數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用*

□ 毛文亮□ 楊小平

1.甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅天水741001

2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)技術(shù)處 蘭州730000

隨著現(xiàn)代制造業(yè)智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，精密復(fù)雜零件“設(shè)計(jì)-加工-測(cè)量-補(bǔ)償加工”一體化制造成為了趨勢(shì)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究。Mou等［1］開(kāi)發(fā)了一種基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD/CAM/CAI的在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)。Kramer等［2］對(duì)基于零件表面特征的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。Yoon等［3］對(duì)基于PCNC（Personal Computer based Numerical Control）的在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。Kim等［4］研發(fā)了一款將檢測(cè)路徑用G代碼格式傳送給數(shù)控機(jī)床的在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)。孫志海［5］介紹了基于CAD的加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。辛娜［6］研究了加工中心在線檢測(cè)編程技術(shù)。陳歡等［7］開(kāi)發(fā)了基本體在線檢測(cè)宏程序。陳明娟［8］研究了基本體在線檢測(cè)路徑規(guī)劃?？傊?，國(guó)外的在線檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)相對(duì)成熟，但價(jià)格非常昂貴。國(guó)內(nèi)的在線檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)功能相對(duì)比較單一，無(wú)法對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行全面精確測(cè)量。因此，開(kāi)發(fā)一套功能全面、價(jià)格低廉的數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)精密復(fù)雜零件 “加工-檢測(cè)-補(bǔ)償加工”一體化制造具有重要意義。

1 數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)組成及原理

數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)主要由測(cè)頭、數(shù)控機(jī)床、信號(hào)接收裝置和計(jì)算機(jī)組成。在線檢測(cè)時(shí)，在檢測(cè)系統(tǒng)中導(dǎo)入零件CAD模型，選取檢測(cè)點(diǎn)，生成檢測(cè)程序，進(jìn)行仿真校驗(yàn)。仿真校驗(yàn)無(wú)誤后，計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)控機(jī)床通信接口將檢測(cè)程序傳送給數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)測(cè)頭按檢測(cè)路徑運(yùn)動(dòng)，當(dāng)測(cè)頭接觸到零件后，發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，信號(hào)被接收裝置接收，并傳給轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器把信號(hào)處理后傳給數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)，機(jī)床停止運(yùn)動(dòng)，測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)被保存下來(lái)。然后進(jìn)行下一點(diǎn)測(cè)量，等所有點(diǎn)測(cè)量完畢，測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)通信接口傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，生成檢測(cè)報(bào)告。數(shù)控加工在線檢測(cè)原理如圖1所示。

2 數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

▲圖1 數(shù)控加工在線檢測(cè)原理

筆者開(kāi)發(fā)的數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)是以配置FANUC 0i MC數(shù)控系統(tǒng)的加工中心為執(zhí)行設(shè)備，以UG NX10.0三維制圖軟件為平臺(tái)，借助UG/Open GRIP、UG/Open Menu Script［9］等UG二次開(kāi)發(fā)工具，將矩陣工廠數(shù)學(xué)軟件MATLAB 2016和數(shù)控加工仿真系統(tǒng)VERICUT 8.0集成于UG操作環(huán)境下，進(jìn)行在線檢測(cè)的一款數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)。這一在線檢測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)模型測(cè)點(diǎn)選取、檢測(cè)程序生成、檢測(cè)仿真、加工中心串口通信、檢測(cè)誤差補(bǔ)償計(jì)算及數(shù)據(jù)處理等功能。主要由UG、MATLAB和VERICUT三大模塊組成。

2.1 檢測(cè)點(diǎn)信息提取

檢測(cè)點(diǎn)信息是檢測(cè)系統(tǒng)獲取檢測(cè)零件表面數(shù)據(jù)信息的主要依據(jù)。主要指曲面檢測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)、檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)于檢測(cè)曲面的法向矢量、檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)于檢測(cè)曲面的切向矢量等［10］。數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)時(shí)，首先要對(duì)檢測(cè)曲面檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行提取，為實(shí)現(xiàn)上述功能，在二次開(kāi)發(fā)中，筆者用UG/Open GRIP以NURBS曲面在U、V兩個(gè)方向的節(jié)點(diǎn)矢量，均勻劃分采樣網(wǎng)格，設(shè)置步長(zhǎng)，生成節(jié)點(diǎn)，以節(jié)點(diǎn)作為曲面檢測(cè)點(diǎn)。檢測(cè)點(diǎn)確定后，定義surf為曲面變量，pt（200）為測(cè)點(diǎn)變量，fxl（3）為檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)檢測(cè)曲面的法向矢量，qxlu（3）為檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)檢測(cè)曲面的U向切向矢量，qxlv（3）為檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)于檢測(cè)曲面的V向切向矢量。編寫(xiě)檢測(cè)點(diǎn)信息讀取程序，調(diào)用函數(shù)IDENT，選取檢測(cè)曲面和檢測(cè)點(diǎn)，保存變量，用FETCH和READ命令讀取檢測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。調(diào)用函數(shù)SPARF，求取檢測(cè)點(diǎn)U、V參數(shù)值。調(diào)用函數(shù)SNORF，求取檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)于檢測(cè)曲面的法向矢量。調(diào)用函數(shù)SDDUF，求取檢測(cè)曲面在U向的切向矢量。調(diào)用函數(shù)SDDVF，求取檢測(cè)曲面在V向的切向矢量。調(diào)用函數(shù)IF、JUMP循環(huán)語(yǔ)句，重復(fù)上述操作，待檢測(cè)曲面所有檢測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)、法向矢量、切向矢量信息獲取后，用PRINT語(yǔ)句以*.txt格式輸出到列表，檢測(cè)曲面檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息提取完畢。

2.2 檢測(cè)路徑規(guī)劃及NC代碼的生成

曲面檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息提取后，利用軟件MATLAB 2016讀取檢測(cè)點(diǎn)信息，按照測(cè)頭沿檢測(cè)點(diǎn)法向矢量檢測(cè)的原則，規(guī)劃三軸聯(lián)動(dòng)加工中心在線檢測(cè)路徑。在線檢測(cè)路徑規(guī)劃完成后，根據(jù)建立的三軸聯(lián)動(dòng)加工中心運(yùn)動(dòng)模型，編制后置處理程序，生成NC檢測(cè)代碼，并把NC檢測(cè)代碼傳輸給加工中心，加工中心驅(qū)動(dòng)測(cè)頭按照規(guī)劃的檢測(cè)路徑運(yùn)動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)加工中心對(duì)零件的在線檢測(cè)。為實(shí)現(xiàn)上述功能，在二次開(kāi)發(fā)中，筆者對(duì)編制的MATLAB 2016源程序進(jìn)行了打包處理，并以*.dll的文件格式進(jìn)行了保存。在UG10.0環(huán)境下，通過(guò)UG/Open Menu Script開(kāi)放的端口函數(shù)，用*.men文件對(duì)編制的MATLAB 2016源程序*.dll文件進(jìn)行了調(diào)用，使MATLAB 2016與UG10.0在程序調(diào)用和數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換間實(shí)現(xiàn)了對(duì)接［11］。

2.3 檢測(cè)仿真

為避免干涉，在線檢測(cè)前需要調(diào)用VERICUT8.0對(duì)檢測(cè)路徑進(jìn)行仿真。為實(shí)現(xiàn)上述功能，通過(guò)新建系統(tǒng)環(huán)境變量，增設(shè)VERICUT8.0程序運(yùn)行圖標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了UG10.0與VIRECUT8.0的無(wú)縫連接。具體操作過(guò)程為：在電腦屬性中打開(kāi)系統(tǒng)屬性對(duì)話框，選擇高級(jí)，新建系統(tǒng)變量CGTECH_INSTALL，輸入變量值D：Program Filesvericut 8.0VERICUT，點(diǎn)擊確定；新建系統(tǒng)變量CGTECH_PRODUCTS，輸入變量值D：Program Filesvericut 8.0VERICUTwindows64，點(diǎn)擊確定；新建系統(tǒng)變量LSERVOPTS， 輸入變量值-s"C：ProgramDataCGTechlicensecgtech.lf"，點(diǎn)擊確定；新建系統(tǒng)變量LSHOST，輸入變量值GYZX6-PC，點(diǎn)擊確定；新建變量UGII_VENDOR_DIR，輸入變量值D：ProgramFilesvericut8.0VERICUTwindows64 xNX10english，點(diǎn)擊確定。通過(guò)新建上述系統(tǒng)變量，并賦值，就使UG10.0與VIRECUT8.0實(shí)現(xiàn)了對(duì)接。新建系統(tǒng)環(huán)境變量如圖2所示。具體使用時(shí)，打開(kāi)UG10.0進(jìn)入加工環(huán)境，在工具條上單擊VERICUT8.0圖標(biāo)，進(jìn)入VERICUT8.0界面，就可以對(duì)檢測(cè)路徑進(jìn)行仿真、優(yōu)化。

▲圖2 新建系統(tǒng)環(huán)境變量

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于UG NX 10.0二次開(kāi)發(fā)的數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)的可行性和有效性，筆者在三軸數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。具體過(guò)程為，在UG NX 10.0中創(chuàng)建檢測(cè)零件CAD模型，用UG/Open GRIP選取檢測(cè)曲面，確定檢測(cè)點(diǎn)，調(diào)用相應(yīng)函數(shù)，提取檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)矢量信息，并保存。檢測(cè)零件曲面測(cè)點(diǎn)分布如圖3所示。檢測(cè)點(diǎn)信息提取后，在UG10.0環(huán)境下調(diào)用MATLAB 2016軟件，讀取檢測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)、法向矢量、切向矢量信息，自動(dòng)規(guī)劃?rùn)z測(cè)路徑，路徑規(guī)劃好后，設(shè)置測(cè)頭半徑、進(jìn)給率、定位距離，后置處理程序生成在線檢測(cè)NC代碼，保存到指定文件夾路徑位置。在UG NX 10.0環(huán)境下啟動(dòng)軟件VERICUT8.0，根據(jù)加工中心和檢測(cè)零件模型，讀取在線檢測(cè)NC代碼，對(duì)在線檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行仿真，仿真無(wú)誤后，將在線檢測(cè)NC代碼導(dǎo)入加工中心，加工中心驅(qū)動(dòng)測(cè)頭對(duì)零件進(jìn)行在線檢測(cè)，加工中心接收到的檢測(cè)程序如圖4所示。

▲圖3 檢測(cè)零件曲面測(cè)點(diǎn)分布

▲圖4 加工中心接收的檢測(cè)程序

試驗(yàn)中，筆者對(duì)檢測(cè)零件曲面上五個(gè)測(cè)點(diǎn)的在線檢測(cè)數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示，基于UG NX 10.0二次開(kāi)發(fā)的數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)的最大誤差為0.05 mm?？紤]到檢測(cè)零件二次裝夾定位中產(chǎn)生的測(cè)量系統(tǒng)誤差的存在，筆者認(rèn)為基于UG NX 10.0二次開(kāi)發(fā)的數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)是可行有效的。曲面零件在線檢測(cè)如圖5所示，曲面零件三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)如圖6所示，曲面零件五個(gè)測(cè)點(diǎn)的在線檢測(cè)數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)的比較見(jiàn)表1。

▲圖5 曲面零件在線檢測(cè)

▲圖6 曲面零件三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)

表1 曲面零件五個(gè)測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)比較mm

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)UG/OpenGRIP、UG/OpenMenu Script等UG二次開(kāi)發(fā)工具，將軟件MATLAB 2016和VERICUT8.0與UG NX 10.0軟件進(jìn)行了有效集成，在UG NX 10.0環(huán)境下，通過(guò)MATLAB 2016、VERICUT8.0與UG NX 10.0之間的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了加工中心對(duì)加工零件的在線檢測(cè)，有效提高了精密復(fù)雜零件數(shù)控加工質(zhì)量和效率，也為精密復(fù)雜零件“加工-檢測(cè)-補(bǔ)償加工”一體化制造提供了參考依據(jù)。