非正交测量机下REVO测量系统控制与应用研究

陈 雷，王 璇，张 旭，张海涛

(1.沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，沈阳 110043；2.天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072)



非正交测量机下REVO测量系统控制与应用研究

陈 雷，王 璇，张 旭，张海涛

(1.沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司，沈阳 110043；2.天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072)

针对在非正交式坐标测量机下应用基于正交式坐标测量机设计和应用的高效率高精度REVO五轴测量系统，提出了控制器返回坐标值数据的分离方法，获得测量机各主轴的准确位置，实现了非正交式测量机下测量系统运动和测量的精确控制；通过Microsoft Visual C++平台开发了基于I++ DME通信协议的坐标测量机测量软件，并通过实践检验了测量软件的可靠性和有效性，创新性的实现了REVO五轴测量系统在非正交式坐标测量机中的应用，为复杂环境下具有复杂特征工件的高效率高精度测量提供了可靠的理论基础和技术依据。

REVO；非正交；测量机；数据分离；测量软件

0 引言

Renishaw公司推出的REVO五轴测量系统[1]，是近20年来坐标测量机行业最重大的进步，其是一款基于正交式坐标测量机设计和应用的高精度、高效率测量系统。相比于装有三轴扫描系统的传统坐标测量机(CMM)，其检测效率提高了9倍，而且与传统的可重复定位测座系统相比，节省了数小时的校准时间[2]。REVO五轴测量系统目前已被欧美等发达国家广泛应用于航空航天、汽车、模具等测量领域。

随着制造技术的发展以及各领域对零件要求的日益提高，工件的加工精度检测成为亟需解决的关键问题[3]。对具有复杂特征且一体化加工的工件，往往需要在极限空间限制下进行原位在线检测[4-6]，以满足“设计-加工-检测”的闭环制造模式，传统的正交式坐标测量机结构已不能满足原位在线检测的需求，必须采用非正交式测量机结构形式[7-10]。

本文创新性地将基于正交式坐标测量机设计和应用的REVO五轴测量系统应用于非正交坐标测量机中，通过对测量数据的分离和重构以及相应测量软件的开发，实现了在非正交式坐标测量机中对REVO五轴测量系统的精确控制，为复杂环境下的复杂零部件高效率高精度测量提供了一种可靠的检测方式。

1 REVO五轴系统工作原理

1.1 探针变形补偿

REVO测头可以安装工作长度长达500mm的探针，测量时探针变形的补偿原理如图1所示。激光光束从测头体内发出，沿着空心探针到达探针端部的反射镜上。测尖开始接触工件表面时探针产生轻微的弯曲，反射镜产生位移，返回光路随之产生偏移，偏移量被安装于测座内部的位置传感器件(PSD)感知。由于反射镜与测球紧密相连，因此可以测出探针端部的准确位置。

图1 探针变形补偿原理

1.2 REVO五轴系统正常配置

REVO五轴测量系统是基于正交式坐标测量机设计和应用的，必须与SPA2-2伺服放大器和UCC2控制器等配合使用，其正常配置如图2所示。

图2 REVO五轴系统正常配置

在图2中，测量机的三个轴是相互正交的，REVO测头安装在竖直轴的末端，REVO测头在其专门的控制器UCC2的控制下随三个轴做平移运动。测量时，控制系统返回的坐标值由坐标测量机每个轴的光栅值、测头两个轴移动和探针变形在三个方向上产生的位移量在UCC2控制器中直接合成后输出。正交式坐标测量机下，每个主轴的光栅值、测头两个轴运动的位移量以及探针变形量都是线性量，可以直接相加构成被测点的坐标值，并输出给用户，用户直接使用返回的值就可以对测量机进行控制等操作。

2 测量数据解析

2.1 非正交式测量机结构

为了实现具有复杂特征自由曲面类零件的原位在线测量，根据五轴数控加工现场的空间限制，设计了如图3所示的非正交式坐标测量机，其由两个直行运动轴(x，z)和一个旋转轴(C)组成，其中，水平(x)和竖直(z)运动轴采用直线光栅计数，单位为毫米(mm)，旋转轴(C)采用圆光栅技术，单位为度(degree)。UCC2控制器对测量机各个轴的控制都是以毫米为单位的数值进行的，而图3所示的测量机旋转轴的单位为度，控制器通过指令使其运动10，旋转轴会转动10°而非平移10mm，由于运动的单位不同，控制器返回的坐标数据并不能真实、直观地反映出各个坐标轴当前的位置状态，在运动的过程中很可能会发生碰撞，因此，要实现对图3中的非正交式REVO五轴测量系统进行精确控制，必须对控制器返回的数据进行解析并重构。

图3 非正交式坐标测量机结构示意图

2.2 数据分离

测量时，REVO五轴系统返回的数据格式为(x,y,z,α,β,I,J,K)，其中(x,y,z)为被测点的坐标值，α,β分别为测量时A轴与B轴的角度，(I,J,K)为测量时的探测矢量。REVO五轴系统返回的是合成后的数据，并不能从控制系统中获得各主轴的光栅值、测杆变形量以及测头A、B轴运动产生的位移量。正常情况下，被测点的坐标值M=(x,y,z)T可以表示为：

M=S+R+D

(1)

式中，S=(xs,ys,zs)T为各主轴的光栅值，R=(xr,yr,zr)T为各REVO测头A轴与B轴运动轴在三个方向产生的位移量，D=(xd,yd,zd)T为测杆变形在三个方向产生的位移量。

在正交式三坐标测量机中，S、R、D中各个分量都是线性值，其单位都是统一的。但在图3所示的非正交式坐标测量机中，由于采用了圆光栅对关节臂的旋转角度进行计数，S中ys值的单位为度，故控制器直接合成后返回的数据(x,y,z,α,β,I,J,K)中，y的数值由单位为度的光栅值和单位为毫米的两个线性值组成。因此，不能直接使用y的值对测量系统进行运动控制，必须对控制器返回的数据进行重构，将角度量与线性量分离并重新合成，否则，运动的过程中很容易发生碰撞。

图4 REVO测头运动模型

设探针的长度为l，建立如图4所示的REVO测头运动模型，当探针绕A轴与B轴分别转动角度α与β时，REVO测头A轴与B轴运动在三个方向产生的位移量R可以表示为：

(2)

探针变形在三个方向产生的位移量D可以表示为:

(3)

式中，d表示探针受测量力作用产生的变形量，此变形量并不能从测量系统中直接获得。理论上，可以将探针看作是一个简支梁，探针主要受测量力的作用而产生变形，此变形量可以通过d=Fl3/(3EIS)来确定，但是相关参数并不能从生产商处精确获得，因此，也就不能计算出d的精确值，但可以通过实验，可以获得d的估计值。

则三个主轴的光栅值可以表示为：

S=M-R-D

(4)

3 控制系统软件设计

REVO五轴测量系统的通信是基于I++ DME协议建立的。测量控制软件需要按照I++ DME协议标准通过控制器的相应接口(UCCServer)对控制器进行控制，实现自动运动与测量功能。软件系统主要包括初始化、运动、测量与评价等模块。

3.1 初始化模块

测量软件需要通过UCCServer接口使用Socket建立测量软件与控制器的通讯。通讯建立后测量软件发送相应的指令连接并初始化控制器、使测量机回家以及设置所选择探针的运动速度、加速度和测量速度、加速度、接近距离、回退距离等相关参数。测量软件的初始化流程如图5所示。

图5 初始化流程

3.2 运动控制模块

在图3所示的非常规配置REVO五轴测量系统中，控制器返回的y坐标数据是由角度量和线性量混合相加的虚假坐标值，为了能够精确的控制测量机各轴的运动以及防碰撞要求，必须从控制器返回的数据中分离出各轴的光栅数据，并对运动的目标位置进行防碰撞检测，确认无碰撞后重构目标坐标值并通过指令发送给控制器以实现相应的运动控制(见图6)。

图6 运动控制流程

3.3 测量控制模块

测量过程的自动化可以提高测量效率和测量精度。在进行自动测量之前，必须对自动测量的相关项目如测量模式、测量参数等进行设置，并根据测量文件中每个测量数据的类型，进行测量指令的重构，构建出测量数据所对应的运动指令、测量指令和不同的扫描指令，并将其编译为控制器可以识别的指令代码并通过相应的接口发送给控制器(见图7)。

图7 测量控制流程图

使用Microsoft Visual C++平台开发基于I++ DME协议的测量控制软件，通过数据的分离与重构，实现测量机单轴运动的精确控制；通过自学习可以实现被测对象的自动测量，并在测量软件中加入了防碰撞设置，加强了在运动以及测量过程中对REVO测头的保护，实现了REVO五轴测量系统在非正交式坐标测量机下的精确控制与应用。图8 所示为所研制的非正交式测量机下REVO五轴测量系统在某加工现场等待测量的状态。

图8 非正交式REVO五轴测量系统

4 结论

在非正交式坐标测量机下应用REVO五轴测量系统，必须对控制系统返回的数据进行分离以方便控制，本文所提出的数据分离方法，准确提取出了测量机各主轴的光栅位置，并开发出了面向用户且易于操作的坐标测量机自动测量软件，实现了REVO五轴测量系统在非正交式坐标测量机下的创新性应用，为复杂环境下的复杂零部件高效率高精度测量提供了一种新的技术途径。

[1] REVO 5-axis measurement system. Available online: http://www.renishaw.com/en/10438.

[2] Renishaw. REVO User’s Guide[R]. Part number: H-1000-5129-01-A, 2008.

[3] 牟如强,侯力,张海燕,等. 新型圆弧齿线圆柱齿轮齿形误差检测方法分析[J]. 组合机床与自动化加工技术,2015(8):79-81,85.

[4] 韩如聪,张建富,冯平法,等. 原位检测系统中触发式测头半径误差分析与建模[J]. 组合机床与自动化加工技术,2014(12):60-64.

[5] 潘武,张莉彦,徐俊成. 基于机器视觉的工件的在线检测[J]. 组合机床与自动化加工技术,2012(7):75-78,81.

[6] 李铁钢. 结构件在机检测技术研究[J]. 组合机床与自动化加工技术,2013(5):64-66.

[7] Li Xinghua, Zhang Guoxiong, Liu Shugui, et al. A study on machine calibration techniques [J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2013, 62(1): 499-502.

[8] Li Xinghua, Chen Bo, Qiu Zurong. The calibration and error compensation techniques for an articulated arm CMM with two parallel rotational axes [J]. Measurement, 2013, 46(1): 603-609.

[9] 刘书桂,张海涛, 苏智琨. REVO测头在非正交式三坐标测量机中探测矢量修正算法研究[J]. 天津大学学报, 2016,49(9):956-960.

[10] 裘祖荣，苏智琨，张国雄,等. 整体叶盘测量机参数标定的关键技术[J]. 纳米技术与精密工程，2014, 12(4): 235-241.

(编辑 李秀敏)

A Study on the Control and Application of REVO 5-axis Measurement System in Non-orthogonal Coordinate Measuring Machine

CHEN Lei1, WANG Xuan1, ZHANG Xu1, ZHANG Hai-tao2

(1. AECC Shenyang Liming Aero-Engine Group Corporation, Shenyang 110043,China;2. State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

A data separation method is proposed according to the application of REVO 5-axis measurement system in non-orthogonal coordinate measuring machine(CMM), which is designed based on the orthogonal CMM. The movement and measurement of the measuring system in non-orthogonal CMM are controlled precisely as a result of the date separation. The measurement software of the non-orthogonal CMM is developed by the Microsoft Visual C++ platform, and the reliability and effectiveness are proved by practice. The application of REVO 5-axis measurement system in non-orthogonal CMM is then realized innovatively, providing a reliable theoretical and technical foundation to the high efficiency and high accuracy measurement of the workpiece with complex features in complicated environment.

REVO; non-orthogonal; CMM; data separation; measurement software

1001-2265(2016)11-0073-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.11.020

2016-08-05；

2016-09-01

国家自然科学基金项目(51375338)

陈雷(1978—)，男，沈阳人，沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司高级工程师，研究方向为航空发动机产品工艺设计、制造与测量，(E-mail) chenlei98213@163.com；通讯作者：张海涛(1986—)，男，河南南阳人，天津大学博士后，研究方向为坐标测量技术及误差补偿，(E-mail)zhanghaitao@tju.edu.cn。

TH165；TG506

A