基于NX CMM的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)離線編程技術(shù)研究

楊林林，譚駿，王濤

中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所

1 引言

隨著CAD/CAM技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械產(chǎn)品的研制已逐漸由基于二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)制造模式向基于模型定義(Model Based Definition，MBD)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造模式發(fā)展，特別是航空業(yè)中(如美國(guó)波音公司和洛克西德馬丁公司等)利用MBD技術(shù)大幅提高了飛機(jī)研制的效率及質(zhì)量[1-4]，例如美國(guó)波音公司應(yīng)用MBD技術(shù)研發(fā)波音787飛機(jī)，使研制周期縮短40%以上。

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)及制造技術(shù)在提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造質(zhì)量與效率方面已初顯成效，但下游檢測(cè)環(huán)節(jié)仍以二維工程圖與手工作業(yè)結(jié)合的方式為主，檢測(cè)信息提取困難，數(shù)字化程度較低，特別對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量而言，目前仍普遍采用人工示教和手動(dòng)編程的檢測(cè)模式，編程效率低，程序通用性差[5-7]。

MBD技術(shù)改變了產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造信息的傳遞方式，以MBD模型取代二維工程圖作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的唯一數(shù)據(jù)源，方便設(shè)計(jì)、工藝、制造和檢測(cè)等部門(mén)協(xié)作，為企業(yè)向數(shù)字化、信息化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)提供支撐。因此，開(kāi)展MBD數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)的研究，提高坐標(biāo)測(cè)量機(jī)編程效率及程序的通用性，對(duì)提升制造業(yè)數(shù)字化檢測(cè)水平具有理論及現(xiàn)實(shí)意義[8-14]。

本文依托NX CMM工業(yè)化軟件平臺(tái)，開(kāi)展坐標(biāo)測(cè)量機(jī)離線編程技術(shù)研究，建立MBD檢測(cè)模型的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)高效編程方法，并將該方法應(yīng)用于試驗(yàn)件檢測(cè)。結(jié)果表明，該方法能有效提高編程效率，程序正確性及安全性均得到有效驗(yàn)證。

2 基于NX CMM模塊的檢測(cè)程序編程

NX軟件是Siemens公司的數(shù)字化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)軟件，集成了CAD/CAE/CAM多個(gè)模塊，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造的各個(gè)領(lǐng)域。NX CMM模塊是NX 軟件中的檢測(cè)子模塊，提供了完整的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)程序編程的解決方案。利用NX CMM檢測(cè)模塊編制檢測(cè)程序，充分利用MBD檢測(cè)模型中檢測(cè)特征及GD&T信息，可以高效創(chuàng)建檢測(cè)程序。此外，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)可對(duì)檢測(cè)程序進(jìn)行仿真分析，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的碰撞干涉，優(yōu)化檢測(cè)路徑，從而確保程序能夠正確安全執(zhí)行。NX CMM測(cè)量模塊的編程流程見(jiàn)圖1。

圖1 編程流程

2.1 檢測(cè)模型的要求

利用NX CMM模塊編制檢測(cè)程序時(shí)需要?jiǎng)?chuàng)建并導(dǎo)入檢測(cè)模型。檢測(cè)模型通?？梢苑譃閮煞N類型：三維實(shí)體模型和MBD模型。其中，三維實(shí)體特征僅包含幾何特征及其拓?fù)潢P(guān)系；MBD模型是在三維實(shí)體模型上標(biāo)注幾何公差信息(GD&T)、材料信息及技術(shù)要求等產(chǎn)品制造信息(PMI)。檢測(cè)模型的創(chuàng)建應(yīng)符合GB/T 26099—2010《機(jī)械產(chǎn)品三維建模通用規(guī)則》和GB/T 38368—2019《產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范(GPS) 基于數(shù)字化模型的測(cè)量通用要求》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，按1:1比例建模，模型使用前應(yīng)經(jīng)過(guò)規(guī)范性、完整性及正確性檢查，可由設(shè)計(jì)模型或工藝模型轉(zhuǎn)換。

2.2 零件對(duì)準(zhǔn)

零件對(duì)準(zhǔn)是根據(jù)零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)或工藝基準(zhǔn)建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系，從而將編程坐標(biāo)系從機(jī)器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到工件坐標(biāo)系，一般采用三基面體系創(chuàng)建基準(zhǔn)坐標(biāo)。在創(chuàng)建基準(zhǔn)坐標(biāo)系時(shí)，應(yīng)盡量使用同一測(cè)頭完成所有基準(zhǔn)要素的測(cè)量，避免測(cè)頭定位誤差等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。

NX CMM模塊提供的零件對(duì)準(zhǔn)方式包括對(duì)齊和對(duì)齊助理，對(duì)齊功能需要手動(dòng)創(chuàng)建基準(zhǔn)要素及測(cè)量路徑，并創(chuàng)建基準(zhǔn)坐標(biāo)系，耗時(shí)較長(zhǎng)，但相對(duì)靈活；對(duì)齊助理可自動(dòng)完成基準(zhǔn)坐標(biāo)系的創(chuàng)建，但僅支持面-面-面、面-線-點(diǎn)和面-圓柱-圓柱三種方式創(chuàng)建。

2.3 創(chuàng)建檢測(cè)特征及公差

零件的檢測(cè)模型是由點(diǎn)、直線、面等基本幾何特征構(gòu)成，基于檢測(cè)模型的編程可以直接從模型中提取檢測(cè)特征理論參數(shù)。NX CMM中支持的檢測(cè)特征及公差在尺寸檢測(cè)接口標(biāo)準(zhǔn)(DMIS)中均有定義，包括點(diǎn)、直線、曲線、弧、圓、平面、圓柱、曲面、球等。對(duì)于三維實(shí)體模型，NX CMM中需要手動(dòng)創(chuàng)建檢測(cè)特征并添加公差信息；對(duì)于MBD檢測(cè)模型，由于模型中附帶PMI信息，通過(guò)NX CMM中的“鏈接到PMI”功能可自動(dòng)完成檢測(cè)特征及幾何公差的識(shí)別及提取。

2.4 創(chuàng)建檢測(cè)程序

檢測(cè)程序創(chuàng)建主要根據(jù)檢測(cè)特征創(chuàng)建檢測(cè)路徑，包括傳感器定義、測(cè)量點(diǎn)數(shù)及分布設(shè)置、測(cè)量路徑規(guī)劃等。其中，傳感器設(shè)置是對(duì)傳感器測(cè)針進(jìn)行設(shè)置，旋轉(zhuǎn)式測(cè)頭需要根據(jù)檢測(cè)特征的法向規(guī)劃測(cè)針的A角與B角，固定式測(cè)頭可以使用星型測(cè)針；測(cè)量點(diǎn)數(shù)及分布設(shè)置應(yīng)根據(jù)檢測(cè)特征進(jìn)行規(guī)劃，影響測(cè)量點(diǎn)數(shù)的因素包括檢測(cè)特征尺寸、精度要求及形位公差要求等；測(cè)量路徑規(guī)劃還需對(duì)測(cè)針的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行合理規(guī)劃，在不發(fā)生碰撞的前提下，測(cè)量路徑越短，檢測(cè)時(shí)間越短。

2.5 檢測(cè)程序虛擬仿真

因上述步驟創(chuàng)建的檢測(cè)程序正確性及安全性未得到驗(yàn)證，若直接將測(cè)量程序下傳到坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上執(zhí)行，容易發(fā)生測(cè)頭碰撞和工件劃傷等危險(xiǎn)。利用NX CMM中的機(jī)床仿真功能可以對(duì)整個(gè)檢測(cè)刀軌進(jìn)行全流程仿真分析，提前發(fā)現(xiàn)并記錄檢測(cè)刀軌中存在的碰撞、運(yùn)動(dòng)軸超程等問(wèn)題，從而通過(guò)設(shè)置碰撞避讓策略(如設(shè)置安全平面、安全距離、新建傳感器、更改探頭角度和在刀軌內(nèi)插入過(guò)渡點(diǎn)等)進(jìn)一步調(diào)整檢測(cè)參數(shù)，優(yōu)化檢測(cè)路徑和消除碰撞等問(wèn)題，以確保檢測(cè)程序下傳至坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上正確、安全高效執(zhí)行。

2.6 程序后處理

不同廠商的測(cè)量設(shè)備所用的測(cè)量軟件不同，由于不同軟件的編程方式及語(yǔ)法規(guī)則不同，程序無(wú)法通用，同一零件需要編制多份檢測(cè)程序，耗費(fèi)大量時(shí)間且不便于程序管理。后處理技術(shù)可將同一份檢測(cè)程序根據(jù)DMIS標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為尺寸測(cè)量設(shè)備(DME)通用的DMIS程序。NX CMM模塊中提供了包括DMIS3.0、DMIS5.2、MCOSMOS V4.0和PC-DMIS等多種后處理器，根據(jù)測(cè)量設(shè)備所支持的DMIS標(biāo)準(zhǔn)可將同一份檢測(cè)程序轉(zhuǎn)化為不同坐標(biāo)測(cè)量機(jī)能識(shí)別的代碼，大大提高了程序的通用性，減少重復(fù)編程花費(fèi)的時(shí)間與精力。

3 編程實(shí)驗(yàn)

本文以圖2所示的試驗(yàn)件為例，介紹利用西門(mén)子工業(yè)軟件NX12.0中 CMM模塊快速完成檢測(cè)程序的編制，對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)使用PH10MQ測(cè)座，TP200的測(cè)頭與直徑為4mm的紅寶石測(cè)針，按照上述編程完成檢測(cè)程序的編制。

(a)MBD檢測(cè)模型

(1)根據(jù)零件二維圖紙信息創(chuàng)建MBD檢測(cè)模型。根據(jù)圖紙中的檢測(cè)信息，利用NX 中的PMI標(biāo)注功能在三維模型上完成GD&T、基準(zhǔn)等信息的標(biāo)注。若由設(shè)計(jì)模型或工藝模型轉(zhuǎn)化時(shí)，需要去除多余的標(biāo)注信息，僅保留與待測(cè)信息相關(guān)的PMI標(biāo)注。

(2)調(diào)用CMM模型。在機(jī)床視圖中，按照調(diào)用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、調(diào)用測(cè)座、調(diào)用測(cè)針的順序，從CMM庫(kù)中調(diào)用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的三維數(shù)字化模型。如果CMM庫(kù)中沒(méi)有與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相符合的設(shè)備模型，可以使用機(jī)床構(gòu)造器自建設(shè)備模型，并完成機(jī)床運(yùn)動(dòng)鏈搭建。

(3)使用對(duì)齊助手創(chuàng)建基準(zhǔn)元素的測(cè)量路徑以及基準(zhǔn)坐標(biāo)系。

(4)創(chuàng)建檢測(cè)路徑。為避免自動(dòng)創(chuàng)建的檢測(cè)路徑中使用過(guò)多的傳感器而影響測(cè)量效率，可預(yù)先定義傳感器參數(shù)，包括傳感器測(cè)頭與A角和B角，然后在創(chuàng)建路徑時(shí)指定傳感器角度。預(yù)先定義測(cè)量方法，針對(duì)不同的檢測(cè)特征，設(shè)置測(cè)量點(diǎn)數(shù)以及布點(diǎn)規(guī)則，接近距離與回退距離以及分析模式。

(5)使用“鏈接至PMI”功能。根據(jù)PMI所標(biāo)注的GD&T信息，自動(dòng)提取檢測(cè)特征及公差，自動(dòng)創(chuàng)建檢測(cè)路徑。

(6)選擇全部檢測(cè)程序，進(jìn)行程序仿真。仿真時(shí)，打開(kāi)碰撞檢測(cè)開(kāi)關(guān)，設(shè)置碰撞檢測(cè)的碰撞對(duì)。碰撞對(duì)一般設(shè)為測(cè)針與工件、測(cè)針與測(cè)量機(jī)工作臺(tái)等，當(dāng)仿真過(guò)程發(fā)生碰撞、坐標(biāo)軸超程等錯(cuò)誤時(shí)，程序中斷并給出提示。

(7)設(shè)置碰撞避讓策略。碰撞避讓策略包括制定安全平面、設(shè)置安全距離和插入過(guò)渡點(diǎn)等，對(duì)上述檢測(cè)路徑進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，并對(duì)調(diào)整后的程序重新進(jìn)行仿真，查看所有的碰撞問(wèn)題是否全部消除。

(8)定義測(cè)量本項(xiàng)目所使用的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)支持的DMIS5.2版本語(yǔ)法。選擇DMIS5.2的后處理器將檢測(cè)路徑轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的DMIS程序，程序仿真無(wú)異常后，下傳到坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上，檢查各項(xiàng)參數(shù)無(wú)誤后，可驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)執(zhí)行檢測(cè)任務(wù)，并在測(cè)量完成后輸出結(jié)果。

編程完成后，將程序下傳到坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上，按實(shí)際坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的配置(測(cè)頭名稱、參數(shù)等)對(duì)上述離線編制的檢測(cè)程序進(jìn)行調(diào)整，驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)根據(jù)仿真路徑對(duì)零件進(jìn)行檢測(cè)，從而大幅提高該零件的編程及檢測(cè)效率。部分檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)件測(cè)量結(jié)果 (mm)

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了MBD的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)編程技術(shù)，依托NX CMM檢測(cè)模塊提出了一種高效、通用的離線編程方法，并應(yīng)用于復(fù)雜零件的幾何參數(shù)檢測(cè)。與傳統(tǒng)的自學(xué)習(xí)和手工編程方法相比，該方法充分利用MBD模型上所附加的幾何信息，快速完成檢測(cè)程序準(zhǔn)備，有利于提高檢測(cè)數(shù)字化水平。