基于西门子840D 的平面度在线测量系统❋

2015-12-31迟玉伦李郝林

机械工程与自动化 2015年1期

伏天，迟玉伦，李郝林

（上海理工大学机械工程学院，上海 200093）

0 引言

平面度误差是指被测实际表面对其理想平面的变动量，目前对于平面度误差测量的研究大部分停留在实验室内，没有批量应用到工业生产中，制约该技术发展的重要原因是不能快速获得准确的被测平面信息以及对其进行高效、精确的评定。

本文以西门子840D数控系统的OEM（Original Equipment Manufacture）开发软件为平台，利用840D数控系统开放性强的特点，针对光学玻璃的平面度误差测量问题，设计了一套基于西门子840D的平面度误差在线测量系统。

1 平面度测量系统应用软件功能

本系统包含传感器采样、传感器湿度修正、导轨误差分离、平面度评定、绘制玻璃表面形貌、数据分析等功能，同时具有快速、精确、易操作等特点。

图1为超精密平面度在线测量系统软件框架图。本软件的主要功能模块为运动控制模块、传感器采样模块、平面度评估模块以及数据分析处理模块。各模块的功能如下：

（1）运动控制模块：该模块通过对 NCU（Net Control Unit）和PCU（Package Control Unit）通讯方式的运用控制采样点的选择；同时还具有严格控制采样点重复度的功能，消除了数据采样中因采样点位置不同而造成的重复度误差。

（2）传感器采样模块：该模块具有对传感器采样的数据进行记录、保存、修正等功能。在所有采样点的数据均已采样完成之后，本模块可对采样数据进行温度、湿度修正，消除了周围环境变化对采样值的影响，优化了最终的评定结果。

（3）平面度评估模块：该模块对经过处理的采样数据进行整合，运用改进的最小二乘逐次两点法和最小区域平面度评估法的算法组合得到光学玻璃的平面度误差。

（4）数据分析处理模块：该模块对多次测量之后所得到的平面度值进行重复度评价，对多次测量之后所得结果的均方差、平均值、最大值、最小值进行评价，能对某次测量所得的结果绘制出虚拟3D表面形貌。

图1 超精密平面度在线测量系统软件框架图

2 平面度误差评定算法实现

平面度误差评定包括两方面内容，即导轨的误差分离和平面度评定。对于前者，本文采用改进的逐次两点法进行误差分离，对于后者，本文采用最小区域平面度评估法进行平面度评估。

2.1 误差分离算法原理

根据改进逐次两点法的原理，本系统将3个传感器呈直角形式摆放，3个传感器分别标记为（1，1）、（1，2）和（2，1）。传感器相对于被测光学玻璃平面的运动轨迹如图2所示。其中，i表示当前行数，j表示当前列数，记传感器（m，n）（m，n＝1，2）在某位置处的实际采样值为Dijmn，则：

图2 传感器相对于光学玻璃的运动轨迹

当导轨移动到测量点（i，j）处时，3个传感器的采样值分别为Dij11，Dij12，Dij21，3个传感器的差分输出如下：

经过以上差分输出导轨运动误差已经被消去，把

（Dij12－Dij11）、（Dij21－Dij11）、（Dij21－Dij12）分别用x（i，j，1）、x（i，j，2）、x（i，j，3）三组数据代表，则式（2）可写成如下矩阵形式：

2.2 误差分离的算法实现

本文采用COM组件法，即利用MATLAB COM Builder将M函数文件转换成COM文件，并且在VB开发OEM时直接调用该组件。以下是在MATLAB中编写的改进逐次两点误差分离算法的部分程序：

3 系统功能实现

3.1 测量结构及仪器

整个测量系统由840D数控系统、实验平台、米铱电容传感器、NI采集卡和传感器夹具等部分组成。其中工作台可以在X，Y方向运动，Z方向的手调立柱用来控制传感器与被测对象的间距，采集卡将数据传入到工控机中。整个测量系统的采样界面见图3，系统数据处理界面见图4。

图3 系统采样界面

图4 系统数据处理界面

3.2 测量结果分析

对同一光学玻璃的5次平面度测量试验中得到了5个平面度测量结果，分别为21.796 9μm、21.800 3 μm、21.821 6μm、21.869 4μm、21.938 5μm，从数据中可以得出其5次测量的最佳重复精度为99.984%，5次测量的平均值为21.845μm，均方差为0.053 29，最大值为21.938 5μm，最小值为21.796 9μm。

该结果表明测量的偏差几乎为0.1μm，重复精度高；又由于5次测量结果的均方差为0.053 29，因此各次测量结果数值相对波动率较小，证明本系统工作稳定。最后取被测光学玻璃表面的平面度为5次评定结果的平均值，即为21.845μm。