基于U3D的在線測量技術(shù)研究

李鐵鋼

(沈陽工程學院機械工程系，遼寧沈陽110136)

在數(shù)控機床完成零件工序的加工后廣泛使用坐標測量機檢測加工精度［1］。為隨時監(jiān)控質(zhì)量，加工過程中需要經(jīng)常在數(shù)控機床和計量測試單位間周轉(zhuǎn)，導致重復裝夾定位和對刀，易產(chǎn)生應變、裝夾定位誤差和對刀誤差，造成零件超差或報廢。在線測量技術(shù)是零件加工完成后狀態(tài)不變、在數(shù)控機床上直接進行精度檢測的技術(shù)，可節(jié)約定位、找正和周轉(zhuǎn)等輔助時間，可即時掌握加工狀態(tài)信息，進而提高生產(chǎn)效率［2］。

針對數(shù)控機床在線測量問題，提出了基于U3D模型的技術(shù)方案，構(gòu)建了系統(tǒng)的軟硬件體系結(jié)構(gòu)并研究了相應的關(guān)鍵技術(shù)。

1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)框架集成

結(jié)構(gòu)件在機檢測系統(tǒng)由機床數(shù)控系統(tǒng)、觸發(fā)式測頭系統(tǒng)、下位PC 機和上位PC 機構(gòu)成。測頭系統(tǒng)由測頭本體、信號輸出單元、信號接收單元以及信號處理單元組成，測頭選用瑞士Renishaw 公司的OMP40 觸發(fā)式光學測頭，尾部為ISO50 標準刀柄，測桿長度為50 mm。上位計算機通過RS485 總線與數(shù)控系統(tǒng)連接，在線檢測時機床主軸帶動測頭觸碰零件完成數(shù)據(jù)點測量，通過無線發(fā)射裝置發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)控系統(tǒng)通過無線接收裝置接收數(shù)據(jù)存儲，最后數(shù)控系統(tǒng)將測量點坐標上傳到上位PC 機的應用程序進行數(shù)據(jù)處理［3］。

1.2 測量系統(tǒng)體系流程

數(shù)控加工程序使用集成CAD/CAM 軟件編制，不同系統(tǒng)使用專用的數(shù)據(jù)文件，互不兼容，如果進行強制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。為解決問題，由Adobe、Intel 和微軟等25 家公司組成的3D 工業(yè)論壇(3D Industry Form，3DIF)同歐洲計算機制造商協(xié)會(Ecma International)聯(lián)合推出了輕量化標準通用三維(Universal 3D，U3D)文件格式。U3D 文件格式去掉了相關(guān)工程數(shù)據(jù)，與設(shè)計和制造環(huán)境無關(guān)，數(shù)據(jù)含量大大減少，能實現(xiàn)應用的快速性。在線測量采用U3D 模型從CAM 模塊傳遞測量原始數(shù)據(jù)，集成在線測量系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 在機檢測系統(tǒng)流程

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于U3D 的測量特征構(gòu)建

U3D 文件結(jié)構(gòu)由順序結(jié)構(gòu)的文件頭塊、聲明塊和附加塊等一系列的塊組成，包含文件頭、文件參考、節(jié)點、節(jié)點資源、著色器資源、運動資源及修改符等對象，對象的屬性類型如下:

0X00443355-File Header

0XFFFFFF12-File Reference

0XFFFFFF14-Modifier Chain

0XFFFFFF15-Priority Update

0XFFFFFF21-Group Node

0XFFFFFF22-Model Node

0XFFFFFF31-CLOD Mesh Generator

0XFFFFFF36-Point Set

0XFFFFFF37-Line Set

0XFFFFFF45-Shading Modifier

0XFFFFFF46-CLOD Modifier

與模型有關(guān)的是幾何發(fā)生器塊，有網(wǎng)格、點集和線集等3 種類型，這3 個列表包括位置表、法矢表、著色表、紋理坐標表、漫反射顏色表、鏡面反射表、位置表、模型法矢表、模型漫反射顏色表、模型鏡面反射顏色表、模型紋理坐標表，另外網(wǎng)格還包括基準位置表。

U3D 文件在使用時主要通過調(diào)色板、節(jié)點、場景、資源和修改符等關(guān)鍵元素的交互實現(xiàn)，調(diào)色板存放各種圖形元素的數(shù)據(jù)，資源和節(jié)點的存儲通過調(diào)色板進行。為簡化文件處理，通過3D 工業(yè)論壇封裝的Palette、Core Services、Scene Graph、Nodes、Modifiers、Load Manager、Write Manager、Scheduler、Notification Manager、Modifier Chain 和Render Services 等類型庫讀寫U3D 文件。

基于數(shù)控加工工藝采用邊界表示法(B-rep)表示U3D 模型，遍歷模型的幾何拓撲信息構(gòu)建測量特征，主要包括尺寸類、形狀類、輪廓類、定位位置類和定向位置類等五大類特征?？蓪⒘慵臏y量特征定義如下:

MF = Geo ∪Attr

式中:Geo 表示幾何拓撲信息;Attr 表示工藝特征屬性，包括測量特征類別、工序、加工方法、加工余量、公差、特征方位和特征特性點坐標等。Geo 可以表示為:

式中:fi為測量特征的組成表面;Rk為fi的約束關(guān)系，關(guān)系有垂直、凸連接、凹連接和相切等。

基于工藝模型構(gòu)建特征，按照切削工序和測量需求，遵循“先大后小、先外后內(nèi)、先上后下、同一特征一次測量、路徑最短”等原則形成檢測特征XML 文件。

2.2 測點規(guī)劃

根據(jù)測量特征樹，規(guī)劃測量特征順序和生成測量特征內(nèi)采樣數(shù)據(jù)點。測量路線分為k 個子路線pi，每個子路線pi由r 個測量基特征形成的內(nèi)區(qū)域組成，則整個測量點集路徑可以表示為:

針對測量路線的特征方位，將其投影到檢測主平面形成的特征特性點坐標作為內(nèi)區(qū)域的中心，最后最佳檢測路線是所用時間最小的。此類問題為典型的TSP 問題，采用蟻群算法優(yōu)化。

采樣分布以減少測量誤差為原則，考慮下列4 方面:(1)分布均勻，測點間距等距;(2)分布于被檢測元素表面;(3)避免接近表面邊緣、凸臺邊界和孔邊緣;(4)避免落入不可達區(qū)間。檢測數(shù)據(jù)點采樣利用基于工藝特征的混合采樣算法，對于采用鉆頭鉆孔、鉸刀鉸孔等一次成形法加工的圓柱表面，對于由圓柱立銑刀的側(cè)刃和底刃加工的平面采用簡單均勻采樣法;對于采用軌跡法行切加工的曲面采用基于曲率變化矩陣的采樣方法［3－4］，平均曲率為:

式中:kmin(u，v)和kmax(u，v)分別為曲面p(u，v)的主曲率。曲面的曲率變化矩陣為:

式中:Q 和W 為u 和v 項參數(shù)劃分數(shù)目;

2.3 測量程序生成

測量程序后置處理是將經(jīng)過檢測規(guī)劃定義后，完成測量操作生成的采樣點的前置位置文件CLF(CLDATAFILE)轉(zhuǎn)化成數(shù)控機床可用的測量程序指令代碼的過程。測量后處理程序利用VC ++語言編程實現(xiàn)，程序由文件輸入輸出模塊、代碼翻譯模塊、幾何運動變換模塊等組成。代碼翻譯模塊建立測量前置CLF 文件和數(shù)控測量程序文件的映射關(guān)系，幾何變換模塊是將特征采樣點P0(x0，y0，z0，i，j，k)計算為在線測量的機床坐標系中的點P(x，y，z，A，B，C)。程序指令與數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)、測頭接口程序和數(shù)控系統(tǒng)有關(guān)。以典型的V1-2000.2T 機床為例，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，機床為3 個線形移動坐標X、Y、Z 和2 個轉(zhuǎn)動坐標A、B 的5 坐標聯(lián)動，從機械結(jié)構(gòu)上看A 轉(zhuǎn)軸安裝在B 軸上，B 為定軸，第4軸;A 為動軸，第5 軸，數(shù)控系統(tǒng)為MACS508。

圖2 V1-2000.2T 數(shù)控機床結(jié)構(gòu)

則變換關(guān)系式如下:

式中:A∈［－30，30］，B∈［－100，100］，L 為轉(zhuǎn)心距值。

機床在線測量程序中使用宏變量編程和子程序等高級編程方法，在后置處理中需要定義子程序的事件處理程序，包括程序變量的初始化、測頭的裝卸、測頭校準和誤差補償、基本輸入輸出接口、測量點數(shù)據(jù)計算、測量位置處理、測量數(shù)據(jù)形位誤差計算、誤差補償和交互信息處理等功能指令。

3 應用實例

如圖3所示，以典型的框類結(jié)構(gòu)件為例進行加工和在線測量驗證，以2－φ14H8 基準孔軸線為X 軸，左端孔中心為原點，框平面為XOY 平面建立測量坐標系，測量零件外形輪廓曲面和槽腔的位置及筋條厚度，曲面公差±0.2 mm，筋條厚度公差±0.15 mm，零件分別由DELTA4507 坐標測量機和數(shù)控機床在線檢測，測量機精度為0.005 mm/m，測量精度指標為0.020 mm。利用標準量塊在線檢測校驗，共進行10次檢測，每次選擇不同截面位置測量10 點，計算誤差，最大誤差為0.019 mm，最小誤差為0.008 mm，平均誤差為0.013 mm，標準差為0.004。

在線檢測與測量機檢測結(jié)果表明零件尺寸合格，滿足精度要求，兩者的測量誤差綜合誤差在0.1%的范圍內(nèi)。

圖3 在線測量

4 結(jié)論

為解決數(shù)控加工的快速檢測問題，提出了基于U3D 的在線檢測框架體系結(jié)構(gòu)并研究了關(guān)鍵技術(shù)，通過實例驗證了該方法的可行性，提高了零件的檢測和加工效率。

【1】LI Y G，F(xiàn)ANG T L，CHENG S J，et al.Research on Feature-based Rapid Programming for Aircraft NC Parts［J］.Applied Mechanics and Materials，2008，10(12):682－687.

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【3】丁永發(fā)，李迎光，崔雅文.基于曲率變化矩陣的飛機結(jié)構(gòu)件在線檢測測量點自動生成［J］.機械科學與技術(shù)，2010，29(6):778－782.

【4】PONIATOWSKA Malgorzata.Deviation Model Based Method of Planning Accuracy Inspection of Free-form Surfaces Using CMMs［J］.Measurement，2012，45:927－937.

【5】李鐵鋼.基于UG Postbuilder 的五軸后置處理器設(shè)計［J］.機床與液壓，2009，37(10):72－74.