李 翔，吳 莉，陳曉波，習(xí)俊通

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

?

基于模型的加工中心計(jì)算機(jī)輔助在機(jī)測(cè)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(dòng)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(cè)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(cè)精度及檢測(cè)效率，提出基于模型特征的計(jì)算機(jī)輔助接觸式在機(jī)測(cè)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(cè)特征識(shí)別與提取系統(tǒng)。為了提高測(cè)量精度研究了測(cè)球半徑補(bǔ)償方法，分析了基于特征的測(cè)點(diǎn)選擇及測(cè)量宏程序編制。利用opencascade幾何造型內(nèi)核在Qt平臺(tái)上開發(fā)了原型系統(tǒng)，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋定位圓柱孔的在機(jī)檢測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證了所建立系統(tǒng)的有效性。

在機(jī)測(cè)量；特征識(shí)別與提??；半徑補(bǔ)償；測(cè)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(lái)越高，加工質(zhì)量的檢測(cè)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(cè)量機(jī)進(jìn)行尺寸測(cè)量，這不僅耗費(fèi)更多的時(shí)間，而且工件若需要再次進(jìn)行加工又會(huì)引入二次裝夾定位誤差。

在機(jī)測(cè)量(OMM)由于在制造加工過程中直接對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量，已經(jīng)成為自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中重要的一部分[1]。隨著觸發(fā)式測(cè)頭在機(jī)床上的應(yīng)用，通過將測(cè)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(cè)頭，直接在數(shù)控加工中心上完成對(duì)工件的測(cè)量[2]。使用機(jī)床作為檢測(cè)裝置不僅節(jié)省了時(shí)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(cè)量的優(yōu)勢(shì)變得尤為突出[3]。

計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)規(guī)劃(CAIP)包含自動(dòng)或半自動(dòng)的基于三維CAD特征識(shí)別與提取、采樣策略和碰撞規(guī)避等。國(guó)內(nèi)外對(duì)計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)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(cè)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(cè)規(guī)劃系統(tǒng)用以生成檢測(cè)規(guī)劃。李鐵剛[6]研究了結(jié)構(gòu)件在機(jī)檢測(cè)技術(shù)，提出了基于STEP的集成結(jié)構(gòu)件在機(jī)檢測(cè)流程。Lee[7]提出了基于特征建模和特征識(shí)別的幾何建模系統(tǒng)，利用特征的幾何信息對(duì)模型進(jìn)行特征提取，從CAD中提取待檢測(cè)特征的幾何信息進(jìn)行檢測(cè)規(guī)劃。綜上，對(duì)于在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行測(cè)量已經(jīng)有了較為成熟的策略。但是對(duì)于數(shù)控機(jī)床尤其是五軸數(shù)控加工中心的在機(jī)測(cè)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(cè)量和計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量相結(jié)合，提出了通用的數(shù)控加工中心在機(jī)測(cè)量技術(shù)方案，研究了模型特征提取、測(cè)球半徑補(bǔ)償及測(cè)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(cè)量原型系統(tǒng)。

1 基于全局和局部的兩步檢測(cè)規(guī)劃

在機(jī)測(cè)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(cè)量工序和工步的內(nèi)容，輸出測(cè)量程序，完成測(cè)量任務(wù)。如圖1所示的檢測(cè)規(guī)劃流程圖，對(duì)工件的測(cè)量規(guī)劃將分為全局檢測(cè)規(guī)劃和局部檢測(cè)規(guī)劃兩步進(jìn)行。

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

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

在局部在機(jī)測(cè)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(cè)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(cè)量路徑。編制測(cè)量宏程序?qū)Σ煌卣鬟M(jìn)行分類測(cè)量，實(shí)際使用時(shí)只需調(diào)用并給相應(yīng)變量進(jìn)行賦值。

全局在機(jī)測(cè)量規(guī)劃主要明確待測(cè)工件及待測(cè)特征，局部在機(jī)測(cè)量規(guī)劃主要考慮各特征的測(cè)量規(guī)劃，兩者共同組成了基于特征的計(jì)算機(jī)輔助在機(jī)測(cè)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(jì)的零件模型進(jìn)行特征提取與識(shí)別，通過對(duì)零件模型的STEP文件分析，特征提取與識(shí)別算法可以獲得零件的特征幾何信息(面，線，點(diǎn)等)并對(duì)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(shí)別。用提取到的CAD模型特征信息設(shè)計(jì)檢測(cè)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(duì)這些基本特征進(jìn)行檢測(cè)是質(zhì)量評(píng)價(jià)的需求。需要獲得特征的基本參數(shù)才能對(duì)基本特征進(jìn)行檢測(cè)規(guī)劃，因此特征識(shí)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(duì)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(cè)量特征后系統(tǒng)進(jìn)行特征識(shí)別，若選擇正確則依據(jù)表1提取特征信息，若選擇錯(cuò)誤則提示用戶重新選擇。本系統(tǒng)對(duì)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(shí)別及特征參數(shù)提取，提取特征參數(shù)后進(jìn)行檢測(cè)規(guī)劃，生成檢測(cè)宏程序，最終實(shí)現(xiàn)在機(jī)測(cè)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(chǔ)在計(jì)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(chǔ)構(gòu)成實(shí)體的面、線、點(diǎn)以及之間的拓?fù)潢P(guān)系來(lái)存儲(chǔ)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的基本特征的參數(shù)進(jìn)行提取。通過CATIA軟件對(duì)發(fā)動(dòng)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(shí)別與提取軟件，采用如上所述方法對(duì)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(dòng)機(jī)缸蓋的基本特征的幾何參數(shù)提取

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋燃燒室?guī)讉€(gè)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(shí)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(shí)的設(shè)計(jì)尺寸相吻合。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋燃燒室特征提取結(jié)果

2.2 測(cè)頭半徑補(bǔ)償

在接觸式測(cè)量中，由于測(cè)頭測(cè)量時(shí)得到的是測(cè)球中心的坐標(biāo)值而不是被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，為得到測(cè)點(diǎn)準(zhǔn)確的坐標(biāo)值，需要進(jìn)行測(cè)頭半徑補(bǔ)償。對(duì)于平面來(lái)說，接觸點(diǎn)和測(cè)球球心存在一個(gè)測(cè)球半徑的偏差，當(dāng)沿著平面的法矢方向進(jìn)行測(cè)量時(shí)，接觸點(diǎn)坐標(biāo)即為球心坐標(biāo)加上測(cè)球半徑。但在進(jìn)行曲面測(cè)量時(shí)，情況較為復(fù)雜。如圖4 所示，如果測(cè)頭沿著法矢方向進(jìn)行測(cè)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(duì)測(cè)頭進(jìn)行半徑補(bǔ)償。

測(cè)頭的半徑補(bǔ)償即根據(jù)測(cè)量時(shí)的觸測(cè)方向及數(shù)控系統(tǒng)記錄的測(cè)球中心坐標(biāo)點(diǎn)，求取測(cè)量表面接觸點(diǎn)坐標(biāo)。在被測(cè)曲面是連續(xù)光滑的情況下，并且滿足測(cè)頭半徑r的倒數(shù)大于凹型曲面的最大主曲率的條件時(shí)，則測(cè)球中心坐標(biāo)與被測(cè)曲面上各接觸點(diǎn)存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系[9]。有兩種主流的測(cè)頭半徑補(bǔ)償方法，第一種為，如圖4所示，只需要將測(cè)球中心點(diǎn)B往接觸點(diǎn)A的法矢方向偏移測(cè)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(cè)球中心構(gòu)成的曲面沿著檢測(cè)方向偏置測(cè)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(cè)量時(shí)測(cè)球的預(yù)行程誤差，可對(duì)測(cè)球半徑進(jìn)行標(biāo)定，采用ISO推薦的25點(diǎn)測(cè)球法對(duì)測(cè)頭半徑進(jìn)行校準(zhǔn)，求取等效半徑。

圖4 接觸式測(cè)頭半徑補(bǔ)償

通過導(dǎo)入零件STEP模型作為檢測(cè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)模型，只要能精確獲得測(cè)點(diǎn)位置的法矢，即可進(jìn)行測(cè)球半徑補(bǔ)償。測(cè)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(cè)量中接觸點(diǎn)A的坐標(biāo)，(x,y,z)為測(cè)球中心坐標(biāo)，R為測(cè)球等效半徑，n為測(cè)點(diǎn)處單位法矢。

2.3 基于特征的測(cè)點(diǎn)選擇及測(cè)量宏程序編制

在對(duì)零件的在機(jī)測(cè)量中，檢測(cè)程序通常需要針對(duì)待檢測(cè)特征進(jìn)行人工編制。進(jìn)行在機(jī)測(cè)量時(shí)引入數(shù)控宏程序，編寫基于基本特征的檢測(cè)宏程序，通過對(duì)宏程序賦值調(diào)用的方法，生成基于待檢測(cè)特征的測(cè)量程序，完成測(cè)量任務(wù)[10]。對(duì)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(cè)量效率。

基本體的測(cè)量包括常見的點(diǎn)、線、面、圓孔、圓柱、圓錐，凸臺(tái)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(duì)這些基本體分別開發(fā)出相應(yīng)的測(cè)量宏程序組成宏程序庫(kù)。圖5所示為測(cè)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(cè)量移動(dòng)，用O9814表示程序號(hào)，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(cè)量外圓時(shí)的絕對(duì)位置，M表示測(cè)量時(shí)測(cè)頭觸碰速度，S表示搜索距離。

圖5 內(nèi)孔或外圓測(cè)量示意圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文例舉發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋特征測(cè)量驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。如圖6所示的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)行數(shù)控加工后，對(duì)其定位圓柱孔特征進(jìn)行在機(jī)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果傳輸?shù)接?jì)算機(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(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)其制造精度及加工質(zhì)量，驗(yàn)證所提出的在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)可行性。

圖6 定位圓柱孔特征A、B、C

表3為對(duì)ABC三個(gè)定位孔進(jìn)行幾何信息提取的結(jié)果，三個(gè)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋定位圓柱孔的在機(jī)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

如圖7所示，實(shí)驗(yàn)所用加工中心為德瑪吉HSC75五軸加工中心，測(cè)頭選用Renishaw OMP60觸發(fā)式測(cè)頭。通過調(diào)用圓柱孔測(cè)量宏程序，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。采用三點(diǎn)測(cè)圓法對(duì)圓柱孔進(jìn)行測(cè)量，由于圓柱孔軸線方向向量相同，所以在測(cè)球觸碰測(cè)量時(shí)固定Z坐標(biāo)為5.000mm，測(cè)球觸碰得到球心坐標(biāo)后對(duì)其進(jìn)行半徑補(bǔ)償并記錄下結(jié)果。對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行擬合求得三個(gè)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(cè)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(duì)孔間距進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)量，測(cè)量計(jì)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(cè)量與游標(biāo)卡尺測(cè)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(duì)圓柱孔進(jìn)行在機(jī)測(cè)量時(shí)增加測(cè)量采樣點(diǎn)數(shù)，可進(jìn)一步減少測(cè)量誤差。

表4 圓柱孔測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

本文為解決復(fù)雜零部件快速檢測(cè)問題，提出了基于接觸式測(cè)頭的在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)框架并將在機(jī)測(cè)量和計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量相結(jié)合，基于opencascade幾何造型內(nèi)核在Qt平臺(tái)上開發(fā)了一個(gè)通用的加工中心在機(jī)測(cè)量原型系統(tǒng)。分析了基于全局和局部的兩步檢測(cè)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(cè)點(diǎn)選擇及測(cè)量宏程序編制。通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋定位圓柱孔的在機(jī)測(cè)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(cè)效率。

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

[1] 王平江, 雷宇晴, 鄒尚波, 等. 在機(jī)測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2015 (7):1-4.

[2] ZHAO F，XU X，XIE S. STEP-NC enabled on-line inspection in support of closed-loop machining[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2008，24(2)：200-216.

[3] Huang N, Bi Q, Wang Y, et al. 5-Axis adaptive flank milling of flexible thin-walled parts based on the on-machine measurement[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2014, 84: 1-8.

[4] Legge D I. Integration of design and inspection systems-a literature review[J]. International journal of production research, 1996, 34(5): 1221-1241.

[5] ElMaraghy H A, Gu P H, Bollinger J G. Expert system for inspection planning[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 1987, 36(1): 85-89.

[6] 李鐵鋼. 結(jié)構(gòu)件在機(jī)檢測(cè)技術(shù)研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2013 (5): 64-66.

[7] Lee J Y, Kim K. A feature-based approach to extracting machining features[J]. Computer-Aided Design, 1998, 30(13): 1019-1035.

[8] Lee H, Cho M W, Yoon G S, et al. A computer-aided inspection planning system for on-machine measurement—part I: Global inspection planning—[J]. KSME international journal, 2004, 18(8): 1349-1357.

[9] 高健, 陳岳坪, 鄧海祥, 等. 復(fù)雜曲面零件加工精度的原位檢測(cè)誤差補(bǔ)償方法[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2013, 49(19): 133-143.

[10] 陳余慶, 李濤, 李鵬, 等. 基于對(duì)象幾何特征的觸發(fā)檢測(cè)路徑規(guī)劃[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2011 (4): 63-66.

(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(guó)家重大科技專項(xiàng)資助項(xiàng)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?yàn)榧庸ぶ行脑跈C(jī)測(cè)量，(E-mail)lix_kaka@sjtu.edu.cn；習(xí)俊通(1963—)，男，陜西咸陽(yáng)人，上海交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榫軠y(cè)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

A