基于模型的加工中心計算機(jī)輔助在機(jī)測量策略*

李 翔，吳 莉，陳曉波，習(xí)俊通

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

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基于模型的加工中心計算機(jī)輔助在機(jī)測量策略*

李 翔，吳 莉，陳曉波，習(xí)俊通

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

航天產(chǎn)品復(fù)雜零部件的精密加工與檢測是數(shù)字化制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。為提高復(fù)雜零部件的檢測精度及檢測效率，提出基于模型特征的計算機(jī)輔助接觸式在機(jī)測量策略。開發(fā)了基于STEP(產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互規(guī)范)零件模型檢測特征識別與提取系統(tǒng)。為了提高測量精度研究了測球半徑補(bǔ)償方法，分析了基于特征的測點(diǎn)選擇及測量宏程序編制。利用opencascade幾何造型內(nèi)核在Qt平臺上開發(fā)了原型系統(tǒng)，通過對發(fā)動機(jī)缸蓋定位圓柱孔的在機(jī)檢測試驗驗證了所建立系統(tǒng)的有效性。

在機(jī)測量；特征識別與提取；半徑補(bǔ)償；測量宏程序

0 引言

隨著航天復(fù)雜零部件加工制造精度要求越來越高，加工質(zhì)量的檢測成為集成制造中重要的一環(huán)。在傳統(tǒng)的質(zhì)量控制系統(tǒng)中，工件在加工中心完成加工后需要裝夾到三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行尺寸測量，這不僅耗費(fèi)更多的時間，而且工件若需要再次進(jìn)行加工又會引入二次裝夾定位誤差。

在機(jī)測量(OMM)由于在制造加工過程中直接對工件進(jìn)行測量，已經(jīng)成為自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中重要的一部分[1]。隨著觸發(fā)式測頭在機(jī)床上的應(yīng)用，通過將測頭安裝在機(jī)床主軸上，加工完成后，通過換刀將刀具換成測頭，直接在數(shù)控加工中心上完成對工件的測量[2]。使用機(jī)床作為檢測裝置不僅節(jié)省了時間而且消除了二次裝夾和定位誤差，由于航天零部件的復(fù)雜性，在機(jī)測量的優(yōu)勢變得尤為突出[3]。

計算機(jī)輔助檢測規(guī)劃(CAIP)包含自動或半自動的基于三維CAD特征識別與提取、采樣策略和碰撞規(guī)避等。國內(nèi)外對計算機(jī)輔助檢測規(guī)劃已經(jīng)有較多的研究，Legge[4]綜述了CAD和CMM的集成并描述了測量規(guī)劃生成和有效性分析的各種方法。早至1987年，ElMaraghy[5]提出了專家檢測規(guī)劃系統(tǒng)用以生成檢測規(guī)劃。李鐵剛[6]研究了結(jié)構(gòu)件在機(jī)檢測技術(shù)，提出了基于STEP的集成結(jié)構(gòu)件在機(jī)檢測流程。Lee[7]提出了基于特征建模和特征識別的幾何建模系統(tǒng)，利用特征的幾何信息對模型進(jìn)行特征提取，從CAD中提取待檢測特征的幾何信息進(jìn)行檢測規(guī)劃。綜上，對于在三坐標(biāo)測量機(jī)上進(jìn)行測量已經(jīng)有了較為成熟的策略。但是對于數(shù)控機(jī)床尤其是五軸數(shù)控加工中心的在機(jī)測量還沒有形成一套完整而通用的系統(tǒng)。

本文通過將在機(jī)測量和計算機(jī)輔助測量相結(jié)合，提出了通用的數(shù)控加工中心在機(jī)測量技術(shù)方案，研究了模型特征提取、測球半徑補(bǔ)償及測量宏程序編制等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，并開發(fā)了在機(jī)測量原型系統(tǒng)。

1 基于全局和局部的兩步檢測規(guī)劃

在機(jī)測量工藝規(guī)劃是根據(jù)零件的幾何模型及尺寸公差要求，確定測量工序和工步的內(nèi)容，輸出測量程序，完成測量任務(wù)。如圖1所示的檢測規(guī)劃流程圖，對工件的測量規(guī)劃將分為全局檢測規(guī)劃和局部檢測規(guī)劃兩步進(jìn)行。

圖1 在機(jī)測量規(guī)劃流程圖(全局在機(jī)測量規(guī)劃和局部在機(jī)測量規(guī)劃)

在全局在機(jī)測量規(guī)劃中，首先確定需要測量的對象以及待測量特征，然后基于測量對象的CAD模型提取所有待檢測特征的幾何信息，最后將待檢測特征進(jìn)行分組并合理規(guī)劃特征檢測順序[8]。

在局部在機(jī)測量規(guī)劃中，根據(jù)提取的特征幾何信息確定各特征的檢測點(diǎn)數(shù)目和分布，進(jìn)行干涉和碰撞規(guī)避后生成合理的測量路徑。編制測量宏程序?qū)Σ煌卣鬟M(jìn)行分類測量，實(shí)際使用時只需調(diào)用并給相應(yīng)變量進(jìn)行賦值。

全局在機(jī)測量規(guī)劃主要明確待測工件及待測特征，局部在機(jī)測量規(guī)劃主要考慮各特征的測量規(guī)劃，兩者共同組成了基于特征的計算機(jī)輔助在機(jī)測量規(guī)劃。

2 基于STEP的CAD模型特征提取

基于CAD造型軟件(UG、PROE、CATIA)設(shè)計的零件模型進(jìn)行特征提取與識別，通過對零件模型的STEP文件分析，特征提取與識別算法可以獲得零件的特征幾何信息(面，線，點(diǎn)等)并對不同特征(點(diǎn)、直線、空間圓、平面、圓柱面、圓錐面、球面、NURBS曲面等)進(jìn)行識別。用提取到的CAD模型特征信息設(shè)計檢測規(guī)劃。

2.1.1 基本幾何特征及參數(shù)

表1 基本幾何特征(點(diǎn)、平面、圓、圓柱面、圓錐面、球面)及參數(shù)

表1列出了六種基本幾何特征及其參數(shù)，這六種特征(點(diǎn)、平面、圓、圓柱面、圓錐面、球面)是構(gòu)成三維CAD的重要部分，對這些基本特征進(jìn)行檢測是質(zhì)量評價的需求。需要獲得特征的基本參數(shù)才能對基本特征進(jìn)行檢測規(guī)劃，因此特征識別與提取是至關(guān)重要的。

2.1.2 特征提取方法

圖2 基于STEP特征提取流程

本文提出了基于STEP的模型特征提取方法，對基本幾何特征的參數(shù)進(jìn)行提取。特征提取流程如圖2所示，導(dǎo)入工件STEP模型后，用戶選擇待測量特征后系統(tǒng)進(jìn)行特征識別，若選擇正確則依據(jù)表1提取特征信息，若選擇錯誤則提示用戶重新選擇。本系統(tǒng)對七種基本特征(點(diǎn)、直線、圓、平面、圓柱面、圓錐面、球面)進(jìn)行識別及特征參數(shù)提取，提取特征參數(shù)后進(jìn)行檢測規(guī)劃，生成檢測宏程序，最終實(shí)現(xiàn)在機(jī)測量。

本文所提出的系統(tǒng)利用opencascade幾何內(nèi)核，將零部件的STEP文件轉(zhuǎn)換成邊界表示法(B-rep)模型存儲在計算機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。B-rep模型是一種以物體的邊界表面為基礎(chǔ)，定義和描述幾何形體的方法。B-rep模型存儲構(gòu)成實(shí)體的面、線、點(diǎn)以及之間的拓?fù)潢P(guān)系來存儲3D模型。采用Qt結(jié)合VC++2010的開發(fā)環(huán)境開發(fā)特征提取原型系統(tǒng)，如圖3所示，為利用所開發(fā)系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)缸蓋的基本特征的參數(shù)進(jìn)行提取。通過CATIA軟件對發(fā)動機(jī)缸蓋進(jìn)行三維造型并保存為STEP格式文件，將其導(dǎo)入特征識別與提取軟件，采用如上所述方法對基本特征幾何信息進(jìn)行提取。圖3右邊為缸蓋模型顯示區(qū)，左邊為特征參數(shù)顯示模塊。

圖3 發(fā)動機(jī)缸蓋的基本特征的幾何參數(shù)提取

對發(fā)動機(jī)缸蓋燃燒室?guī)讉€基本特征進(jìn)行幾何參數(shù)提取得到的結(jié)果如表2所示，模型的坐標(biāo)系即為使用CATIA進(jìn)行建模時的坐標(biāo)系。其中點(diǎn)A所在面的法矢為(0,0,1)，點(diǎn)A的坐標(biāo)為(146.874mm,215.2mm,28mm)；圓C圓心坐標(biāo)(46.5mm,231.622mm,28mm)，半徑為5mm，圓所在平面的法矢為(0,0,1)；球E的球半徑為7.5mm，球心坐標(biāo)為(140.738mm,300.459mm,28mm)。所提取的特征尺寸與缸蓋建模時的設(shè)計尺寸相吻合。

表2 發(fā)動機(jī)缸蓋燃燒室特征提取結(jié)果

2.2 測頭半徑補(bǔ)償

在接觸式測量中，由于測頭測量時得到的是測球中心的坐標(biāo)值而不是被測點(diǎn)的坐標(biāo)值，為得到測點(diǎn)準(zhǔn)確的坐標(biāo)值，需要進(jìn)行測頭半徑補(bǔ)償。對于平面來說，接觸點(diǎn)和測球球心存在一個測球半徑的偏差，當(dāng)沿著平面的法矢方向進(jìn)行測量時，接觸點(diǎn)坐標(biāo)即為球心坐標(biāo)加上測球半徑。但在進(jìn)行曲面測量時，情況較為復(fù)雜。如圖4 所示，如果測頭沿著法矢方向進(jìn)行測量，數(shù)控系統(tǒng)返回的是點(diǎn)B的坐標(biāo)值，但是接觸點(diǎn)為A，所以應(yīng)該對測頭進(jìn)行半徑補(bǔ)償。

測頭的半徑補(bǔ)償即根據(jù)測量時的觸測方向及數(shù)控系統(tǒng)記錄的測球中心坐標(biāo)點(diǎn)，求取測量表面接觸點(diǎn)坐標(biāo)。在被測曲面是連續(xù)光滑的情況下，并且滿足測頭半徑r的倒數(shù)大于凹型曲面的最大主曲率的條件時，則測球中心坐標(biāo)與被測曲面上各接觸點(diǎn)存在一一對應(yīng)關(guān)系[9]。有兩種主流的測頭半徑補(bǔ)償方法，第一種為，如圖4所示，只需要將測球中心點(diǎn)B往接觸點(diǎn)A的法矢方向偏移測球半徑值即可求取實(shí)際接觸點(diǎn)A的坐標(biāo)值。第二種方法為將測球中心構(gòu)成的曲面沿著檢測方向偏置測球半徑即可得到實(shí)際曲面。本文采取第一種方法進(jìn)行半徑補(bǔ)償。

由于測量時測球的預(yù)行程誤差，可對測球半徑進(jìn)行標(biāo)定，采用ISO推薦的25點(diǎn)測球法對測頭半徑進(jìn)行校準(zhǔn)，求取等效半徑。

圖4 接觸式測頭半徑補(bǔ)償

通過導(dǎo)入零件STEP模型作為檢測的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)模型，只要能精確獲得測點(diǎn)位置的法矢，即可進(jìn)行測球半徑補(bǔ)償。測球半徑補(bǔ)償公式為：

(xR,yR,zR)=(x,y,z)-R·n

(1)

其中，(xR,yR,zR)為實(shí)際測量中接觸點(diǎn)A的坐標(biāo)，(x,y,z)為測球中心坐標(biāo)，R為測球等效半徑，n為測點(diǎn)處單位法矢。

2.3 基于特征的測點(diǎn)選擇及測量宏程序編制

在對零件的在機(jī)測量中，檢測程序通常需要針對待檢測特征進(jìn)行人工編制。進(jìn)行在機(jī)測量時引入數(shù)控宏程序，編寫基于基本特征的檢測宏程序，通過對宏程序賦值調(diào)用的方法，生成基于待檢測特征的測量程序，完成測量任務(wù)[10]。對于含有基本特征較多的復(fù)雜零部件，可以減少大量的編程量，提高測量效率。

基本體的測量包括常見的點(diǎn)、線、面、圓孔、圓柱、圓錐，凸臺類、凹槽類、球、橢圓等等。結(jié)合上述所開發(fā)的幾何特征信息提取系統(tǒng)，對這些基本體分別開發(fā)出相應(yīng)的測量宏程序組成宏程序庫。圖5所示為測量外圓柱和內(nèi)圓孔半徑的宏程序示意圖，它使用了沿X、Y軸的四次測量移動，用O9814表示程序號，調(diào)用格式為：

外圓柱面：G65 P9814 D Z [F M S]

內(nèi)圓孔面：G65 P9814 D [F M S]

其中：D表示圓孔直徑，Z表示測量外圓時的絕對位置，M表示測量時測頭觸碰速度，S表示搜索距離。

圖5 內(nèi)孔或外圓測量示意圖

3 試驗驗證

本文例舉發(fā)動機(jī)缸蓋特征測量驗證系統(tǒng)的可行性。如圖6所示的發(fā)動機(jī)缸蓋進(jìn)行數(shù)控加工后，對其定位圓柱孔特征進(jìn)行在機(jī)測量，測量結(jié)果傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求取相鄰兩定位孔之間的距離，與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，評價其制造精度及加工質(zhì)量，驗證所提出的在機(jī)檢測系統(tǒng)可行性。

圖6 定位圓柱孔特征A、B、C

表3為對ABC三個定位孔進(jìn)行幾何信息提取的結(jié)果，三個圓柱孔軸線方向向量和半徑都相同，相鄰圓柱底面圓心坐標(biāo)沿著Y方向相差70mm固定值，因此相鄰圓柱孔的理論孔間距為70mm。

表3 定位圓柱孔幾何參數(shù)提取結(jié)果

圖7 對發(fā)動機(jī)缸蓋定位圓柱孔的在機(jī)測量實(shí)驗

如圖7所示，實(shí)驗所用加工中心為德瑪吉HSC75五軸加工中心，測頭選用Renishaw OMP60觸發(fā)式測頭。通過調(diào)用圓柱孔測量宏程序，得到實(shí)驗結(jié)果如表4所示。采用三點(diǎn)測圓法對圓柱孔進(jìn)行測量，由于圓柱孔軸線方向向量相同，所以在測球觸碰測量時固定Z坐標(biāo)為5.000mm，測球觸碰得到球心坐標(biāo)后對其進(jìn)行半徑補(bǔ)償并記錄下結(jié)果。對測量結(jié)果進(jìn)行擬合求得三個圓柱孔的圓心位置及半徑大小。求得圓柱A和B的孔間距為70.0646mm，圓柱B和C的孔間距為69.8522mm，由于缸蓋在三坐標(biāo)測量機(jī)上裝夾較為不易，我們采用精度為0.02mm的游標(biāo)卡尺對孔間距進(jìn)行了驗證測量，測量計算得圓柱A和B孔間距為70.06mm，圓柱B和C的孔間距為69.84mm。在機(jī)測量與游標(biāo)卡尺測量的最大誤差為0.0122mm，誤差在0.02mm范圍內(nèi)，滿足精度要求。如若對圓柱孔進(jìn)行在機(jī)測量時增加測量采樣點(diǎn)數(shù)，可進(jìn)一步減少測量誤差。

表4 圓柱孔測量結(jié)果

4 結(jié)論

本文為解決復(fù)雜零部件快速檢測問題，提出了基于接觸式測頭的在機(jī)測量系統(tǒng)框架并將在機(jī)測量和計算機(jī)輔助測量相結(jié)合，基于opencascade幾何造型內(nèi)核在Qt平臺上開發(fā)了一個通用的加工中心在機(jī)測量原型系統(tǒng)。分析了基于全局和局部的兩步檢測規(guī)劃，開發(fā)了基于STEP的CAD模型幾何特征提取軟件，探討了基于特征的測點(diǎn)選擇及測量宏程序編制。通過對發(fā)動機(jī)缸蓋定位圓柱孔的在機(jī)測量，證實(shí)了該方法的可行性，提高了航天復(fù)雜零部件的加工和檢測效率。

基于以上研究成果，下一步研究內(nèi)容將主要集中于以下兩個方面：其一為自由曲面的采樣點(diǎn)選擇以及檢測程序的生成，豐富在機(jī)測量系統(tǒng)的功能；其二為將在機(jī)測量與加工制造過程結(jié)合起來，提高復(fù)雜零部件的制造加工精度。

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(編輯 李秀敏)

Model-based Machine Center Computer Aided On-machine Measurement Strategy

LI Xiang，WU li，CHEN Xiao-bo，XI Jun-tong

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Precision machining and inspection of complex components of aerospace products have been the focuses of digital manufacturing. A feature based computer aided contact on machine measurement system was proposed in order to improve machining and inspection accuracy of complex components. A STEP-based model feature recognition and extraction system was proposed. In order to improve inspection accuracy, the method to make compensation of the probe radius has been studied, meanwhile feature based choose of measurement points and measurement macro programs have been analyzed. Based on opencascade geometric modeling kernel and Qt, a prototype system was developed, and the validity of the proposed on-machine measurement system was demonstrated with the inspection of alignment cylindrical bore of a cylinder head.

on-machine measurement; feature recognition and extraction; compensation of radius; measurement macro programs

1001-2265(2016)10-0058-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.016

2015-12-20；

2016-01-19

“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國家重大科技專項資助項目(2014ZX04015021)

李翔(1991—)，男，南昌人，上海交通大學(xué)碩士研究生，研究方向為加工中心在機(jī)測量，(E-mail)lix_kaka@sjtu.edu.cn；習(xí)俊通(1963—)，男，陜西咸陽人，上海交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為精密測量與數(shù)字化儀器、數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)，(E-mail)jtxi@sjtu.edu.cn。

TH166;TG659

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