张淞
航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司
黑龙江 哈尔滨 150000
摘要：精密复杂零件制造是一个国家制造业水平的集中体现。随着我国数控加工技术的飞速发展．人们对在线检测技术提出了更高的要求。当前国内大量在线检测软件受机床系统、测头品牌等限制，编程烦琐，价格昂贵无法通用。开发一套宏程序在线检测库，引入数控机床系统，通过调用宏程序并赋值，生成所需要的在线检测程序。控制加工中心自动完成检测任务．这样不但可以有效提高产品检测精度、效率，还可以大大降低检测成本。
关键词：精密复杂零件数控加工；在线检测误差补偿；
前言：制造业装备技术的不断进步，对零件的加工精度和效率等提出了愈来愈高的要求。与规则零件相比较，复杂曲面零件的设计、加工和精度检测等过程更为复杂，要求有相应的检测技术对不同尺度、不同精度要求的各类复杂曲面加工精度进行检测和保证。
一、 精密复杂零件数控加工在线检测原理
复杂零件通常由圆柱、圆锥、凸台、凹槽、球、椭圆等几种基本体组合而成．将一个精密复杂零件按不同特征分解为不同的基本体。在计算机上生成基本体在线检测宏程序，将基本体在线检测宏程序由通信接口传输至数控机床，通过调用基本体在线检测宏程序库中的宏程序并赋值，生成所需要的在线检测程序。机床伺服系统驱动测头对被测件上的点、线、面、圆孔、圆柱、圆锥、凸台、凹槽、球、椭圆等基本体进行测量，测头测量时发出的触发信号通过测头与数控系统的专用接口转换为数控系统可识别的信号。数控系统接收信号后，记录下各测量点坐标，对坐标进行处理，最终获得组合体的测量结果。
二、精密复杂零件数控加工在线检测误差补偿
1.在线检测系统在误差分析与补偿的科学研究领域上仍然存在着关键性目前国内所开发的在线检测系统的检测对象较为单一，针对复杂曲面的在线检测系统较少，然而复杂曲面的零部件的应用越来越广泛，只能针对简单规则形体（如平面、圆柱等）的在线检测平台不能满足要求。数控机床直接影响着在线检测平台的检测精度。目前关键性的一步是辨识机床的几何误差并且进行补偿，从而提高检测系统的精度。然而现阶段的在线检测系统的研究辨识机床几何误差从而实现补偿并且应用到在线检测系统中的成果不多。在线检测系统的触发式测头系统的误差主要包括预行程误差、标定误差以及测头半径误差等方面，它们直接影响着检测系统的精度。目前需要深入研究的问题是辨识测头的各种误差来源并且进行分析，从而更好地获取测头的预行程误差，达到提高测头的检测精度的效果。
由于在线检测机床测量环境复杂，误差影响因素多，现阶段的在线检测对复杂曲面的检测仍与高精度的三坐标测量仪存在较大的差距，难以满足实际应用的高精度的要求。现阶段的在线检测系统不直接具有误差补偿和修复加工功能，对检测误差和加工误差进行补偿的研究还不够深入。现阶段的大部分在线检测软件，未能充分利用所能够获取的数据，没有进行下一步的误差补偿。
2.在线检测系统误差补偿方法。为有效提高复杂曲面零件数控加工过程的形位精度，避免二次装夹带来的定位误差及大型工件的测量手段限制与搬运困难等问题，复杂自由曲面零件加工、原位测量及补偿的一体化系统，该系统首先通过CAM 模块对输入的CAD 模型在加工中心上完成曲面零件的加工，然后将刀具更换为接触式测头，对工件进行在线检测。测量过程中获取工件的加工误差同时进行误差补偿，实现工件的修复加工，提高加工精度。
在线检测系统是加工测量一体化的闭环系统，测量硬件依赖于数控机床运动系统，从而受到了数控系统运动误差的影响。如何有效地补偿数控系统的运动误差，是提高闭环系统加工精度的关键。经过科学研究分析，关于原位检测系统的检测误差，有数量较多的误差源，将其归纳为测量误差（预行程误差、半径误差）、系统静态误差和系统动态误差等因素，分析了原位检测系统的误差源，同时在检测系统的检测数据的基础上进行了一次误差补偿。
3.接触式测头预行程误差补偿。接触式测头在进行原位检测时，需要探针产生了一定的变形才能够触发接触信号。所以当数控机床接受到测头反馈的触发信号时，测头已经继续向前运动了一段的距离。另一方面，数控机床接受到触发信号后，发出命令使测头停止运动这一过程也有一定的延迟，这时候测头同样向前运动了一段的距离。从测头接触到检测点到测头停止继续向前运动的这一小段距离称之为预行程误差。由于测头内部结构原因，从不同方向接触所产生的预行程误差都不同。测头系统进行检测时，是沿着加工零件接触点的法方向进行测量的。本课题组将加工工件测量点按照其法向量映射到标准球上，如图3-4 所示。通过对标准球不同法向量的检测，实现测头预行程误差的标定。由于标准球包含了三维空间的各种不同法向量，通过比较标准球上该法向量方向的坐标值与理想值，即可得到该法向量方向的预行程误差，从而得到加工零件该检测点的预行程误差，实现测头系统的预行程误差补偿。偏最小二乘法是一种新型的多元线性回归统计分析方法。首次提出偏最小二乘回归。多元回归模型能研究多种变量之间的变动关系，是一种计算方便、表达简明的数学工具。偏最小二乘法作为一种新型有效的多元回归方法，近年来在算法原理、统计应用方面得到了快速的发展。偏最小二乘法被称为第二代回归分析方法。偏最小二乘回归算法的主要特点如下。（1）偏最小二乘算法是一种研究多因变量与多自变量之间的统计关系的回归方法。与普通回归模型相比，偏最小二乘回归能保持因变量之间具有较高程度的统计相关性，因此使用偏最小二乘建模更加有效。（2）偏最小二乘算法与普通回归模型相比，能够较好的解决样本容量太少的问题，其允许样本点容量少于变量个数，在实际应用中可以更加广泛使用回归建模。（3）偏最小二乘法对自变量X 和因变量都进行分解，有别于主成分回归分析。主成分回归分析在变量相关性很小的时候，选取主成分可能会忽略，导致数学模型建立不准确。偏最小二乘法可以让成分从小到大进行排列，并从中选取成分。因此，偏最小二乘回归算法建立的数学回归模型对实际运用有着更为详细和准确的解释。原位检测系统两次误差补偿流程为了提高加工中心在线检测系统的检测精度，对检测硬件系统实现了一次误差补偿，包括了测头半径补偿，测头系统预行程补偿和机床几何误差补偿。同时在统计分析的基础上，分离出了检测系统的静态误差与动态误差，实现了系统各个误差项的补偿，很大程度上地提高了检测系统的测量精度。然而，即使经过了一次误差补偿，与高精度的三坐标测量机的测量结果相比，仍存在较大的差距，证明存在着检测系统的残余误差，需要在此基础上进一步改进。为此，本文一次误差补偿的基础上，提出了基于偏最小二乘回归算法的检测系统残余误差二次补偿方法。该方法以三坐标测量机的测量结果为基准，构建关于复杂自由曲面残余误差。
结束语
针对精密复杂零件数控加工在线检测及误差补偿中存在的问题，将精密复杂零件的数控加工误差分解成系统误差和随机误差，通过补偿点偏差计算，修改数控加工程序，对系统误差进行了补偿，实现了精密复杂零件数控加工有效提高了精密复杂零件数控加工的精度。
参考文献：
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