□ 毛文亮□ 楊小平

1.甘肅機電職業(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-加工-測量-補償加工”一體化制造成為了趨勢。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對此進行了深入研究。Mou等［1］開發(fā)了一種基于計算機輔助設(shè)計CAD/CAM/CAI的在機檢測系統(tǒng)。Kramer等［2］對基于零件表面特征的檢測系統(tǒng)進行了研究。Yoon等［3］對基于PCNC（Personal Computer based Numerical Control）的在機檢測系統(tǒng)進行了研究。Kim等［4］研發(fā)了一款將檢測路徑用G代碼格式傳送給數(shù)控機床的在機檢測系統(tǒng)。孫志海［5］介紹了基于CAD的加工中心在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計。辛娜［6］研究了加工中心在線檢測編程技術(shù)。陳歡等［7］開發(fā)了基本體在線檢測宏程序。陳明娟［8］研究了基本體在線檢測路徑規(guī)劃?？傊?，國外的在線檢測系統(tǒng)技術(shù)相對成熟，但價格非常昂貴。國內(nèi)的在線檢測系統(tǒng)檢測功能相對比較單一，無法對復(fù)雜零件進行全面精確測量。因此，開發(fā)一套功能全面、價格低廉的數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)，對精密復(fù)雜零件 “加工-檢測-補償加工”一體化制造具有重要意義。

1 數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)組成及原理

數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)主要由測頭、數(shù)控機床、信號接收裝置和計算機組成。在線檢測時，在檢測系統(tǒng)中導(dǎo)入零件CAD模型，選取檢測點，生成檢測程序，進行仿真校驗。仿真校驗無誤后，計算機通過數(shù)控機床通信接口將檢測程序傳送給數(shù)控機床，數(shù)控機床驅(qū)動測頭按檢測路徑運動，當測頭接觸到零件后，發(fā)出觸發(fā)信號，信號被接收裝置接收，并傳給轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器把信號處理后傳給數(shù)控機床控制系統(tǒng)，機床停止運動，測點坐標被保存下來。然后進行下一點測量，等所有點測量完畢，測點坐標通過通信接口傳輸給計算機，計算機對檢測數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理，生成檢測報告。數(shù)控加工在線檢測原理如圖1所示。

2 數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)開發(fā)

▲圖1 數(shù)控加工在線檢測原理

筆者開發(fā)的數(shù)控機床在線檢測系統(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，借助UG/Open GRIP、UG/Open Menu Script［9］等UG二次開發(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，進行在線檢測的一款數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)。這一在線檢測系統(tǒng)具有檢測模型測點選取、檢測程序生成、檢測仿真、加工中心串口通信、檢測誤差補償計算及數(shù)據(jù)處理等功能。主要由UG、MATLAB和VERICUT三大模塊組成。

2.1 檢測點信息提取

檢測點信息是檢測系統(tǒng)獲取檢測零件表面數(shù)據(jù)信息的主要依據(jù)。主要指曲面檢測點的三維坐標、檢測點相對于檢測曲面的法向矢量、檢測點相對于檢測曲面的切向矢量等［10］。數(shù)控機床在線檢測時，首先要對檢測曲面檢測點的數(shù)據(jù)信息進行提取，為實現(xiàn)上述功能，在二次開發(fā)中，筆者用UG/Open GRIP以NURBS曲面在U、V兩個方向的節(jié)點矢量，均勻劃分采樣網(wǎng)格，設(shè)置步長，生成節(jié)點，以節(jié)點作為曲面檢測點。檢測點確定后，定義surf為曲面變量，pt（200）為測點變量，fxl（3）為檢測點相對檢測曲面的法向矢量，qxlu（3）為檢測點相對檢測曲面的U向切向矢量，qxlv（3）為檢測點相對于檢測曲面的V向切向矢量。編寫檢測點信息讀取程序，調(diào)用函數(shù)IDENT，選取檢測曲面和檢測點，保存變量，用FETCH和READ命令讀取檢測點三維坐標。調(diào)用函數(shù)SPARF，求取檢測點U、V參數(shù)值。調(diào)用函數(shù)SNORF，求取檢測點相對于檢測曲面的法向矢量。調(diào)用函數(shù)SDDUF，求取檢測曲面在U向的切向矢量。調(diào)用函數(shù)SDDVF，求取檢測曲面在V向的切向矢量。調(diào)用函數(shù)IF、JUMP循環(huán)語句，重復(fù)上述操作，待檢測曲面所有檢測點的三維坐標、法向矢量、切向矢量信息獲取后，用PRINT語句以*.txt格式輸出到列表，檢測曲面檢測點數(shù)據(jù)信息提取完畢。

2.2 檢測路徑規(guī)劃及NC代碼的生成

曲面檢測點數(shù)據(jù)信息提取后，利用軟件MATLAB 2016讀取檢測點信息，按照測頭沿檢測點法向矢量檢測的原則，規(guī)劃三軸聯(lián)動加工中心在線檢測路徑。在線檢測路徑規(guī)劃完成后，根據(jù)建立的三軸聯(lián)動加工中心運動模型，編制后置處理程序，生成NC檢測代碼，并把NC檢測代碼傳輸給加工中心，加工中心驅(qū)動測頭按照規(guī)劃的檢測路徑運動，就可以實現(xiàn)加工中心對零件的在線檢測。為實現(xiàn)上述功能，在二次開發(fā)中，筆者對編制的MATLAB 2016源程序進行了打包處理，并以*.dll的文件格式進行了保存。在UG10.0環(huán)境下，通過UG/Open Menu Script開放的端口函數(shù)，用*.men文件對編制的MATLAB 2016源程序*.dll文件進行了調(diào)用，使MATLAB 2016與UG10.0在程序調(diào)用和數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換間實現(xiàn)了對接［11］。

2.3 檢測仿真

為避免干涉，在線檢測前需要調(diào)用VERICUT8.0對檢測路徑進行仿真。為實現(xiàn)上述功能，通過新建系統(tǒng)環(huán)境變量，增設(shè)VERICUT8.0程序運行圖標，實現(xiàn)了UG10.0與VIRECUT8.0的無縫連接。具體操作過程為：在電腦屬性中打開系統(tǒng)屬性對話框，選擇高級，新建系統(tǒng)變量CGTECH_INSTALL，輸入變量值D：Program Filesvericut 8.0VERICUT，點擊確定；新建系統(tǒng)變量CGTECH_PRODUCTS，輸入變量值D：Program Filesvericut 8.0VERICUTwindows64，點擊確定；新建系統(tǒng)變量LSERVOPTS， 輸入變量值-s"C：ProgramDataCGTechlicensecgtech.lf"，點擊確定；新建系統(tǒng)變量LSHOST，輸入變量值GYZX6-PC，點擊確定；新建變量UGII_VENDOR_DIR，輸入變量值D：ProgramFilesvericut8.0VERICUTwindows64 xNX10english，點擊確定。通過新建上述系統(tǒng)變量，并賦值，就使UG10.0與VIRECUT8.0實現(xiàn)了對接。新建系統(tǒng)環(huán)境變量如圖2所示。具體使用時，打開UG10.0進入加工環(huán)境，在工具條上單擊VERICUT8.0圖標，進入VERICUT8.0界面，就可以對檢測路徑進行仿真、優(yōu)化。

▲圖2 新建系統(tǒng)環(huán)境變量

3 試驗驗證

為驗證基于UG NX 10.0二次開發(fā)的數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)的可行性和有效性，筆者在三軸數(shù)控機床上進行了試驗驗證。具體過程為，在UG NX 10.0中創(chuàng)建檢測零件CAD模型，用UG/Open GRIP選取檢測曲面，確定檢測點，調(diào)用相應(yīng)函數(shù)，提取檢測點坐標矢量信息，并保存。檢測零件曲面測點分布如圖3所示。檢測點信息提取后，在UG10.0環(huán)境下調(diào)用MATLAB 2016軟件，讀取檢測點三維坐標、法向矢量、切向矢量信息，自動規(guī)劃檢測路徑，路徑規(guī)劃好后，設(shè)置測頭半徑、進給率、定位距離，后置處理程序生成在線檢測NC代碼，保存到指定文件夾路徑位置。在UG NX 10.0環(huán)境下啟動軟件VERICUT8.0，根據(jù)加工中心和檢測零件模型，讀取在線檢測NC代碼，對在線檢測過程進行仿真，仿真無誤后，將在線檢測NC代碼導(dǎo)入加工中心，加工中心驅(qū)動測頭對零件進行在線檢測，加工中心接收到的檢測程序如圖4所示。

▲圖3 檢測零件曲面測點分布

▲圖4 加工中心接收的檢測程序

試驗中，筆者對檢測零件曲面上五個測點的在線檢測數(shù)據(jù)與三坐標測量機檢測數(shù)據(jù)進行了對比，結(jié)果顯示，基于UG NX 10.0二次開發(fā)的數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)與三坐標測量機檢測數(shù)據(jù)的最大誤差為0.05 mm?？紤]到檢測零件二次裝夾定位中產(chǎn)生的測量系統(tǒng)誤差的存在，筆者認為基于UG NX 10.0二次開發(fā)的數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)是可行有效的。曲面零件在線檢測如圖5所示，曲面零件三坐標測量機檢測如圖6所示，曲面零件五個測點的在線檢測數(shù)據(jù)與三坐標測量機檢測數(shù)據(jù)的比較見表1。

▲圖5 曲面零件在線檢測

▲圖6 曲面零件三坐標測量機檢測

表1 曲面零件五個測點的檢測數(shù)據(jù)比較mm

4 結(jié)束語

通過UG/OpenGRIP、UG/OpenMenu Script等UG二次開發(fā)工具，將軟件MATLAB 2016和VERICUT8.0與UG NX 10.0軟件進行了有效集成，在UG NX 10.0環(huán)境下，通過MATLAB 2016、VERICUT8.0與UG NX 10.0之間的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了加工中心對加工零件的在線檢測，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-補償加工”一體化制造提供了參考依據(jù)。