时 ， 测头处于零位。当 测球与被测工件接触时， 产生接触力， 在这一力的作用下 ， 测头座发 生位移或偏转 ， 此时 ３ 对钢球接触副中至少有一个触点脱开 ， 使原 来闭合的串联回路发生断路 ， 而发出触发信号。当测头与被测工件脱 离后 ， 接触力消失 ， 在复位弹簧的作用下 ， 使测头回到原始位置。 从测头发出的这一触发信号经信号传输器（ 红外传输、电磁祸合传输、 无线电波传输或导线传输 ） 传输至控制器接口 （ 一般为一接口单元 ） 中 ， 由此接口对信号进行处理成数控系统可识别的开关量电平信号 ， 并随之传送给数控系统。数控系统接受到测头的触发信号后 ， 使机床 停止运动 ， 并通过数控机床定位系统锁存此时测头测球球心的 ３ 个坐 标值 ， 以此来确定测球与工件接触点的坐标 ； 然后转入下一个程序段 的运行。从而可实现对空间任意位置进行自动定位、检测和监控。
本文以实现加工中心零件测量自动化为目的 ， 通过在加工中心上配备测头装置 ， 实现在线 测量。实现了测量自动化 ， 通过微机交互界 面操作 ， 实现测量程序自动生成。测量结果 计算在程序中进行修正 ， 进行复杂的综合误 差补偿运算由原来不可能而成为可能。
系统结构、工作原理及工作过程 在线检测系统组成 一个完整的加工中心在线检测系统一般由以 下几个部分组成：
系统软件设计与实现 １ ＢＬＵＭ 测头循环 本论文采用的德国波龙科技生产 ＢＬＵＭ Ｐ８２．０１５１－ ０４ ５ 型加工中心测头。下面以以内孔类零件为例说明测量循环的功能 和使用方法 ：其测量循环语句为 ： Ｇ６５Ｐ９８１５Ｃｃ （ Ｄｄ ） Ｓｓ （ Ｔｔ） （ Ｕｕ ） （ Ｗｗ） Ｚｚ当测头安装在主轴后 ， 必 须首先选定工件坐标系 （ Ｇ５４…Ｇ５９） 。该命令将打开测头 （ Ｏ９８９９ ） ， 并且将测头置于孔径中心上方的大致位置， 从 这个初试位置开始 ， 该测头开始 ４ 点测量 ， 最后回到由该语句中 变量 Ｃ 所决定的初始位置， 当这个孔径测量完毕后 ， 关闭测头测 量过程 （ Ｏ９８９９ ） ， 程序回到调用该语句之前的状态。
软件结构和流程图 该软件设计了在线检测系统友好的人机界面 ， 以方便用户使用和操 作。在线检测系统的人机界面是计算机和操作者之间进行联系的桥 梁。操作者通过它进行基本参数设置、测量参数设置、测量参数输 入等形成测量主程序 ， 通过通讯接口将测量主程序等信息输入数控 系统 ， 数控系统按程序的要求进行测量。数控系 统 则 通 过 它 将 系 统 当 前 状 态 、位置信息等反馈给操作者。本 文开发的该软件可以应用在配备了测头的加工中心和数控镗、铣床 等。数控机床上 ， 既可以用于加工序前或序后的综合测量 ， 也可 以通过编程在加工序中进行主动测量。因此 ， 它为操作者提供了完 备的测量手段 ， 同时也是加工质量的重要保障。