基于误差校正模型的高精度测量机控制策略

王 丹， 李 磊， 李小燕， 杨江照

(1. 广东科技学院机电工程学院，广东 东莞 523083; 2. 固高派动（东莞）智能科技有限公司，广东 东莞 523808)

0 引 言

在精密加工行业，对工件加工质量的检测要求越来越高[1-2]。目前常用的检测方法包括人工检测和测量机测量。人工检测由于测量人员工作习惯、人工读数等主观因素，存在较大的测量误差，且单个测量时间长、效率低，所以现场大多用人工进行抽检，不能对所有的参数进行测量。现有的接触式尺寸测量机测量高精度工件尺寸时，会对工件表面造成较大的损伤。因此，为了解决人工质检误差大、效率低，接触式测量机易损伤高精密工件等问题，探索工件尺寸的非接触式高精度检测显得尤为重要。文献[3]开发了能够测量具有高深宽比特征工件的测量系统，其中是以高精度的三坐标测量机为基础，辅助以双目视觉完成。文献[4]提出了基于光栅感知的直线导轨运动误差在线测量方法，对动态误差提供技术支持。文献[5]提出了激光跟踪技术的静态标定方法，为磁悬浮轨道几何参数提供新的思路。文献[6]提出一种三坐标测量机高速测量过程动态误差补偿方法，提高了测量机动态精度和测量效率。由上可知，激光测量[7]、误差补偿[8-9]、多坐标测量[10-11]等因素是解决非接触式高精度检测的关键。本文提出采用激光传感器结合多运动平台的方式，研制一种非接触式高精度尺寸测量机。在该测量机中，被测量物体搭载在运动平台上，运动平台载着被测量物体运动到测量点的位置，通过激光传感器的读数以及运动平台的当前位置，确定被测量物体的尺寸参数。

1 系统组成

本文采用模块化设计，主要包括运动平台和测量模块两大系统。由于本文对最终测量精度要求为±0.005 mm等级，因此运动平台采取直线电机与光栅尺组合的方式实现测量平台的直接驱动，避免由于传动链引入的误差不确定性。同时为避免直线电机在工作过程中由于发热引起机台热胀冷缩而影响光栅尺测量精度，在结构设计上采用光栅尺与电机部件隔离的方式安装。光栅尺选用RSF光栅尺（MS15系列），分辨率可达0.000 5 mm。直线电机选用GTHD系列GTHD-0032AAP1 型驱动器，该驱动器连续输出电流和峰值电流分别为3 A和9 A，满足直线电机工作使用。测量载台的平面度小于0.002 mm。 测量模块采用激光测距传感器，选用基恩士的CL-P070彩色激光同轴位移计，其分辨率可达0.000 22 mm，测量范围为70 mm±10 mm（靠近传感器为正读数）。综合上述零部件，系统硬件组成如图1所示。

图1 高精度尺寸测量机系统

被测工件搭载在由直线电机驱动的X、Y平台载台上，宽度和高度激光传感器均固定在机台上。其中，载台和0级直角靠肩为高度和宽度的相对测量基准。为确保测量准确，在该测量机中，需要确保：激光传感器测量方向与机台动坐标系垂直；动坐标系与机台坐标系之间的关系确定；测量点相对于机台坐标系的位置确定。结合机台的结构设计，可以通过微调激光传感器的安装基座来调整激光传感器测量方向与机台动坐标系的垂直度。而机台坐标系与动坐标系的关系，则需要标定量块辅助完成。测量点相对机台坐标系的位置需要结合激光传感器的有效测量范围及机台动坐标系的运动有效工作空间综合考量。

2 测量原理

如图1所示，在执行测量作业时，X、Y平台搭载被测量工件在平面内移动到高度激光传感器和宽度激光传感器的测量位置，上位机通过当前X、Y方向光栅尺的读数以及激光传感器的读数，计算出相关测量要素的测量值。测量原理如图2所示，其中，XOY为机台坐标系，原点O默认为X轴和Y轴的Home点处；X'O'Y'为工件坐标系，原点O'与0级直角的角点重合，且X'轴和Y'轴分别与直角靠肩的两个垂直边平行，方向与X轴和Y轴的方向一致；高度传感器和宽度传感器均固定在机台中，即相对于XOY坐标系，其坐标值保持不变（在不调整硬件的情况下）；此外通过微调机构（0.02°）保证高度激光传感器测量方向与XY平面垂直，宽度激光传感器测量方向与O'Y'方向垂直。需要指出，此处均假设X轴和Y轴垂直，X'轴和Y'轴垂直。

图2 高度测量原理示意图

2.1 高度测量

由图2可知，在进行高度方向相关尺寸测量时，如高度、孔深等，前述已知高度激光传感器固定在机台上，若已知高度激光传感器在机台坐标系XOY下的坐标为 (xh,yh)，测量载台基准面的高度激光传感器测量值为zh，P1点在工件坐标系的坐标值为，则在测量P1点的实际高度尺寸zM时，需要：

1）移动测量载台，使得P1点位于高度激光传感器正下方，由于X'轴和Y'轴的方向分别与X轴和Y轴的方向一致，则工件坐标系原点O'相对于XOY坐标系的坐标 (x0,y0)为

2）读取P1点位于高度激光传感器正下方时的高度激光传感器的读数为zl，则P1相对于载台测量面的测量高度为：

2.2 宽度测量

在进行宽度方向相关尺寸测量时，如长度、宽度等，前述已知宽度激光传感器固定在机台上，原理如图3所示。

图3 宽度测量原理示意图

若已知宽度激光传感器在机台坐标系XOY下的坐标为 (xw,yw)，宽度激光测量基准点Q为宽度激光传感器与宽度测量基准面的交点，在机台坐标系XOY下的坐标为 (xp,yp)，宽度激光传感器读取宽度测量基准点的值为xc，P2点在工件坐标系的坐标值为，则在测量P2点的实际宽度尺寸时，需要：

1）移动测量载台，使P2点位于宽度激光测量基准面，且正对宽度激光传感器，则工件坐标系原点O'相对于XOY坐标系的坐标 (x0,y0)为

而且：

2）读取此时宽度激光传感器的读数xl，则P2在工件坐标系下的测量尺寸为：

3 测量误差建模及分析

实际零部件在机械装配时引入的装配误差[12-13]，在本尺寸测量装置中，主要体现在0级直角靠肩，即工件坐标系与机台坐标系存在一定的夹角，如图4中 θ所示。

图4 测量误差模型示意图

4 系统基准标定

由上述测量原理以及误差补偿分析可知，设备在进行尺寸测量时，需要先进行标定[14-15]，确定如下参数：

1）高度激光传感器在机台坐标系XOY下的坐标值 (xh,yh)。

2）测量载台基准面的高度激光传感器测量值zh。

3）宽度激光测量基准点在机台坐标系XOY下的坐标值 (xp,yp)。

4）宽度激光在宽度激光测量基准面的测量值xc。

5）机台坐标系与工件坐标系的夹角 θ。

6）测量点Pi在工件坐标下的坐标值。

其中1）～5）需要通过系统标定获得，6）为被测量物体的标称尺寸。

4.1 坐标系夹角标定

在本文中，使用30 mm 0级标准量块，如图5所示。结合X、Y运动的光栅尺读数以及高度激光传感器和宽度激光传感器的读数来标定测量基准面的相关坐标信息。

图5 标准量块

在标定夹角 θ时，先将量块精度基准面靠紧O'Y'放置，移动机台X、Y轴，使任意边缘探测点置于宽度激光传感器测量区间内，记录当前X轴和Y轴光栅尺读数 (x01,y01)，同时记录宽度激光传感器的读数xc1；然后移动机台Y轴，使宽度激光传感器读数有效（即宽度激光传感器能测量量块的边缘），记录当前X轴和Y轴光栅尺读数 (x01,y02)，同时记录当前宽度激光传感器的读数xc2；根据先后两次的数据，可得：

4.2 高度标定

标定高度激光传感器在机台坐标系XOY下的坐标值时，先将量块精度基准面靠紧O'Y'放置，移动机台X、Y轴，通过判断高度激光传感器读数的跳变情况使高度激光传感器刚好位于量块边缘处，记录当前X轴和Y轴光栅尺读数 (xh1,yh1)；然后将量块旋转90°，紧靠O'X'放置，移动机台Y轴，判断高度激光传感器读数的跳变情况使高度激光传感器刚好位于量块边缘处，记录当前X轴和Y轴光栅尺读数 (xh1,yh2)；根据先后两次的数据，结合量块标称值30 mm，则高度激光传感器在机台坐标系XOY下的坐标值为：

针对测量载台基准面的高度激光传感器测量值的标定，在本文中，移除标定块，直接通过移动X、Y轴，使载台位于高度激光传感器正下方，记录当前高度激光传感器读数zh1，则

4.3 宽度标定

在标定宽度激光测量基准面在机台坐标系XOY下的坐标值时，先将量块精度基准面靠紧O'Y'放置，移动机台X、Y轴，使量块任意边缘探测点置于宽度激光传感器测量区间内，记录当前X轴和Y轴光栅尺读数 (xw1,yw1)，同时记录宽度激光传感器的读数xc1；然后将量块旋转90°，紧靠O'X'放置，如图6所示。

图6 标定图例

移动机台Y轴，通过判断宽度激光传感器读数的跳变情况使宽度激光传感器刚好位于量块边缘处，记录当前X轴和Y轴光栅尺读数 (xw1,yw2)；根据先后两次的数据，结合量块标称值30 mm，则宽度激光测量基准点在机台坐标系XOY下的坐标值为：

相应地，宽度激光传感器在机台坐标系XOY下的坐标值为：

而宽度激光在宽度激光测量基准面的测量值xc，则为：

至此，1）～5）中参数全部获得，如图7所示。

图7 标定界面

将新的标定数据保存在软件的运动配置文件里。被测量物体的标称尺寸可以根据设计或送检样品获取，结合前面小节内容，可以实施相关尺寸测量。

5 实验结果与分析

5.1 测量步骤

产品测量主要包括外轮廓尺寸和孔深尺寸，主要分为3个步骤：

1）产品投入，点击如图8（a）所示的启动，按照程序提示进行上料，实际上料如图8（b）所示。

图8 测量示意图

2）产品正面尺寸数据测量完成，需要进行翻转测量反面尺寸，软件提示进入翻转环节，可以采用手动或者自动的模式进行。

3）反面尺寸测量完成，测试载板将产品运送到下料处，进行下一步工序。

5.2 软件功能

根据高精度测量机的测量原理，本文搭建的控制系统主要程序功能有：手动操作、回零操作、自动测量、文件配置、测试模式选择、满盘操作、数据回溯、参数标定等。其中自动测量工作流程如图9所示。

图9 自动测量工作流程

5.3 实验结果

选择某型号工件进行测试，工件尺寸和得到的测量参数如表1所示。其中测量方式A表示采用测量机进行测量，B表示采用人工测量。

表1 工件尺寸测量数据对比表

由表1可知，对于此次工件的长、宽、高及孔槽深度尺寸公差0.1 mm，0.03 mm，0.01 mm，0.02 mm，测量机测量结果均能满足要求。人工测量中，底面孔槽深度1.205 mm，尺寸公差0.01 mm的参数未能满足要求，其他尺寸满足要求。因此在此次型号的工件测量中，测试机测试准确率100%，人工测量准确率90%。为了进一步验证测量机的性能，分别对不同型号工件进行测量机和人工测量的对比分析。在10 000次测量结果中，测量机测量准确率99.54%，人工测量准确率92.32%，测量机比人工测量准确率提高7.22%，且效率明显提高。图10为测量机对某型号工件测量时软件界面。

图10 测量机测量软件界面

6 结束语

本文设计了一种基于误差校正模型的高精度非接触式尺寸测量机控制系统。通过激光传感器结合多运动平台，基于系统误差校正控制策略的方式实现高精度自动测量。根据测量机的测量和标定原理，分析并建立了误差模型；根据误差模型，确定了标定方法，并设计了高精度测量机的测量控制系统。通过现场应用，所设计的高精度测量机满足测量精度要求，同时提高了测量准确率和效率。