1 前言

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量原理就是將被測(cè)物體置于三坐標(biāo)測(cè)量空間，可獲得被測(cè)物體上各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)計(jì)算求出被測(cè)物體的幾何尺寸和形狀。經(jīng)過(guò)與CAD設(shè)計(jì)模型的比對(duì)，可以檢測(cè)加工零件的合格性，在工業(yè)實(shí)際中有著巨大的應(yīng)用價(jià)值。

基于ＣＭＭ的接觸式測(cè)量方法具有測(cè)量準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，常用的數(shù)據(jù)采集方式有手動(dòng)采樣模式和自動(dòng)采樣模式。

1.1 手動(dòng)采樣模式

采用Joystick驅(qū)動(dòng)探頭去接觸零件表面，探頭的探針每次接觸零件表面,就采集一個(gè)輪廓的數(shù)據(jù),然后再移動(dòng)一個(gè)間距,采集下一個(gè)輪廓數(shù)據(jù),最后得出測(cè)量表面信息。手動(dòng)采樣的速度較低，靠教來(lái)移動(dòng)機(jī)臺(tái)，效率低下，不適合工業(yè)大批量測(cè)量的要求。

1.2 自動(dòng)采樣模式

為了解決手動(dòng)采樣效率低下的問(wèn)題，必須要開(kāi)發(fā)出能夠自動(dòng)測(cè)量的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)量路徑的預(yù)生成，再讓探頭按照生成的路徑連續(xù)運(yùn)動(dòng)去收集點(diǎn)的信息，這樣就提高了效率，能夠解決大批量測(cè)量的問(wèn)題。

目前我們用的來(lái)自美國(guó)的一套三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上層軟件功能非常強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)收集并與模型的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比對(duì)，生成一個(gè)報(bào)表，最終還能加入數(shù)據(jù)庫(kù)中供參考與查閱。這套軟件提供一個(gè)與控制器的通訊協(xié)議，我們就利用這個(gè)協(xié)議在固高板卡這個(gè)控制器平臺(tái)上開(kāi)

發(fā)出了一套下位機(jī)的控制軟件，來(lái)與上位機(jī)軟件配合完成對(duì)探頭的驅(qū)動(dòng)以及點(diǎn)的收集。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1CMM系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖1顯示了一套CMM三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)包括的幾個(gè)部分：上位計(jì)算機(jī)（裝有CMMManager測(cè)量軟件），通過(guò)串口與固高嵌入式運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)相連，固高嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器能夠同時(shí)控制多路電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)），同時(shí)還能通過(guò)另外的一個(gè)串口與探頭控制器相連，探頭具有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)空間任意角度的旋轉(zhuǎn)，可以測(cè)空間任意位姿的點(diǎn)信號(hào)。嵌入式中有我們開(kāi)發(fā)的下位機(jī)控制軟件，能夠拖動(dòng)我們的探頭運(yùn)動(dòng)到期望的位置，同時(shí)讓探頭調(diào)整到期望的位姿。圖2顯示了正在測(cè)量中的CMM-Manager軟件。

圖2CMM-Manager軟件

3 關(guān)鍵技術(shù)

1）位置反饋：必須要有軸端編碼器反饋，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控機(jī)床各軸到達(dá)的位置，以便于測(cè)量點(diǎn)的收集與上層軟件的模擬仿真，即使在遠(yuǎn)程也能清晰觀測(cè)到測(cè)量的完整過(guò)程，固高運(yùn)動(dòng)控制板卡，不僅能夠提供模擬電壓輸出的閉環(huán)控制，在板卡上作了位置的閉環(huán)，同時(shí)還能夠控制步進(jìn)電機(jī)以及脈沖輸出的伺服電機(jī)，在這種情況下需要有軸編碼器通道來(lái)收集運(yùn)動(dòng)軸的位置信息，對(duì)于在測(cè)量中的這兩種方式，固高都提供完善的解決方案。

2）支持手動(dòng)運(yùn)行與自動(dòng)運(yùn)行的完美切換，在測(cè)量中手動(dòng)定坐標(biāo)系與手動(dòng)采集非常重要，手動(dòng)運(yùn)行采用Joystick三維模擬搖桿，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)三軸的無(wú)級(jí)調(diào)速，自動(dòng)運(yùn)行中測(cè)量路徑有一定的矢量要求，必須能夠?qū)崿F(xiàn)空間三維的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，可見(jiàn)手動(dòng)與自動(dòng)在運(yùn)動(dòng)上有

不同的要求，固高運(yùn)動(dòng)控制器支持點(diǎn)位功能又支持連續(xù)軌跡功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這個(gè)問(wèn)題的完美解決。

3）精確定位，回零的精度將直接影響到測(cè)量的精度，固高板卡提供Home＋I(xiàn)ndex的回零方式，能夠?qū)⒒亓憔冗_(dá)到微米級(jí)。提供的回零流程為：

a)啟動(dòng)Home捕獲，當(dāng)Home捕獲觸發(fā)時(shí)，運(yùn)動(dòng)到Home捕獲觸發(fā)時(shí)的位置

b)運(yùn)動(dòng)停止后，啟動(dòng)Index捕獲，反向運(yùn)動(dòng)一圈半

c)當(dāng)Index捕獲觸發(fā)時(shí)，運(yùn)動(dòng)到Index捕獲觸發(fā)時(shí)的位置

d)運(yùn)動(dòng)停止后，將目標(biāo)位置和實(shí)際位置清0

4）精確捕獲，測(cè)量機(jī)的目的就是要收集被測(cè)量點(diǎn)用來(lái)與給出點(diǎn)進(jìn)行比較，從而得出產(chǎn)品是否合格的報(bào)表，當(dāng)探頭與工件接觸的時(shí)候要能夠準(zhǔn)確的將接觸點(diǎn)處的位置記錄下來(lái)，固高板卡采用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖存，提供一路探針輸入信號(hào)，當(dāng)探針觸發(fā)時(shí)，硬件會(huì)將三路編

碼器信號(hào)同時(shí)鎖存下來(lái)，誤差不超過(guò)正負(fù)一個(gè)脈沖，沒(méi)有時(shí)間滯后的問(wèn)題，這是非常精確的位置鎖存，特別適合應(yīng)用在要求非常高的測(cè)量領(lǐng)域。

4 軟件編制

基于美國(guó)的這套上層軟件，配合固高的運(yùn)動(dòng)控制器平臺(tái)，我們開(kāi)發(fā)了基于嵌入式Dos平臺(tái)的下層控制軟件，上層軟件提供給我們的僅僅是一個(gè)接口協(xié)議，通過(guò)RS232來(lái)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，我們要做的首先就是摸清它的通訊協(xié)議，做好數(shù)據(jù)接受與譯碼的工作，然后就是根據(jù)不同的指令來(lái)驅(qū)動(dòng)探頭去采集所需要的點(diǎn)信息，全部的流程我們?cè)谥餮h(huán)中來(lái)實(shí)現(xiàn)，CMM系統(tǒng)中必須的一點(diǎn)就是要有回退功能，當(dāng)探頭碰到工件表面時(shí)，立即按照設(shè)定的回退矢量與回退距離回退到一個(gè)位置，它的運(yùn)動(dòng)指令主要分為PT定位指令與PM測(cè)量指令，具體軟件流程如下圖：

圖4主程序流程圖

5 結(jié)論

通過(guò)在固高四軸演示箱平臺(tái)上的仿真實(shí)驗(yàn)證明，采用固高板卡的三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)完全滿足測(cè)量領(lǐng)域的工藝要求，運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)，到位準(zhǔn)確，可以達(dá)到非常高的測(cè)量精度。