在機(jī)測(cè)量技術(shù)與工程應(yīng)用研究進(jìn)展*

李文龍， 王 剛， 田亞明， 寇 猛， 李中偉

（1.華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；2.華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、飛機(jī)機(jī)身機(jī)翼蒙皮、核電汽輪機(jī)大葉片、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等屬于典型的復(fù)雜曲面零件，幾何精度和物理性能要求高，具有自由曲面設(shè)計(jì)、薄壁、彎扭曲等特點(diǎn)[1]。在鑄鍛造/銑削/型面磨削過程中極易產(chǎn)生變形，因此其幾何誤差測(cè)量與控制極為重要[2–4]。

近年來(lái)，在機(jī)測(cè)量技術(shù)以其成本低、加工過程可檢測(cè)、無(wú)需搬運(yùn)與反復(fù)裝夾等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜曲面零件測(cè)量[5–6]。在機(jī)測(cè)量技術(shù)主要分為接觸式和非接觸式測(cè)量?jī)煞N形式。接觸式在機(jī)測(cè)量主要基于接觸式測(cè)頭，而非接觸式則是利用激光測(cè)頭等非接觸式傳感器進(jìn)行檢測(cè)[7–9]。目前英國(guó)雷尼紹公司與瑞典海克斯康公司在接觸式在機(jī)測(cè)量領(lǐng)域較為權(quán)威，并已有成熟應(yīng)用。美國(guó)葉輪生產(chǎn)廠霍尼韋爾采用接觸式在機(jī)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)葉輪找正，降低了葉輪軸向位置偏移誤差，提高了葉輪成品率[10]。波音及Rolls–Royce的主要供應(yīng)商Doncasters采用接觸式測(cè)頭對(duì)葉輪葉片進(jìn)行在機(jī)測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)了葉輪葉片的自動(dòng)化補(bǔ)償加工[11]。德國(guó)機(jī)床廠商哈繆爾（HAMUEL）聯(lián)合達(dá)爾康公司開發(fā)了多軸加工–測(cè)量–補(bǔ)償一體化系統(tǒng)，用于葉片磨拋測(cè)量，獲得漢諾威機(jī)床展多功能機(jī)床一等獎(jiǎng)[12]。國(guó)內(nèi)方面，武漢大學(xué)Huang等[13–14]基于接觸式在機(jī)測(cè)量技術(shù)，搭建了葉輪在機(jī)測(cè)量–補(bǔ)償加工一體化系統(tǒng)，通過調(diào)整刀路對(duì)葉輪進(jìn)行補(bǔ)償，將加工精度提高了75%。Huang等[15]通過接觸式在機(jī)測(cè)量研究了五軸數(shù)控機(jī)床的幾何誤差與位置誤差，改善了機(jī)床加工精度。接觸式在機(jī)測(cè)量精度較高，但受單點(diǎn)碰觸采集模式的限制，檢測(cè)效率無(wú)法滿足工業(yè)零件的全尺寸批量化檢測(cè)需求，僅適用于零件關(guān)鍵尺寸特征精確測(cè)量或干涉嚴(yán)重的復(fù)雜結(jié)構(gòu)深入測(cè)量。

隨著工業(yè)智能化水平的提升，非接觸式在機(jī)測(cè)量以速度快、路徑規(guī)劃簡(jiǎn)單且不易干涉等優(yōu)勢(shì)成為在機(jī)測(cè)量的主流發(fā)展方向[16]，但目前并無(wú)成熟的商業(yè)化在機(jī)測(cè)量產(chǎn)品。國(guó)外方面，英國(guó) Yilmaz等[17]利用 3D 非接觸式測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)單個(gè)葉片模型測(cè)量的功能。Hsieh等[18]提出了一種用于評(píng)估工件刮削缺陷的激光三角測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)降低了接觸引起的測(cè)量誤差并提高了測(cè)量精度。國(guó)內(nèi)方面，劉勇等[19]研發(fā)了激光在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)頭快速更換，并對(duì)航空關(guān)鍵零部件進(jìn)行了快速測(cè)量。張麗艷等[20]基于五軸數(shù)控機(jī)床對(duì)復(fù)雜曲面的激光在機(jī)測(cè)量進(jìn)行了研究。浙江大學(xué)盧科青等[21–22]針對(duì)復(fù)雜薄壁零件搭建了接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量相結(jié)合的復(fù)合式測(cè)量系統(tǒng)。非接觸式測(cè)量具有無(wú)觸碰力、測(cè)量效率高等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)也存在諸多問題： （1）非接觸式傳感器空間位姿的標(biāo)定精度直接影響到點(diǎn)云的拼接精度與系統(tǒng)的測(cè)量效果，因此研究傳感器空間位姿的高精度標(biāo)定具有重要意義； （2）測(cè)量時(shí)很難保證以垂直投射方向和最佳測(cè)量景深對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量，為實(shí)現(xiàn)非接觸式高質(zhì)量、高效率在機(jī)測(cè)量，測(cè)量路徑規(guī)劃是非接觸式測(cè)量需重點(diǎn)解決的問題。

針對(duì)上述問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞傳感器標(biāo)定和路徑規(guī)劃開展了深入的研究。在傳感器位姿標(biāo)定方面，Sun等[23]提出了一種航空葉片表面的快速檢測(cè)方法，并分析了激光位移傳感器的傾斜誤差。Paral?等[24]基于激光位移傳感器開發(fā)了一種壓電陶瓷盤振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。Sun等[25]推導(dǎo)了基于激光三角測(cè)量原理的誤差補(bǔ)償模型，有效提升了測(cè)量精度。Wei等[26]提出了一種基于圖像 3D 重建技術(shù)的非接觸式測(cè)量方法，簡(jiǎn)便、高精度地實(shí)現(xiàn)了船體變形檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果顯示檢測(cè)精度為測(cè)量總長(zhǎng)度的3%。Sun等[27]開發(fā)了一種基于激光位移傳感器的四軸測(cè)量系統(tǒng)，該傳感器垂直于Z軸固定安裝，并提出了一種航空葉片的快速測(cè)量方法。Lee等[28]開發(fā)了一種固定安裝無(wú)法旋轉(zhuǎn)的多光束測(cè)量傳感器，該多光束傳感器與三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)Z軸平行安裝，實(shí)現(xiàn)了自由曲面的測(cè)量。Sun等[29]提出了基于透視投影原理的激光位移傳感器視覺測(cè)量模型和一種相應(yīng)的校準(zhǔn)方法，試驗(yàn)結(jié)果表明提出的校準(zhǔn)方法可達(dá)到0.026mm的校準(zhǔn)精度。Chen等[30]提出了一種用于提高機(jī)器人鉆孔系統(tǒng)垂直度精度的傳感器標(biāo)定方法，以同時(shí)求解激光位移傳感器的零點(diǎn)誤差和激光束方向，仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，孔的垂直度在0.2°以內(nèi)。Li等[31]提出了一種基于激光位移傳感器的測(cè)量方法和誤差補(bǔ)償模型，用于大型自由曲面的在線激光測(cè)量系統(tǒng)，通過測(cè)量大型螺旋槳葉片驗(yàn)證了測(cè)量策略和誤差補(bǔ)償模型的可行性。Nishikawa等[32]開發(fā)了一種激光位移傳感器在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，通過零點(diǎn)位置與激光束方向標(biāo)定實(shí)現(xiàn)了三維點(diǎn)的重建。Abu-Nabah等[33]為焊接表面輪廓分析應(yīng)用研發(fā)了新型的非接觸式在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，提出了一種基于一張圖像的LVS系統(tǒng)標(biāo)定方法，并通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了該校準(zhǔn)方法的可行性。Duan等[34]介紹了一種新型的鉸接式激光傳感器，提出了一種基于平面目標(biāo)與球形目標(biāo)結(jié)合的激光束空間姿態(tài)標(biāo)定方法，試驗(yàn)結(jié)果表明，在1m的測(cè)量范圍內(nèi)，最大測(cè)量誤差約為0.05mm。Bi等[35–37]提出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)球的標(biāo)定方法，通過求解方程和高斯牛頓迭代優(yōu)化獲得方向矢量。Ibaraki等[38–39]也提出了一種基于五軸機(jī)床的標(biāo)定零位求解方法。目前非接觸式傳感器位姿標(biāo)定存在的挑戰(zhàn)性問題主要包括：（1）對(duì)于三軸/四軸數(shù)控機(jī)床，受機(jī)床運(yùn)動(dòng)自由度限制僅能標(biāo)定傳感器的出光方向矢量，無(wú)法標(biāo)定出光原點(diǎn)坐標(biāo)，導(dǎo)致測(cè)量–加工坐標(biāo)系無(wú)法有效統(tǒng)一； （2）對(duì)于五軸數(shù)控機(jī)床或六軸工業(yè)機(jī)器人，由于旋轉(zhuǎn)軸的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多樣（搖籃式、擺頭式等），目前尚無(wú)通用性的傳感器位姿標(biāo)定方法，且標(biāo)定精度受限于轉(zhuǎn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)精度。

在非接觸式在機(jī)測(cè)量路徑規(guī)劃方面，Zhao等[40]開發(fā)了一種基于幾何引導(dǎo)生成無(wú)碰撞探測(cè)路徑的方法，激光掃描測(cè)量時(shí)反復(fù)確定激光掃描儀的所需視角和位置，并根據(jù)這些角度和位置自動(dòng)生成掃描路徑。Lartigue等[41]提出了一種基于體素的3D路徑規(guī)劃方法，該方法適用于任何類型傳感器。Lu等[42]提出了一種集成接觸式掃描探針和點(diǎn)激光傳感器的多傳感器測(cè)量方法，以指定掃描行間距為基礎(chǔ)提出了供集成傳感器使用的測(cè)量路徑規(guī)劃算法。Liu等[43]針對(duì)航空航天大型薄壁零件，提出了一種基于等平面的在線掃描方法，用于大表面輪廓信息的提取。Liu等[44–45]以葉片為研究對(duì)象，對(duì)路徑規(guī)劃的質(zhì)心系法和矩形細(xì)分法等進(jìn)行了研究。Chao等[46]研究了一種基于噴涂機(jī)器人系統(tǒng)和激光位移傳感器技術(shù)的測(cè)量路徑規(guī)劃算法。Mavrinac等[47]提出了一種基于半自動(dòng)模型的高分辨率主動(dòng)三角剖分3D檢查系統(tǒng)視圖規(guī)劃的方法。Phan等[48]以六軸機(jī)器人為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，研究了通過控制兩個(gè)相鄰掃描路徑之間的重疊區(qū)域來(lái)生成掃描路徑的方法。目前非接觸式在機(jī)測(cè)量路徑規(guī)劃存在的挑戰(zhàn)性問題主要包括： （1）非接觸式傳感器的測(cè)量精度受測(cè)量景深、測(cè)量?jī)A角等參數(shù)影響，為保障測(cè)量精度和質(zhì)量，須建立考慮這些因素的測(cè)量路徑規(guī)劃模型； （2）當(dāng)測(cè)量對(duì)象結(jié)構(gòu)復(fù)雜（如葉輪、導(dǎo)向器等）或測(cè)量環(huán)境空間狹小時(shí)，如何自動(dòng)生成全局無(wú)干涉的測(cè)量路徑也是一個(gè)亟待解決的難題。

在機(jī)測(cè)量軟件是在機(jī)測(cè)量技術(shù)有效應(yīng)用于工程項(xiàng)目的重要載體。工業(yè)界常用的在機(jī)測(cè)量軟件主要有達(dá)爾康的PowerInspect、雷尼紹的Productivity+和?？怂箍档腜C–Dmis–NC。達(dá)爾康PowerInspect軟件適配三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、三軸/五軸CNC系統(tǒng)和激光掃描設(shè)備，兼容各種形式的三維CAD模型數(shù)據(jù)，可脫機(jī)編程，不占用機(jī)床有效時(shí)間，路徑規(guī)劃集成了多種不同檢測(cè)路徑生成策略，集成了路徑仿真、碰撞檢測(cè)和測(cè)頭標(biāo)定等功能。海克斯康的PC–Dmis–NC泛用性較高，適配多種不同機(jī)床/數(shù)控系統(tǒng)與測(cè)頭，具備可脫機(jī)編程、路徑仿真與碰撞檢測(cè)等功能，支持G代碼生成，測(cè)量結(jié)果可實(shí)時(shí)反饋至計(jì)算機(jī)，支持工件智能自動(dòng)找正，可將補(bǔ)償值直接同步更新到機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。英國(guó)雷尼紹Productivity+可完美適配雷尼紹測(cè)頭，軟件配備雷尼紹測(cè)頭綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，可快速配置多種不同雷尼紹測(cè)頭，無(wú)需掌握機(jī)床G代碼知識(shí)，可通過軟件直接導(dǎo)出G代碼，實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能。目前商業(yè)化在機(jī)測(cè)量軟件存在的主要問題有： （1）對(duì)接觸式測(cè)頭適配良好，但缺乏對(duì)非接觸式測(cè)量系統(tǒng)的支持； （2）缺乏點(diǎn)云處理操作，不具備點(diǎn)云精簡(jiǎn)、點(diǎn)云濾波、特征擬合及誤差色譜分析等功能，點(diǎn)云操作性較差。

針對(duì)以上問題，本文將系統(tǒng)介紹在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)、在機(jī)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)（包括搭載在機(jī)床上的接觸式在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)、非接觸式在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)以及搭載在機(jī)器人上的非接觸式測(cè)量系統(tǒng)）、在機(jī)測(cè)量軟件設(shè)計(jì)框架、非接觸式功能開發(fā)與機(jī)器人軌跡規(guī)劃等。最后討論在機(jī)測(cè)量軟件在航空、核電、電子等領(lǐng)域的大型薄壁復(fù)雜零件的工程應(yīng)用情況。

1 在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)床接觸式在機(jī)測(cè)量

接觸式在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示[49]，系統(tǒng)硬件組成主要包括測(cè)頭、探針、信號(hào)收發(fā)裝置和接口單元等，還包括機(jī)床的整個(gè)本體、運(yùn)動(dòng)控制單元、存儲(chǔ)單元等，軟件包括測(cè)量循環(huán)程序和機(jī)床操作系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)控制器讀取存儲(chǔ)單元中的測(cè)量代碼，驅(qū)動(dòng)機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)，當(dāng)測(cè)頭移動(dòng)到測(cè)量程序指定的范圍內(nèi)時(shí)，開始調(diào)用測(cè)量循環(huán)，測(cè)頭緩慢向工件表面移動(dòng)，探針尖端的測(cè)球與工件表面碰撞接觸，當(dāng)測(cè)桿發(fā)生的位移值或者接觸力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，測(cè)頭內(nèi)部的機(jī)械裝置或者力傳感器被觸發(fā)，測(cè)頭通過紅外線、無(wú)線電或者電纜連接的電信號(hào)傳給信號(hào)收發(fā)裝置，并轉(zhuǎn)給接口裝置，中轉(zhuǎn)裝置將信號(hào)傳給機(jī)床控制器，機(jī)床迅速停止進(jìn)給，記錄坐標(biāo)信息并保存在機(jī)床存儲(chǔ)單元，測(cè)頭離開工件表面，進(jìn)行下一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量。

圖1 機(jī)床接觸式在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[49]Fig.1 Design of contact on-machining measurement system for machine tools[49]

1.2 機(jī)床非接觸式在機(jī)測(cè)量

機(jī)床非接觸式在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)如圖2所示。激光傳感器需要安裝到機(jī)床主軸上來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能，待測(cè)量零件需要安裝到機(jī)床工作臺(tái)上。路徑規(guī)劃時(shí)，計(jì)算機(jī)加載待測(cè)量零件的設(shè)計(jì)模型，基于設(shè)計(jì)模型實(shí)現(xiàn)理論路徑點(diǎn)的提取，經(jīng)優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)掃描順序優(yōu)化后，導(dǎo)出測(cè)量宏程序至計(jì)算機(jī)本地，機(jī)床經(jīng)由通信模塊訪問并運(yùn)行計(jì)算機(jī)本地的NC測(cè)量程序；測(cè)量時(shí)，機(jī)床主軸帶動(dòng)激光傳感器按照規(guī)劃的測(cè)點(diǎn)順序?qū)Υ郎y(cè)零件進(jìn)行掃描測(cè)量，測(cè)量距離值由通信模塊回傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)獲取到傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)后，將點(diǎn)激光傳感器測(cè)量值與規(guī)劃的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行同步處理，并根據(jù)標(biāo)定的激光出光方向和出光原點(diǎn)生成零件表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖2 機(jī)床非接觸式在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.2 Design of non-contact on-machining measurement system for machine tools

機(jī)床與計(jì)算機(jī)之間的NC測(cè)量程序通信對(duì)于數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)傳輸速度的要求不高，可采用工業(yè)以太網(wǎng)。在該方式中設(shè)置機(jī)床與計(jì)算機(jī)處于同一網(wǎng)段，NC測(cè)量程序保存在計(jì)算機(jī)本地的共享文件夾目錄下，機(jī)床通過訪問共享文件夾讀取NC測(cè)量程序。激光傳感器與計(jì)算機(jī)端的數(shù)據(jù)回傳功能可通過自主開發(fā)實(shí)現(xiàn)，本文使用激光傳感器提供的二次開發(fā)接口，可實(shí)現(xiàn)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量值與相應(yīng)時(shí)間戳的數(shù)據(jù)回傳功能。機(jī)床與傳感器之間的觸發(fā)同步方式包括電平觸發(fā)、指令觸發(fā)、邊緣觸發(fā)等，應(yīng)從測(cè)量速度、穩(wěn)定性、成本、硬件條件等多個(gè)要求出發(fā)選擇合適的觸發(fā)同步方式。本文采用電平觸發(fā)方式，通過修改機(jī)床PLC代碼實(shí)現(xiàn)，利用了機(jī)床備用M指令（M100與 M101），實(shí)現(xiàn)了機(jī)床繼電器的斷開與閉合功能，將傳感器設(shè)置為高電平觸發(fā)，之后將機(jī)床繼電器接入到傳感器供電電路即可。激光傳感器與機(jī)床主軸之間的固連需要通過設(shè)計(jì)加工相應(yīng)的刀柄夾具實(shí)現(xiàn)。該刀柄夾具與機(jī)床主軸固連的一端需要符合機(jī)床刀柄相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 機(jī)器人非接觸式在機(jī)測(cè)量

機(jī)器人非接觸式在機(jī)測(cè)量主要包括待加工測(cè)量特征、六自由度工業(yè)機(jī)器人、藍(lán)光掃描儀、支撐架、控制和分析終端等。六自由度工業(yè)機(jī)器人搭載光柵式面陣掃描儀，可實(shí)現(xiàn)多自由度的柔性運(yùn)動(dòng)，以便從多角度獲取待測(cè)量特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。支撐架用于固定待測(cè)量特征零件和六自由度工業(yè)機(jī)器人，要求在機(jī)器人搭載掃描儀運(yùn)動(dòng)的過程中，保證其穩(wěn)定性。

如圖3所示[50]，控制和分析終端包括機(jī)器人控制柜、示教器、便攜式工作站及其軟件。機(jī)器人控制柜相當(dāng)于六自由度工業(yè)機(jī)器人的“大腦”，可對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)下達(dá)指令。通過示教器可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的手動(dòng)操縱、程序編寫、參數(shù)配置以及監(jiān)控等功能。便攜式工作站及其軟件的具體功能包括機(jī)器人三維測(cè)量裝置的通信及控制、數(shù)據(jù)處理與誤差計(jì)算（點(diǎn)云的合并與精簡(jiǎn)、點(diǎn)云–三維模型匹配、3D比較、誤差色譜分析、2D尺寸及偏差計(jì)算等）。

圖3 機(jī)器人非接觸式在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[50]Fig.3 Design of non-contact on-machining measurement system for robots[50]

2 在機(jī)測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)

2.1 機(jī)床接觸式在機(jī)測(cè)量路徑規(guī)劃

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，接觸式在機(jī)測(cè)量路徑規(guī)劃需考慮測(cè)頭干涉問題及測(cè)軸光順性問題。本文以葉輪葉片為研究對(duì)象，五軸接觸式在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)為平臺(tái)，研究了接觸式測(cè)頭無(wú)干涉檢測(cè)路徑規(guī)劃方法[51]和測(cè)軸光順方法[52]。

如圖4所示，在機(jī)測(cè)量時(shí)探針從初始點(diǎn)qt接觸目標(biāo)點(diǎn)pt，pt點(diǎn)處的觸碰方向?yàn)関t，定義單位矢量vtc為探針無(wú)干涉接近矢量，則qt=pt+dvt，其中d為點(diǎn)pt與點(diǎn)qt之間的距離。則點(diǎn)pt所對(duì)應(yīng)所有可接近方向矢量集合位于高斯球S2中，構(gòu)成了如圖5所示的可接近方向錐。

圖4 葉輪接觸式測(cè)量Fig.4 Impeller contact measurement

圖5 定義可接近方向錐Fig.5 Definition of accessible directional cone

若初始點(diǎn)qt可無(wú)碰撞觸碰待測(cè)點(diǎn)pt，則兩點(diǎn)之間任意點(diǎn)pλ（pλ=（1-λ）qt+λpt，λ∈[0，1]）均可無(wú)碰撞觸碰待測(cè)點(diǎn)。

定義1：在機(jī)測(cè)量的連續(xù)可接近錐。對(duì)于待測(cè)點(diǎn)pt和障礙物So，接觸式探針的連續(xù)可接近錐定義為

待測(cè)點(diǎn)處的可接近錐是高斯球內(nèi)的一個(gè)連續(xù)區(qū)域，由探針柱體的所有無(wú)干涉方向矢量構(gòu)成。

定義2：在機(jī)測(cè)量的離散可接近錐。對(duì)于待測(cè)點(diǎn)pt、障礙物So和Sc2參考方向，接觸式探針的離散可接近錐定義為

若對(duì)于每個(gè)點(diǎn)pt∈P均可形成一個(gè)可接近錐，則可以進(jìn)一步定義五軸在機(jī)測(cè)量路徑的可接近錐。

定義3：五軸在機(jī)測(cè)量路徑的可接近錐。假設(shè)障礙物模型為So，測(cè)頭的一組參考方向?yàn)镾c2，檢測(cè)路徑Pt中的待測(cè)點(diǎn)序列為pt1，…，tn（n為待測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)），測(cè)頭Ci為待測(cè)點(diǎn)pti處的測(cè)頭，則測(cè)頭C的五軸可接近錐ACP（Pt，So）定義為

測(cè)頭模型為一個(gè)完整的模型CRD，包括圓柱測(cè)桿CR和CD圓盤，如圖6（a）所示[53]?？紤]測(cè)頭模型的大小，將測(cè)頭的全局干涉檢測(cè)問題轉(zhuǎn)化為圓柱測(cè)桿和圓盤面的完全可視性問題。通過GPU和OpenGL判斷測(cè)頭的全局可接近性時(shí)，可直接考慮測(cè)桿和圓盤的大小，避免復(fù)雜的后處理。

測(cè)頭從偏移點(diǎn)qt沿法矢方向vt接近待測(cè)點(diǎn)pt，需滿足線段上各點(diǎn)沿檢測(cè)方向vc也必須可接近，該問題可轉(zhuǎn)化為：完整的測(cè)頭模型CRD沿線段掃略形成模型CRDS，如圖6（b）所示[53]，將其和障礙物So做干涉檢查?？山咏耘袛嗨惴椋狠斎霝檎系K物幾何模型So、測(cè)頭方向vt、圓柱測(cè)桿CR、圓盤CD和刀具圓錐面TCS（pc，vc），根據(jù)待測(cè)點(diǎn)pt、法矢vt和偏移距離lt構(gòu)建CRDS。借助OpenGL渲染障礙物模型So，干涉查詢步驟為：

圖6 測(cè)頭的完整模型及沿線段形成的掃略體模型[53]Fig.6 Complete probe model and sweep volume model formed along the segment[53]

（1）渲染CR，若發(fā)生遮擋，則該待測(cè)點(diǎn)在檢測(cè)方向vc不可接近，算法結(jié)束；

（2）渲染CD，若發(fā)生遮擋，則該待測(cè)點(diǎn)在檢測(cè)方向vc不可接近，算法結(jié)束；

（3）渲染CRDS，若發(fā)生遮擋，那么該待測(cè)點(diǎn)在檢測(cè)方向vc不可接近，否則，該待測(cè)點(diǎn)在檢測(cè)方向vc可接近，算法結(jié)束。

其中，對(duì)相鄰2個(gè)待測(cè)點(diǎn)之間還需檢測(cè)過渡點(diǎn)可接近性，但第3步可省略。

基于上述方法，可求得待測(cè)量曲面的一組待檢測(cè)點(diǎn)集Pt={（pt1，vt1），（pt2，vt2），…，（ptn，vtn）}，沿法矢方向取相同偏移距離，獲得檢測(cè)路徑的離散點(diǎn)集Qt1，為使測(cè)頭沿路徑Qt無(wú)干涉檢測(cè)，采用3次B樣條曲線進(jìn)行插值，獲得新的離散點(diǎn)集

其中，mj（j=1，2，…，n–1）表示在qtj和qtj+1之間插值的點(diǎn)數(shù)。對(duì)于待測(cè)點(diǎn)集Qt1和插值點(diǎn)集Qt2，可接近錐的定義方法不同，則有：

（1）?qti∈Qt1，其對(duì)應(yīng)曲面檢測(cè)點(diǎn)pti，其可接近錐的各個(gè)檢測(cè)方向需滿足線段上各點(diǎn)沿相應(yīng)檢測(cè)方向必須可接近；

進(jìn)而優(yōu)化選擇檢測(cè)方向，保證檢測(cè)方向的整體光順，避免測(cè)頭姿態(tài)的大幅度變化。針對(duì)檢測(cè)點(diǎn)集和方向構(gòu)建的軸跡面，由曲面面積的積分方式給出離散表達(dá)式，而后采用整體面積優(yōu)化方式實(shí)現(xiàn)檢測(cè)方向優(yōu)化選取。對(duì)點(diǎn)集Q及其對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方向，其優(yōu)化選取的方法為

為降低點(diǎn)集Q本身的走向?qū)z測(cè)方向的影響，獲取足夠光順的檢測(cè)路徑，建立新點(diǎn)集C為

其中，hc≥1，亦可表示測(cè)桿的長(zhǎng)度。將檢測(cè)方向的矢量vi轉(zhuǎn)化為點(diǎn)ci，則點(diǎn)qi的可接近錐可轉(zhuǎn)化為

點(diǎn)集Q和C構(gòu)建了測(cè)點(diǎn)和檢測(cè)方向的軸跡面，其表達(dá)式為

當(dāng)測(cè)頭沿檢測(cè)路徑掃過的面積達(dá)到最小時(shí)檢測(cè)方向變化幅度最小，而且兼顧檢測(cè)路徑對(duì)檢測(cè)方向的影響。對(duì)于參數(shù)化的曲面面積的求解，可對(duì)其參數(shù)域上的面積積分后進(jìn)行離散，建立有向圖采用Dijkstra算法進(jìn)行最小面積求解。

2.2 機(jī)床非接觸式在機(jī)測(cè)量參數(shù)標(biāo)定

機(jī)床非接觸式在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)一般以點(diǎn)激光傳感器為數(shù)據(jù)采集裝置，由于點(diǎn)激光傳感器安裝在機(jī)床主軸上，其位姿具有任意性，因此需要對(duì)其進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，主要涉及點(diǎn)激光傳感器出光方向和出光原點(diǎn)的標(biāo)定方法。本文以三軸點(diǎn)激光在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)為平臺(tái)，研究了點(diǎn)激光傳感器出光方向標(biāo)定方法[54]。

如圖7所示，首先建立3個(gè)坐標(biāo)系：機(jī)床坐標(biāo)系{M}、傳感器坐標(biāo)系{S}和球坐標(biāo)系{B}。標(biāo)定時(shí)，傳感器安裝到機(jī)床主軸上，機(jī)床主軸帶動(dòng)傳感器對(duì)球面進(jìn)行掃描測(cè)量，得到機(jī)床主軸三維坐標(biāo)MpSo=[MxSoMySoMzSo]T和傳感器一維距離值，假定傳感器激光出光方向在傳感器坐標(biāo)系下的單位矢量為t= [lmn]T，其中，

圖7 坐標(biāo)系定義Fig.7 Definition of coordinate systems

傳感器激光束與球面交點(diǎn)pMi在機(jī)床坐標(biāo)系{M}下可表示為

轉(zhuǎn)化至標(biāo)定球坐標(biāo)系下表示為：

球面點(diǎn)滿足球面約束方程

驅(qū)動(dòng)機(jī)床主軸，帶動(dòng)點(diǎn)激光傳感器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)球球面進(jìn)行掃描測(cè)量，球面點(diǎn)均滿足球面約束方程，則可得到一組維度為n的非線性方程組，將每個(gè)方程看成關(guān)于MxBo，MyBo，MzBo，l，m，n的函數(shù)f1（MxBo，MyBo，MzBo，l，m，n）=0，則方程組為

其中，矢量[l，m，n]T是激光出光方向的單位矢量，該矢量可以用[θ，φ]代替

為方便方程組的表達(dá)，用變量X代替5個(gè)變量。式（14）可以寫成

定義新函數(shù)φ（X）

將非線性方程組求解問題轉(zhuǎn)換為最小二乘優(yōu)化求解問題后，采用LM迭代優(yōu)化算法求解，LM算法迭代過程如下。

（1）參數(shù)初始化。X0初始化為X0=[0，0，0，0，– π]，調(diào)節(jié)因子μ0初始化為10，放大系數(shù)β初始化為9，當(dāng)前迭代次數(shù)k初始化為0，偏差ε設(shè)置為0.001。初始值X0可以通過觀察傳感器在機(jī)床主軸上的安裝位姿大致確定。調(diào)節(jié)因子μ0與放大系數(shù)β通過試驗(yàn)確定。

（2） 求解f（X0）與φ（X0）的值。

（3） 計(jì)算Jacobi矩 陣f（X）和‖f（X k）Tf（X k）‖，若‖f（X k）Tf（X k）‖<ε，停止迭代，解為X k；否則，轉(zhuǎn)到步驟4。

（4）計(jì)算LM的迭代矩陣G（X）和值X k+1：

（5）求f（X k+1）與φ（X k+1）的值。如果φ（X k+1）＜φ（X k），調(diào)整調(diào)節(jié)因子為μk+1=μkβ，轉(zhuǎn)到步驟4；如果φ（X k+1）＞φ（X k），調(diào)整調(diào)節(jié)因子為μk+1=μk/β，轉(zhuǎn)到步驟3。

迭代完成，可求得標(biāo)準(zhǔn)球坐標(biāo)系的原點(diǎn)MpBo和激光出光方向t。

2.3 機(jī)床非接觸式在機(jī)測(cè)量路徑規(guī)劃

點(diǎn)激光傳感器基于三角測(cè)量原理，測(cè)量時(shí)受到入射角和景深等約束，為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)激光的高質(zhì)量、高效率在機(jī)測(cè)量，需要對(duì)點(diǎn)激光在機(jī)測(cè)量路徑規(guī)劃進(jìn)行研究。在三軸測(cè)量系統(tǒng)中，點(diǎn)激光傳感器的位姿無(wú)法精確調(diào)整，只能通過人工手動(dòng)旋轉(zhuǎn)粗略調(diào)整。在非接觸式在機(jī)測(cè)量中，基本檢測(cè)對(duì)象是測(cè)點(diǎn)，本文提出了一種基于三角網(wǎng)格模型的指定規(guī)模測(cè)點(diǎn)提取方案[54]。STL文件中保存有三角面片的頂點(diǎn)信息，但當(dāng)頂點(diǎn)數(shù)量不足或接近目標(biāo)測(cè)點(diǎn)數(shù)量時(shí)，需要額外生成測(cè)點(diǎn)：以讀入的STL文件為基礎(chǔ)，3個(gè)頂點(diǎn)信息與三角面片法矢在三角面片內(nèi)隨機(jī)生成測(cè)點(diǎn)，通過選取待測(cè)量特征所在區(qū)域的點(diǎn)，并對(duì)該區(qū)域點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一采樣來(lái)實(shí)現(xiàn)指定規(guī)模的點(diǎn)云生成。

三角網(wǎng)格模型內(nèi)隨機(jī)生成內(nèi)點(diǎn)的方法如圖8所示，將空間三角形視為平面三角形。以三角形一個(gè)頂點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以兩條臨邊建立兩個(gè)向量e1、e2。由于三角形兩條臨邊一定是線性無(wú)關(guān)的，可以將e1、e2，視為基底，構(gòu)建二維線性空間。在該線性空間內(nèi)，原始三角形為單位正方形的下三角部分。在單位正方形內(nèi)產(chǎn)生平均分布的點(diǎn)較為容易，定義兩個(gè)隨機(jī)變量r1、r2（r1、r2均為0～1之間的隨機(jī)數(shù)），此時(shí)隨機(jī)生成的點(diǎn)在二維線性空間內(nèi)均勻分布。以隨機(jī)變量r1、r2隨機(jī)生成單位正方形內(nèi)點(diǎn)時(shí)，會(huì)有一半概率落在下三角形外部，一半概率落在下三角形內(nèi)部，可以通過min（[x，y]，[1–x，1–y]）將三角形外部點(diǎn)映射到三角形內(nèi)部。

圖8 三角面片隨機(jī)內(nèi)點(diǎn)生成方法Fig.8 Random interior point generation method of triangular plate

在機(jī)測(cè)量路徑生成需要根據(jù)激光傳感器的景深、傳感器位姿、測(cè)量特征表面形狀、定制刀柄大小和傳感器外殼大小以及周邊環(huán)境進(jìn)行綜合考量與分析?？傮w來(lái)講，點(diǎn)激光傳感器在機(jī)掃描測(cè)量的路徑規(guī)劃策略可分為兩種：隨動(dòng)式測(cè)量和不動(dòng)式測(cè)量。隨動(dòng)式測(cè)量指的是在測(cè)量過程中點(diǎn)激光傳感器光源與待測(cè)量表面之間一直保持大致相同的距離，如圖9（a）所示，在三軸數(shù)控機(jī)床帶動(dòng)傳感器移動(dòng)測(cè)量時(shí)，除水平X軸與Y軸的移動(dòng)，也包含Z軸的移動(dòng)。而不動(dòng)式測(cè)量指的是點(diǎn)激光傳感器在測(cè)量過程中，Z軸不進(jìn)行任何移動(dòng)，如圖9（b）所示。由于不動(dòng)式測(cè)量方案僅僅適用于待測(cè)量曲面與傳感器的最大距離與最小距離之差小于激光傳感器測(cè)量量程。相比不動(dòng)式測(cè)量方案，隨動(dòng)式測(cè)量的適用范圍更廣。

圖9 路徑規(guī)劃策略Fig.9 Path planning strategy

在測(cè)量過程中激光傳感器測(cè)量值維持在一個(gè)固定值左右，假設(shè)該值為d。通過STL三角網(wǎng)格中提取出的理論測(cè)量點(diǎn)為theoP={theop1，theop2，…，theopn}。若理論點(diǎn)的法矢為theonori，則傳感器位姿theot為：

式（19）可求解出待測(cè)點(diǎn)云的整體法矢，以調(diào)整激光傳感器的位姿。五軸機(jī)床可以通過上述方法控制其旋轉(zhuǎn)軸與擺動(dòng)軸來(lái)調(diào)整傳感器位姿。但三軸機(jī)床無(wú)法自動(dòng)調(diào)整傳感器位姿，式（19）僅僅用于指導(dǎo)傳感器的位姿調(diào)整。實(shí)際測(cè)量過程中，設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換為STL三角網(wǎng)格時(shí)，STL文件坐標(biāo)系可能會(huì)發(fā)生變化。因此在導(dǎo)出NC程序時(shí)，需要人為指定工件坐標(biāo)系，或者人為指定坐標(biāo)變換。據(jù)分析可知，該坐標(biāo)變換僅涉及坐標(biāo)系的平移，不涉及旋轉(zhuǎn)；假定該平移變換矩陣為tranT，通過上述平移變換矩陣，可將軟件中的理論測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)與機(jī)床中的待測(cè)量特征點(diǎn)統(tǒng)一，如圖10所示。

圖10 在機(jī)測(cè)量路徑規(guī)劃模型Fig.10 On-machine measurement path planning model

定義傳感器最優(yōu)測(cè)量景深為d，激光束矢量為theot。假設(shè)專用刀柄夾具的旋轉(zhuǎn)中心為pc，定義傳感器零點(diǎn)與pc之間的距離為d0，將機(jī)床主軸與pc之間平移矩陣定義為toolT，對(duì)理論測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換即可獲得實(shí)際路徑點(diǎn)meaP為：

其中，toolT=[0，0，Z0]T定義為定制刀柄的補(bǔ)償值，由于傳感器較優(yōu)測(cè)量景深為范圍值，因此d0與Z0不需要求得精確解，只需要粗略獲得即可，且不需要標(biāo)定與頻繁求解。

三軸點(diǎn)激光傳感器在機(jī)測(cè)量過程與接觸式測(cè)頭測(cè)量過程類似。整個(gè)測(cè)量過程一般包含4個(gè)主要?jiǎng)幼?。?）預(yù)備動(dòng)作。主軸回零包括X軸回零、Y軸回零和Z軸回零。（2）準(zhǔn)備動(dòng)作?；谥付ㄗ鴺?biāo)系或偏移距離，激光測(cè)頭接近第一個(gè)測(cè)點(diǎn)。（3）測(cè)量動(dòng)作。緊接著接近后續(xù)測(cè)點(diǎn)，繼續(xù)測(cè)量。（4）結(jié)束動(dòng)作。抬刀至安全距離?？砂l(fā)現(xiàn)，測(cè)量動(dòng)作主要基于測(cè)點(diǎn)，在測(cè)量過程中影響系統(tǒng)效率的主要是測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)順序。測(cè)點(diǎn)分布在待測(cè)量特征表面，檢測(cè)時(shí)傳感器需要無(wú)重復(fù)的遍歷所有的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)測(cè)量順序不同，傳感器走過的路程就不同，同樣的測(cè)量速度所花費(fèi)的時(shí)間就不同。因此需設(shè)計(jì)出一條最優(yōu)測(cè)量路徑使得傳感器安全準(zhǔn)確的接觸各個(gè)測(cè)點(diǎn)，并使其路徑長(zhǎng)度盡量短，測(cè)量效率盡量高。設(shè)測(cè)點(diǎn)集合為theoP，各頂點(diǎn)距離定義為

則測(cè)點(diǎn)路徑優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)可定義為

之后可采用蟻群算法進(jìn)行優(yōu)化求解，蟻群算法優(yōu)化求解方法如下。

（1）輸入。具有法矢和坐標(biāo)信息的點(diǎn)云集合theoP={theop1，theop2，…，theopn}。

（2）鄰接矩陣初始化dij=（theopi–theopj）（theopi–theopj）T。

（3）參數(shù)初始化。螞蟻數(shù)量m= 50，測(cè)點(diǎn)數(shù)量n，最大迭代次數(shù)Nmax= 200，信息素的重要程度γ=1，期望啟發(fā)式因子β= 5，信息素蒸發(fā)系數(shù)ρ= 0.5，信息素強(qiáng)度Q= 100，當(dāng)前迭代次數(shù)Niter= 0；初始化啟發(fā)函數(shù)ηij（t）=，初始化信息素矩陣τij（t）=1，初始化Δτij（t）=0；清空每只螞蟻的禁忌表tabuk。

（4）迭代次數(shù)Niter=Niter+ 1，當(dāng)前為第k= 0只螞蟻。

（5）遍歷下一只螞蟻k=k+ 1，第k只螞蟻按照式（23）選擇將要訪問的下一個(gè)測(cè)點(diǎn)并前進(jìn)：

其中，allowedk={theoP– tabuk}表示第k只螞蟻下一步可以轉(zhuǎn)移的城市。

（6）修改禁忌表。將第k只螞蟻移動(dòng)到測(cè)點(diǎn)j（j∈{theoP– tabuk}），并將j添加到該螞蟻個(gè)體的禁忌表中。

（7） 判斷。若k

（8）按照式（24）和（25）更新每條路徑上的信息量：

（9）判斷。若迭代次數(shù)Niter

至此，可求得優(yōu)化測(cè)量順序后的點(diǎn)云索引。

2.4 機(jī)器人非接觸式在機(jī)測(cè)量路徑規(guī)劃

機(jī)器人非接觸式在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)以基于雙目視覺的面陣掃描儀為數(shù)據(jù)采集裝置，以機(jī)器人為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。為提升測(cè)量精度，需綜合考慮掃描儀的測(cè)量范圍、測(cè)量景深、傾斜角度等參數(shù)，對(duì)掃描儀空間位姿進(jìn)行優(yōu)化。

考慮到測(cè)量景深對(duì)掃描儀姿態(tài)的影響，選擇掃描儀的最佳測(cè)量距離500mm作為實(shí)際應(yīng)用時(shí)的測(cè)量距離，此時(shí)掃描儀的測(cè)量視野范圍為416.8mm×333.3mm?？紤]到鏡面反射對(duì)掃描儀姿態(tài)的影響，對(duì)掃描儀的傾斜角度進(jìn)行調(diào)整，最優(yōu)測(cè)量?jī)A斜角度為60°～70°。測(cè)量距離為500mm時(shí)，掃描儀分別在被測(cè)零件的內(nèi)外側(cè)進(jìn)行掃描，為保證兩次測(cè)量可獲取被測(cè)零件的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)不會(huì)使掃描儀所需的無(wú)干涉空間半徑過大，取內(nèi)外環(huán)測(cè)點(diǎn)處的掃描儀傾斜角度分別為70°和60°，如圖 11所示。

圖11 掃描儀空間位姿Fig.11 Spatial posture of scanner

通過上述分析和計(jì)算，可初步創(chuàng)建核主泵法蘭密封型面內(nèi)外環(huán)測(cè)量路徑中的目標(biāo)位姿點(diǎn)，得到如圖12所示的掃描儀空間位姿優(yōu)化結(jié)果。

圖12 優(yōu)化后掃描儀空間位姿俯視圖Fig.12 Top view of spatial poses of scanner after optimization

機(jī)器人測(cè)量系統(tǒng)在工作過程中存在碰撞干涉風(fēng)險(xiǎn)，可能存在的3種碰撞干涉情況： （1）機(jī)器人各關(guān)節(jié)之間的碰撞； （2）機(jī)器人與工具之間的碰撞； （3）測(cè)量設(shè)備與外部環(huán)境的碰撞。

測(cè)量機(jī)器人掃描內(nèi)環(huán)時(shí)，將光柵式面陣掃描儀的TCP聚焦到密封槽的內(nèi)邊界線上，掃描儀斜向外側(cè)俯視，其光軸與豎直方向的夾角為20°，機(jī)器人和掃描儀不會(huì)與立柱發(fā)生碰撞，可直接自動(dòng)生成內(nèi)環(huán)測(cè)量路徑，如圖13（a）所示。

如圖13（b）所示，測(cè)量機(jī)器人掃描外環(huán)時(shí)，將光柵式面陣掃描儀的TCP聚焦到密封槽的外邊界線上，掃描儀斜向內(nèi)側(cè)俯視，其光軸與豎直方向的夾角為30°，機(jī)器人和掃描儀已超出支撐框架3個(gè)立柱限制的封閉空間，當(dāng)機(jī)器人沿著自動(dòng)生成的外環(huán)測(cè)量路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)與3個(gè)立柱發(fā)生碰撞，存在安全隱患。因此，為生成外環(huán)無(wú)碰撞測(cè)量路徑，需要考慮機(jī)器人或掃描儀與支撐框架立柱發(fā)生碰撞干涉的問題，外環(huán)無(wú)碰撞路徑的生成分為以下3個(gè)步驟： （1）按照無(wú)立柱限制的情況為機(jī)器人自動(dòng)生成外環(huán)測(cè)量路徑，經(jīng)碰撞檢測(cè)后，刪除自動(dòng)路徑上發(fā)生碰撞干涉的目標(biāo)點(diǎn)；（2）以自動(dòng)生成的外環(huán)測(cè)量路徑目標(biāo)點(diǎn)為基準(zhǔn)，生成與之對(duì)應(yīng)的徑向收縮無(wú)碰撞干涉目標(biāo)點(diǎn)； （3）新增目標(biāo)點(diǎn)，完善外環(huán)測(cè)量路徑?？臻g無(wú)碰撞測(cè)量路徑生成后，分別對(duì)內(nèi)外環(huán)無(wú)碰撞路徑進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)軸配置即可。

圖13 無(wú)碰撞測(cè)量路徑Fig.13 Collision free measuring path

3 在機(jī)測(cè)量軟件開發(fā)

3.1 軟件整體框架

針對(duì)目前主流的在機(jī)測(cè)量軟件缺乏對(duì)非接觸式在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的支持、缺乏點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理操作的問題，作者團(tuán)隊(duì)根據(jù)近年來(lái)的研究成果，自主開發(fā)了非接觸式在機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)采集與處理專用軟件iPoint3D OnsiteScan。

軟件編程語(yǔ)言為C++，總體框架設(shè)計(jì)如圖14所示，整個(gè)軟件劃分為4層：通用類庫(kù)、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和用戶界面層。在通用類庫(kù)采用MFC作為軟件基礎(chǔ)框架，選用OpenGL用于測(cè)點(diǎn)和三角面片的可視化，選用PCL庫(kù)實(shí)現(xiàn)了部分點(diǎn)云處理功能。數(shù)據(jù)層主要涵蓋4種數(shù)據(jù)：點(diǎn)云數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、點(diǎn)云參數(shù)以及路徑信息。業(yè)務(wù)邏輯層主要實(shí)現(xiàn)了在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的算法邏輯，包括傳感器參數(shù)標(biāo)定算法、點(diǎn)云拼接與點(diǎn)云融合算法、測(cè)點(diǎn)提取、防碰撞與測(cè)量路徑規(guī)劃等核心邏輯功能。用戶界面層主要為用戶提供了界面友好的操作界面，通過界面按鈕可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯層的各種功能，其開發(fā)界面如圖15所示。

圖14 軟件設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)Fig.14 Software design framework structure

圖15 軟件界面設(shè)計(jì)Fig.15 Software interface design

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為機(jī)床或機(jī)器人可分為兩個(gè)部分。當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為機(jī)床時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊的主要作用是將傳感器采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以文件形式保存到本地計(jì)算機(jī)，以便后續(xù)處理。該模塊主要包括傳感器連接測(cè)試、傳感器參數(shù)設(shè)置、測(cè)量數(shù)據(jù)回傳、傳感器參數(shù)標(biāo)定、測(cè)量點(diǎn)云融合及多角度點(diǎn)云拼接等功能，還包括基于STL三角面片的測(cè)點(diǎn)提取功能、基于蟻群算法的測(cè)點(diǎn)順序優(yōu)化功能和NC測(cè)量程序后處理等功能。

測(cè)量時(shí)，首先將待測(cè)量模型的STL文件導(dǎo)入軟件中，采用本文2.3節(jié)提到的方法進(jìn)行測(cè)點(diǎn)提取和法矢估計(jì)，將三角面片轉(zhuǎn)換為指定數(shù)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖16所示。由于點(diǎn)激光傳感器的測(cè)量方式需要規(guī)劃有限測(cè)點(diǎn)，因此需要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云均勻化精簡(jiǎn)，將其減少到指定規(guī)模并盡量保證點(diǎn)云均勻。

圖16 基于STL文件測(cè)點(diǎn)提取效果圖Fig.16 Effect drawing of measuring points extracted based on STL files

然后對(duì)指定規(guī)模的點(diǎn)云應(yīng)用蟻群算法，對(duì)測(cè)量掃描順序進(jìn)行優(yōu)化，如圖17所示。

圖17 基于蟻群算法的測(cè)點(diǎn)順序優(yōu)化Fig.17 Order optimization of measuring points based on ant colony algorithm

然后對(duì)優(yōu)化后的點(diǎn)云進(jìn)行后處理，導(dǎo)出可供FANUC/Siemens系統(tǒng)直接調(diào)用的NC測(cè)量程序。導(dǎo)出NC測(cè)量程序時(shí)，將主要測(cè)量程序段分為設(shè)置字段、測(cè)點(diǎn)字段與結(jié)束字段3部分，具體如圖18（a）所示。

圖18 NC程序?qū)С鯢ig.18 NC program export

設(shè)置字段與結(jié)束字段為固定字符段，用戶可自行設(shè)置固定字符段或采用默認(rèn)的字符段。測(cè)點(diǎn)字段則為重復(fù)的“G01 X Y Z；G04 X0.2”指令，其中X、Y、Z為規(guī)劃完成的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)；測(cè)點(diǎn)字段也包括“G04”指令，該指令的主要功能是使機(jī)床主軸在指定位置停留指定時(shí)間。

傳感器與計(jì)算機(jī)之間的通信模塊界面如圖19所示，主要涉及采樣頻率、輸出接口、觸發(fā)方式和測(cè)量方式等。采樣頻率可在1.5～49.02kHz 之間進(jìn)行設(shè)置，一般設(shè)置為1.5kHz。輸出接口可在RS232與以太網(wǎng)之間進(jìn)行選擇，一般選擇以太網(wǎng)。觸發(fā)方式有4種：高電平、低電平、上升沿與下降沿，本文系統(tǒng)采用高電平觸發(fā)。測(cè)量方式主要分為鏡面反射與漫反射，根據(jù)待測(cè)量工件表面情況選擇。觸發(fā)與同步則為傳感器內(nèi)部數(shù)據(jù)處理方式，默認(rèn)勾選。

圖19 傳感器設(shè)置界面Fig.19 Sensor setting interface

當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)為機(jī)器人時(shí)，還需開發(fā)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制模塊。計(jì)算機(jī)與機(jī)器人之間的通信基于網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)通信示意圖如圖20所示。

圖20 機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)通信Fig.20 Robot network communication

機(jī)器人PC端控制模塊是基于ABB機(jī)器人PC SDK編寫的上位機(jī)軟件。軟件分為機(jī)器人程序操作、機(jī)器人位姿顯示模塊、設(shè)置機(jī)器人6軸角度模塊、機(jī)器人點(diǎn)動(dòng)和偏置模塊、IO控制模塊以及機(jī)器人事件信息模塊，軟件界面如圖21所示。

圖21 機(jī)器人PC端控制模塊Fig.21 PC control module of robot

程序操作部分用于連接機(jī)器人控制器，設(shè)置運(yùn)動(dòng)速度，啟動(dòng)RAPID程序，立即停止RAPID程序，復(fù)位RAPID程序指針。位姿顯示部分用于實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，參數(shù)包含機(jī)器人位置、四元數(shù)、機(jī)器人軸配置和機(jī)器人6個(gè)關(guān)節(jié)角度值。設(shè)置6軸角度部分用于控制機(jī)器人關(guān)節(jié)角度，單次角度變化范圍有1°/3°/5°/10°/20°供用戶選擇，每次可以操作1個(gè)關(guān)節(jié)，可以選擇加減角度。點(diǎn)動(dòng)和偏置部分用于連接機(jī)器人控制器之后，可以自動(dòng)地讀取到運(yùn)動(dòng)點(diǎn)數(shù)，除此之外，還可以運(yùn)動(dòng)到指定點(diǎn)，并且設(shè)置偏置量。事件信息部分用于顯示控制器發(fā)生的事件信息，包括啟動(dòng)程序、停止程序、復(fù)位程序、遇到轉(zhuǎn)角故障、機(jī)器人Socket通信連接狀態(tài)、操作模式轉(zhuǎn)換等。

3.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理部分包含點(diǎn)云文件的打開、保存、框選、刪除等基本文件操作，STL的讀取與顯示功能，點(diǎn)云的讀取、精簡(jiǎn)、光順、匹配，誤差色譜顯示功能，特征擬合功能，定制化報(bào)告輸出等功能。其界面開發(fā)如圖22所示。

圖22 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理模塊Fig.22 Point cloud data processing module

點(diǎn)云的基本文件操作主要用來(lái)讀取并顯示點(diǎn)云數(shù)據(jù)，支持的數(shù)據(jù)格式包括.asc、.ac、.txt與.pcd等?？蜻x、刪除等工具主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云的細(xì)節(jié)操作。均勻采樣算法等主要用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理和測(cè)量路徑規(guī)劃。ICP、TDM、ADF等點(diǎn)云匹配算法用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云與模型之間的匹配，并計(jì)算每個(gè)測(cè)點(diǎn)與模型之間的誤差。誤差色譜顯示功能是采用誤差色譜圖的方式將點(diǎn)云匹配后與模型的誤差進(jìn)行顯示與統(tǒng)計(jì)，如圖23所示。

圖23 誤差色譜生成Fig.23 Error chromatogenesis

開發(fā)了最佳特征擬合模塊，包括圓、平面和球面等典型特征的最佳擬合功能，球面特征擬合功能的開發(fā)如圖24所示。

圖24 球面特征擬合Fig.24 Spherical feature fitting

根據(jù)用戶需求定制化開發(fā)了報(bào)告輸出模塊。目前報(bào)告模板提供了部門、圖紙?zhí)?、操作人員及日期等多種必要信息。報(bào)告樣式如圖25所示。

圖25 生成報(bào)告樣式Fig.25 Generate report styles

4 試驗(yàn)測(cè)試與工程應(yīng)用

4.1 葉輪曲面接觸式在機(jī)測(cè)量與切削參數(shù)優(yōu)化

本文采用五軸軸加工中心（MIKRON UCP800）對(duì)葉輪進(jìn)行加工和測(cè)量。MIKRON UCP800的定位精度和重復(fù)定位精度分別為0.006mm和0.004mm，數(shù)控系統(tǒng)為Heidenhain iTNC530M。A軸擺動(dòng)范圍為–100°～ +120°，C軸 可360°自由擺動(dòng)。采用接觸式測(cè)頭為RENISHAW OMP40，其重復(fù)精度為1μm。接觸式測(cè)頭的圓柱測(cè)桿和圓盤的尺寸分別為47mm和50mm，因此r=lCD+lCR= 97mm。在五軸在機(jī)測(cè)量路徑生成時(shí)，偏移距離設(shè)置為10mm，角度閾值θΔmax設(shè)置為5°。待測(cè)量對(duì)象為離心葉輪，葉輪直徑為160mm，前緣厚度為0.63mm，葉輪葉片數(shù)量為10片。

圖26[53]為五軸測(cè)量路徑規(guī)劃的待測(cè)點(diǎn)。單個(gè)葉片測(cè)量路徑共4條，其中葉盆、葉背各有25個(gè)待測(cè)點(diǎn)，前緣有10個(gè)待測(cè)點(diǎn)。由圖26中可發(fā)現(xiàn)，第4條路徑靠近葉輪輪轂，測(cè)頭系統(tǒng)更容易與輪轂和相鄰的葉片發(fā)生干涉。

圖26 離心葉輪的4條測(cè)量路徑[53]Fig.26 Four measuring paths of centrifugal impeller[53]

通過本文方法生成的五軸在機(jī)測(cè)量路徑如圖27所示?？梢钥闯稣麄€(gè)路徑是平滑的，且相鄰檢測(cè)點(diǎn)之間并無(wú)角度突變。

圖27 無(wú)干涉路徑生成與測(cè)軸光順Fig.27 Interference-free path generation and axis fairing

實(shí)際測(cè)量過程如圖28所示，采用RENISHAW OMP40的接觸式測(cè)頭系統(tǒng)。共采集100個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量總耗時(shí)約為15min。將測(cè)量點(diǎn)云與葉輪設(shè)計(jì)模型之間的MSE（均方誤差）用于評(píng)估加工質(zhì)量，葉盆與葉背的MSE誤差分別為0.121mm和0.134mm，前緣MSE誤差為0.264mm。

圖28 葉輪五軸在機(jī)測(cè)量試驗(yàn)Fig.28 Five-axis on-machine measurement experiment of impeller

基于加工條件對(duì)切削工藝進(jìn)行顯著性分析[55]，不同加工參數(shù)如表1所示[56]，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示[56]，試驗(yàn)序號(hào)對(duì)應(yīng)的葉片部位如圖29所示。

表1 正交試驗(yàn)的加工參數(shù)[56]Table 1 Machining parameters of orthogonal test[56]

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及對(duì)應(yīng)結(jié)果[56]Table 2 Orthogonal experimental design table and corresponding results[56]

圖29 不同試驗(yàn)對(duì)應(yīng)葉片F(xiàn)ig.29 Blades corresponding to different experiments

通過切削工藝顯著性分析發(fā)現(xiàn)：（1）加工質(zhì)量影響主次順序：刀具長(zhǎng)徑比>切深>進(jìn)給速度； （2）最優(yōu)工藝參數(shù)：刀具長(zhǎng)徑比8.125、切深0.1mm、進(jìn)給0.15mm/r。

采用最優(yōu)參數(shù)對(duì)第10個(gè)葉片進(jìn)行加工測(cè)量（圖30），結(jié)果如表3所示，切削工藝顯著性分析提高了葉片加工精度。

表3 10片葉片的加工測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 3 Measurement results of 10 blades after machining

圖30 第10個(gè)葉片加工測(cè)量Fig.30 Machining and measurement of the 10th blade

4.2 框梁壁板接觸式在機(jī)測(cè)量與補(bǔ)償加工

試驗(yàn)采用的加工設(shè)備為五軸聯(lián)動(dòng)高速加工中心瑞士米克朗UCP800Duro，數(shù)控系統(tǒng)為Heidenhain iTNC530M，機(jī)床定位精度為0.006 mm，重復(fù)定位精度0.004mm，五軸類型為搖籃+轉(zhuǎn)臺(tái)，如圖31所示，測(cè)頭為RENISHAW OMP40。

圖31 五軸聯(lián)動(dòng)高速加工中心Fig.31 Five-axis high speed machining center

采用正交法開展切削試驗(yàn)[7]，根據(jù)前期薄壁零件切削的經(jīng)驗(yàn)，選取薄壁件尺寸上的厚度、懸高以及切削參數(shù)中的軸向切深3個(gè)因素（即因子），設(shè)計(jì)3因素3水平試驗(yàn)，如表4所示。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 4 Orthogonal experimental design table mm

同時(shí)，設(shè)計(jì)平面和曲面兩種特征，如圖32所示，左邊為曲面，右邊為平面，每組9個(gè)不同的特征，分別設(shè)置對(duì)照組。

圖32 正交試驗(yàn)加工特征設(shè)計(jì)Fig.32 Design of orthogonal experimental machining features

根據(jù)設(shè)計(jì)的特征參數(shù)在NX7.5中建立三維模型，并在CAM中規(guī)劃平面和曲面的粗加工、半精加工路徑，如圖33所示，在數(shù)控機(jī)床上分別對(duì)3種材料 （TC4、7075鋁合金、304不銹鋼）進(jìn)行粗加工和半精加工，余量為1mm，在此階段試驗(yàn)組和對(duì)照組的加工參數(shù)完全一樣。在單個(gè)薄壁特征上設(shè)計(jì)40個(gè)測(cè)點(diǎn)（4行10列分布），所有特征合計(jì)1440個(gè)點(diǎn)位，如圖34所示，對(duì)半精加工后的零件進(jìn)行在機(jī)測(cè)量。

圖33 加工路徑規(guī)劃及半精加工后零件Fig.33 Machining path planning and parts after semi-finishing

圖34 測(cè)點(diǎn)規(guī)劃及在機(jī)測(cè)量Fig.34 Measuring point planning and on-machine measurement

將測(cè)量后結(jié)果實(shí)時(shí)更新至數(shù)控系統(tǒng)，計(jì)算刀具補(bǔ)償值，對(duì)零件進(jìn)行補(bǔ)償加工實(shí)現(xiàn)零件的精加工。最后利用在機(jī)測(cè)量完成零件終檢，如圖35所示。補(bǔ)償加工及在機(jī)測(cè)量結(jié)果如表5～7所示[49]。

圖35 補(bǔ)償加工及零件終檢Fig.35 Compensation machining and final inspection of parts

對(duì)表5～7進(jìn)行分析總結(jié)可得出以下結(jié)論。

表5 不同薄壁件厚度的補(bǔ)償效果比較[49]Table 5 Comparison of compensation effect under different thickness[49]

（1）3種材料不論高度和切深如何變化，厚度0.7mm以上時(shí)補(bǔ)償效果好，在1mm厚度時(shí)補(bǔ)償效果很顯著，達(dá)到50%以上，在0.4mm時(shí)補(bǔ)償與未補(bǔ)償?shù)男Ч麉^(qū)分不明顯。

（2）對(duì)于 TC4 鈦合金而言，可以推斷在厚度在0.4～0.7mm之間存在一個(gè)臨界點(diǎn)，在此臨界點(diǎn)厚度之上的區(qū)域，補(bǔ)償加工效果良好，而 7075鋁合金、304不銹鋼的補(bǔ)償臨界厚度大于 TC4 鈦合金，在接近0.7mm的位置，此厚度以上補(bǔ)償效果好，由此可見，鈦合金的薄壁件更適用于航空薄壁零件的精密補(bǔ)償加工。

表6 不同薄壁件高度的補(bǔ)償效果比較[49]Table 6 Comparison of compensation effect under different height[49]

表7 不同切深的補(bǔ)償效果比較[49]Table 7 Comparison of compensation effect under different cut depth[49]

（3）較小的高度或切深可減少加工變形偏差，對(duì)于鈦合金在這兩種因素變化的情況下補(bǔ)償效果都很穩(wěn)定，但7075鋁合金和304不銹鋼的變化規(guī)律不明顯。

4.3 點(diǎn)激光非接觸式在機(jī)測(cè)量

點(diǎn)激光非接觸式在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)采用了大連機(jī)床集團(tuán)生產(chǎn)的三軸立式加工中心VDF–850，如圖36所示。VDF–850的定位精度在X、Y和Z方向分別為0.018mm、0.014mm和0.014mm；重復(fù)定位精度分別為0.010mm、0.008mm 和0.008mm。所用傳感器為德國(guó)米銥公司生產(chǎn)的點(diǎn)激光傳感器，具體型號(hào)為optoNCDT ILD 2300–50，傳感器的量程為50mm，絕對(duì)誤差不超過0.01mm。

圖36 三軸立式加工中心和點(diǎn)激光傳感器Fig.36 Three-axis vertical machining center and point laser sensor

參考機(jī)床主軸錐孔參數(shù)7∶24通用錐度錐孔和試驗(yàn)用點(diǎn)激光傳感器，自主設(shè)計(jì)制造了專用刀柄夾具來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)激光傳感器與機(jī)床主軸的固連。由于三軸機(jī)床不具備旋轉(zhuǎn)功能，刀柄夾具設(shè)計(jì)了分度軸與旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，通過該夾具可將傳感器與機(jī)床主軸固連，且可通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)固定角度的傳感器位姿調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)多視角測(cè)量功能，定制刀柄設(shè)計(jì)如圖37所示。

圖37 刀柄夾具設(shè)計(jì)及其實(shí)物圖Fig.37 Toolholder fixture design and its physical drawing

參考德國(guó)VDE/VDI標(biāo)準(zhǔn)采用單球和雙球?qū)c(diǎn)激光測(cè)量系統(tǒng)精度進(jìn)行了驗(yàn)證。測(cè)量時(shí)傳感器掃描景深維持在4～16mm之內(nèi)，其入射角低于20°，測(cè)量頻率設(shè)置為1.5kHz，激光傳感器的最大量程是50mm，數(shù)據(jù)輸出方式為以太網(wǎng)，觸發(fā)方式為高電平觸發(fā)。機(jī)床三軸移動(dòng)時(shí)，由于傳感器和計(jì)算機(jī)的處理需要進(jìn)行同步，該在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的效率大約為70點(diǎn)/min。標(biāo)定過程一般選取50個(gè)點(diǎn)，整個(gè)標(biāo)定與測(cè)量過程耗時(shí)在2min左右。

單球球徑測(cè)量試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖38所示，驅(qū)動(dòng)機(jī)床主軸帶動(dòng)傳感器對(duì)球面上表面進(jìn)行掃描測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)云規(guī)模為60，對(duì)測(cè)量出的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行球面擬合，單球球徑測(cè)量結(jié)果如表8所示，可以看出，在充分考慮景深與入射角的情況下，單球球徑最大誤差為0.0187mm，平均誤差為0.0135mm，球徑測(cè)量誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.0032mm。

表8 單球球徑測(cè)量結(jié)果Table 8 Single ball diameter measurement results mm

為進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)量精度，進(jìn)行了雙球球心距測(cè)量試驗(yàn)，如圖39所示，驅(qū)動(dòng)機(jī)床主軸帶動(dòng)傳感器對(duì)球面上表面進(jìn)行掃描測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)云規(guī)模為212，對(duì)測(cè)量出的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行球面擬合，分別計(jì)算兩個(gè)球心之間的距離。其結(jié)果如表9所示，其球心距平均誤差分別為0.0125mm和0.0130mm。

表9 雙球球心距測(cè)量結(jié)果 Table 9 Measurement results of double balls center distance mm

圖39 雙球球心距測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)及點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.39 Measurement process of double balls center distance and point cloud data

將所搭建系統(tǒng)應(yīng)用于自由曲面在機(jī)測(cè)量，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可用于航空航天復(fù)雜曲面零件高效自動(dòng)化在機(jī)測(cè)量，蒙皮測(cè)量過程如圖40所示。

圖40 飛機(jī)蒙皮在機(jī)測(cè)量試驗(yàn)Fig.40 On-machine measurement experiment of aircraft skin

4.4 核主泵法蘭密封型面機(jī)器人在位測(cè)量

核主泵法蘭密封型面機(jī)器人在位測(cè)量系統(tǒng)如圖41所示，主要由機(jī)器人、PowerScan面陣掃描儀、支撐架、上位機(jī)軟件等組成。由于核主泵檢修現(xiàn)場(chǎng)空間狹小，機(jī)器人倒置安裝在法蘭密封面上方，操作人員可通過遠(yuǎn)端工作站進(jìn)行操作和監(jiān)控，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)核主泵法蘭密封型面的非接觸式在位自動(dòng)測(cè)量、點(diǎn)云處理與誤差分析。

圖41 核主泵法蘭密封型面機(jī)器人在位測(cè)量系統(tǒng)Fig.41 Robot in-place measurement system of nuclear main pump flange sealing profile

綜合考慮掃描儀測(cè)量景深、測(cè)量范圍、傾斜角度等參數(shù)規(guī)劃出圖42所示的機(jī)器人無(wú)干涉在位測(cè)量路徑，完成法蘭密封型面自動(dòng)掃描，采集得到圖43所示的點(diǎn)云。將點(diǎn)云與模型進(jìn)行三維匹配，計(jì)算得到密封型面誤差色譜，如圖44所示。觀察誤差分布可知密封型面產(chǎn)生了整體變形。

圖42 機(jī)器人無(wú)干涉在位測(cè)量路徑Fig.42 Robot interference-free in-place measurement path

圖43 核主泵法蘭密封型面點(diǎn)云Fig.43 Point cloud of flange sealing profile of nuclear main pump

圖44 核主泵法蘭密封型面誤差色譜圖Fig.44 Error chromatogram of flange sealing profile of nuclear main pump

5 結(jié)論

近年來(lái)，航空渦輪葉片、飛機(jī)蒙皮等復(fù)雜曲面零件精密制造中廣泛應(yīng)用了在機(jī)測(cè)量技術(shù)，是順應(yīng)國(guó)家形勢(shì)的高端制造發(fā)展。本文詳細(xì)介紹了接觸式/非接觸式在機(jī)測(cè)量關(guān)鍵理論、在機(jī)測(cè)量專用軟件iPoint3D OnsiteScan的開發(fā)與工程應(yīng)用情況。復(fù)雜曲面零件在機(jī)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如下。

（1）接觸式在機(jī)測(cè)量精度較高，但受單點(diǎn)碰觸采集模式的限制，檢測(cè)效率無(wú)法滿足工業(yè)零件的全尺寸批量化檢測(cè)需求，僅適用于零件關(guān)鍵尺寸特征抽檢。非接觸式在機(jī)測(cè)量精度相對(duì)較低，但測(cè)量效率高，可用于零件批量化制造過程中大部分尺寸的快速全檢。未來(lái)擬將接觸式測(cè)量技術(shù)和非接觸式測(cè)量技術(shù)相結(jié)合，形成復(fù)合式在機(jī)測(cè)量的新技術(shù)手段，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)零件批量化制造過程的全尺寸、全產(chǎn)品檢測(cè)，大幅提升產(chǎn)品加工質(zhì)量檢測(cè)的可靠性。

（2）目前在機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)主要用于加工前工件定位與加工后的誤差檢測(cè)、補(bǔ)償加工，如何基于在機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)加工過程進(jìn)行調(diào)控與誤差補(bǔ)償缺乏成熟的技術(shù)手段。考慮工件是在加工裝夾狀態(tài)下對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，因此可進(jìn)一步將在機(jī)測(cè)量技術(shù)推廣應(yīng)用于加工過程中檢測(cè)，通過實(shí)時(shí)觀測(cè)各工序加工后的幾何誤差，智能學(xué)習(xí)并調(diào)整后續(xù)工序的加工程序，進(jìn)而提升最終產(chǎn)品制造的精度和合格率。