面向制造流程的檢測過程精確仿真技術(shù)研究

劉 靜 武 瓊 馬 飛

（成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，四川 成都 610073）

高質(zhì)量產(chǎn)品的制造不僅需要有高精度的制造加工設(shè)備，同時更需要高精度的檢測設(shè)備來保障，因此，坐標測量機（CMM）也逐漸成為機械制造業(yè)特別是自動化生產(chǎn)中實現(xiàn)質(zhì)量控制的主導檢測設(shè)備。但傳統(tǒng)的CMM自學習測量模式和人工編程測量模式已經(jīng)制約了CMM測量功能的發(fā)揮，研究能夠適應(yīng)現(xiàn)代化工廠的CMM自動化檢測技術(shù)成為必然趨勢[1?2]，而測量過程精確仿真技術(shù)更是實現(xiàn)自動化檢測技術(shù)的核心內(nèi)容。

目前，國內(nèi)外在三坐標測量機自動化檢測技術(shù)的研究仍處在發(fā)展階段，國內(nèi)外將大量精力投入于測量機的測量規(guī)劃系統(tǒng)的開發(fā)[3?5]，現(xiàn)有的測量規(guī)劃系統(tǒng)一般都已具有圖形顯示與操作功能，在工件數(shù)模上按測量需求規(guī)劃出測量路徑，并按照規(guī)劃好的測量路徑模擬測頭運動，但對測量仿真研究較少。高國軍等[6]通過被測工件CAD模型生成測量軌跡APT文件，利用數(shù)控加工過程的NC驗證環(huán)境對測量軌跡APT文件進行驗證，有效地對測量過程進行了仿真。潘金川等[7]利用虛擬裝配仿真技術(shù)快速地實現(xiàn)對軌跡規(guī)劃結(jié)果仿真。上述方法，側(cè)重于檢測軌跡規(guī)劃和碰撞檢查的基礎(chǔ)算法研究，且被測工件模型也只基于理論模型，只適用對工件的終檢，無法滿足制造企業(yè)為避免完工后再進行大量返工而在制造流程中引入中間檢測的需求。另一方面，對制造過程中的工件進行檢測往往需要考慮裝夾等因素，目前檢測仿真技術(shù)無法滿足對制造過程中的工件自動化檢測時真實裝夾狀態(tài)模擬的需求。

因此，為發(fā)現(xiàn)自動化測量離線編程中的問題，預(yù)先避免直接操作實體可能造成事故和不必要的損失，本文提出了面向制造過程的檢測過程精確仿真方法。首先，利用PC-DMIS軟件對工件CAD模型進行測量程序離線編程，對工件進行測量軌跡規(guī)劃，生成待仿真DMIS程序；其次，通過建立測量機運動學模型庫及測頭庫、配置控制系統(tǒng)、構(gòu)建DMIS語言與G代碼映射關(guān)系，建立起測量機仿真環(huán)境；最后，基于VERICUT在加工過程仿真工位后建立測量過程仿真，通過工位間毛坯的繼承關(guān)系，實現(xiàn)面向制造過程的自動化檢測過程精確仿真。如圖1為本文內(nèi)容邏輯結(jié)構(gòu)圖。

圖1 本文內(nèi)容邏輯結(jié)構(gòu)圖

1 基于PC-DMIS的測量過程離線編程

利用PC-DMIS脫機軟件進行測量程序離線編程是減少測量占機時間、提高測量效率和有效緩解測量壓力的有力手段，其基于被測工件CAD模型與測量點位數(shù)據(jù)在工藝前端完成測量程序編程，后端測量機直接調(diào)用測量程序完成測量任務(wù)，從而可實現(xiàn)三坐標測量機自動化檢測。離線編程前，首先設(shè)計自動化測量方案，包括測量基準的選擇，測量點位設(shè)計，測頭及測量機選擇。

在基于被測工件CAD模型的CMM檢測中，檢測路徑的生成是在測量點位確定以后，導入測量點數(shù)據(jù)，根據(jù)檢測點的位置、被測表面在被測點處的法矢、檢測次序生成檢測路徑。有關(guān)PC-DMIS離線編程可參考文獻[8?10]。PC-DMIS離線編程具體操作流程如圖2所示。

圖2 脫機編程流程

2 面向制造流程的檢測過程精確仿真

針對目前對數(shù)控加工過程NC仿真的研究比較成熟，但專門針對CMM檢測過程仿真的軟件系統(tǒng)不多且不成熟的現(xiàn)狀，利用數(shù)控加工過程與CMM檢測過程在運動上的相似性，構(gòu)建基于VERICUT軟件的坐標測量機仿真環(huán)境，建立加工仿真工位和測量仿真工位對坐標測量機檢測路徑進行精確仿真。

2.1 三坐標測量機仿真環(huán)境構(gòu)建

VERICUT仿真軟件（簡稱：VT）能夠自定義與實際機床相匹配的仿真機床結(jié)構(gòu)、刀具結(jié)構(gòu)，定義刀具安裝位置，以及自定義控制系統(tǒng)，能夠模擬機床真實的運動過程?；赩T軟件的坐標測量機仿真環(huán)境構(gòu)建主要包括測量機運動學模型的配置、測量機控制系統(tǒng)配置及測頭庫的配置3部分內(nèi)容。

首先，搭建坐標測量機模型。將測量機三維裝配模型的固定部件與各主要運動部件拆分并導出為.STL文件，固定部件包括：床身；運動部件包括：X驅(qū)動軸、Y驅(qū)動軸和Z驅(qū)動軸；在VT機床樹中依次導入床身、Y軸、X軸和Z軸，并建立各部件間的關(guān)聯(lián)，從而建立起測量機運動學仿真機床模型，如圖3所示。

圖3 測量機運動學仿真機床模型建立

坐標測量機是通過測頭系統(tǒng)接觸工件來拾取信號，測頭系統(tǒng)主要包括：測座、測針。其中測座根據(jù)被測工件類型選擇適當類型，以雷尼紹PH10M為例，A角旋轉(zhuǎn)范圍0～105°，B角旋轉(zhuǎn)范圍±180°。在Z軸樹中依次導入運動部件A旋轉(zhuǎn)、C旋轉(zhuǎn)，從而在機床中配置了測座系統(tǒng)。

其次，在測量過程仿真中測頭的運動相當于數(shù)控加工NC仿真中的刀具運動，因此，利用VT刀具管理器對測頭庫進行配置，根據(jù)實際情況建立不同測針型號的仿真模型，以便仿真中進行測針調(diào)用。

最后，自定義仿真控制系統(tǒng)。VT軟件并不支持測量程序指令（DMIS語言），為實現(xiàn)仿真軟件支持測量程序，首先將DMIS語言進行篩選分類為面向幾何結(jié)構(gòu)的定義語句和面向過程的命令語句，如圖4所示。

圖4 DMIS一般程序結(jié)構(gòu)

將對運動軌跡沒有直接影響的面向幾何結(jié)構(gòu)的定義語句隔離。對于直接影響運行軌跡的面向過程的命令語句，通過自定義子程序建立DMIS語言與G代碼的映射關(guān)系，完成參數(shù)傳遞、運動過程重構(gòu)和檢測過程重構(gòu)。

測量軌跡運動參數(shù)包括：安全平面、定位速度、觸測速度、逼近距離、回退距離、搜索距離及深入距離等。為了便于程序管理，將DMIS語句參數(shù)前的字通過VT字替換功能替換為對應(yīng)子程序名，參數(shù)提取后，將參數(shù)存入提前定義的變量中供重構(gòu)測量軌跡使用，如表1所示。

表1 運動參數(shù)傳遞表

測量運動過程主要包括：定點運動、點測量和孔測量，這3種基礎(chǔ)運動組合能夠完成復(fù)雜的檢測項目，如圖5所示。

圖5 基礎(chǔ)檢測運動機理

定點運動即：測頭從某中間定位點（X1，Y1，Z1）到達另一中間定位點（X2，Y2，Z2）的過程。點測量過程即：測頭以“定位速度V1”移向特征，當距離工件為“逼近距離Dis2”時更改為“觸測速度V2”觸測工件，觸測完畢后，以“觸測速度V2”回退一個“回退距離Dis3”，以“定位速度V1”移向下一個特征；孔測量過程即：測頭按角矢量對特征實施多次點測量的過程。深入分析運動規(guī)律，結(jié)合檢測點位和運動參數(shù)變量，利用G代碼指令重構(gòu)運動過程，如圖6為點測量G代碼映射程序。

圖6 點測量G代碼映射程序

在配置測量機控制系統(tǒng)時，將映射關(guān)系子程序納入待調(diào)用子程序列表。當程序仿真運行時，自動調(diào)用DMIS語言對應(yīng)G代碼解釋子程序，解決了VERICUT仿真時無法識別DMIS語言的問題。

2.2 基于VERICUT的檢測過程精確仿真

本文以VT平臺對測量過程進行精確仿真，將NC加工程序仿真與測量程序仿真集成到同一平臺，通過加工毛坯在工位之間的繼承性，可以實現(xiàn)工件在加工過程中的測量仿真，打破了目前測量過程仿真只能在工件終檢進行的局限，仿真過程搭建如圖7所示。

圖7 檢測過程仿真搭建

檢測過程仿真是實際三坐標測量機運動檢測過程在計算機上的本質(zhì)體現(xiàn)，完成測量程序編程后，需要保證程序路徑合理、可靠，即在測頭的移動中不與工件或夾具發(fā)生碰撞、測量機運行過程不超程。面向制造過程的自動化檢測過程精確仿真具體實現(xiàn)步驟如下。機加工位：

步驟1：設(shè)置加工仿真機床及控制文件；

步驟2：定義工件毛坯及夾具，調(diào)整裝夾狀態(tài)至合適位置；

步驟3：加載NC加工刀軌文件；

步驟4：配置加工刀庫；

步驟5：進行切削仿真；檢測工位：

步驟6：設(shè)置測量仿真機床及控制文件；

步驟7：定義夾具，調(diào)整裝夾狀態(tài)至合適位置；

步驟8：加載測量過程程序文件；

步驟9：配置測頭庫；

步驟10：進行測量過程仿真；

VT廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床加工仿真，并能得到精確的零件加工最終狀態(tài)模型。以VT平臺對測量過程進行精確仿真，其優(yōu)勢在于，在加工仿真之后，可直接對本加工工序工件過程狀態(tài)進行測量仿真，解決了目前測量過程仿真獲取工序過程狀態(tài)難從而無法較真實的模擬測量環(huán)境的問題。

3 應(yīng)用驗證與分析

采用本文提出的測量過程仿真方法，在某航空結(jié)構(gòu)件上進行了驗證，被測工件如圖8所示。利用工件模型與測量點位數(shù)據(jù)，由PC-DMIS規(guī)劃測量軌跡，直接生成測量程序?qū)ぜ庑翁卣鬟M行檢測。表2所示列出的是某航空結(jié)構(gòu)件檢測軌跡上的部分測量點坐標及其法矢，利用PC-DMIS軟件規(guī)劃生成的部分測量程序如表3所示。

表2 某測量部位測量點信息

表3 部分DMIS測量程序

圖8 被測工件

基于VT進行NC加工過程仿真與測量過程仿真，加工共設(shè)4個仿真工位，JG-1和JG-2為粗加工工位，JG-3為精銑第一面工位，JG-4為精銑第二面工位，在第二面精銑JG-4工位后設(shè)置第一面檢測仿真工位JC-1。數(shù)控加工仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 VERICUT加工過程仿真與仿真結(jié)果

通過工件毛坯的繼承關(guān)系，對工件制造中間狀態(tài)進行測量過程仿真，測量過程仿真軌跡如圖10所示，測量仿真結(jié)果顯示測頭與余料有多處干涉，其中A處碰撞原因為測量點設(shè)計問題，測量點位置與凸臺位置干涉；B處碰撞原因為回退距離太大，測量過程參數(shù)設(shè)置不合理。

通過VERICUT測量過程仿真結(jié)果，對測量點位設(shè)計及測量過程參數(shù)進行優(yōu)化，避免了直接操作實體可能造成的事故和不必要的損失，優(yōu)化后的測量過程仿真軌跡如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后測量過程仿真結(jié)果

4 結(jié)語

本文提出了一種面向制造過程的自動化檢測過程精確仿真方法，全面考慮了真實測量環(huán)境，包括工件加工剩余狀態(tài)、裝夾及測量機配置，給出了仿真實現(xiàn)方法，并將其應(yīng)用于產(chǎn)品的檢測過程中。產(chǎn)品應(yīng)用結(jié)果表明，本文提出的仿真方法能夠利用坐標測量機的虛擬原型在計算機上對檢測過程進行模擬，讓測量的過程直觀化，考察在檢測方案設(shè)計及檢測過程中可能出現(xiàn)的問題，以便對存在的問題及早地加以修改，對提高坐標測量機檢測效率、降低檢測成本、減少工件和測量機的損失等具有重要意義。