魏雙羽，白躍偉+，Paul de Vrieze

(1.上海第二工業(yè)大學 智能制造與控制工程學院，上海 201209；2.伯恩茅斯大學 科學技術學院，英國 伯恩茅斯 BH12 5BB)

0 引言

通過在智能制造系統(tǒng)中建立設計、工藝、制造、質(zhì)量檢測的全流程數(shù)據(jù)驅(qū)動機制，使得制造活動的各個環(huán)節(jié)相互關聯(lián)，提高了異構系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)互操作，有效解決由于信息孤島帶來的數(shù)據(jù)來源不統(tǒng)一、關聯(lián)信息獲取困難、數(shù)據(jù)模型維護困難等問題。由于制造系統(tǒng)通常由許多工業(yè)軟件組成，如CAD/CAPP/MES(manufacturing execution system)/CMM(coordinate measurement machine)等，企業(yè)通過使用這些軟件，支持不同階段開展的制造活動，并管理由此產(chǎn)生的業(yè)務數(shù)據(jù)以及后續(xù)使用。因此，制造數(shù)據(jù)的互操作問題是制造系統(tǒng)建立和維護領域長期存在的一個技術問題。

CMM是目前制造業(yè)廣泛采用的零件加工質(zhì)量檢測方法之一。利用CMM檢測結果，一方面可以提供可信賴的質(zhì)量報告，另一方面還可以通過數(shù)據(jù)分析為設備維護管理、工藝路線改進、產(chǎn)品模型改進提供基礎數(shù)據(jù)。CMM在生產(chǎn)檢測過程中發(fā)揮著至關重要的作用，通過CMM檢測結果來制定改進措施，可以確保制造系統(tǒng)持續(xù)生產(chǎn)高質(zhì)量零件[1]。近年來，CMM系統(tǒng)控制技術、測量軟件技術均發(fā)展迅速，使得零件檢測過程變得更加自動化，而且由于新技術還提供了使用更多檢測數(shù)據(jù)的可能性，這為利用MES車間制造質(zhì)量管理模塊來改進車間生產(chǎn)過程提供了有利條件[2]。

開展CMM數(shù)據(jù)互操作機制研究，有利于解決智能制造系統(tǒng)普遍存在且亟待解決的3個關鍵問題：

(1)通過MES關聯(lián)CMM設備校驗數(shù)據(jù)，以及刀具使用數(shù)據(jù)，應用大數(shù)據(jù)和人工智能技術，建立機床精度預測模型和刀具參數(shù)調(diào)整預測模型，開展有預見性的設備維護保養(yǎng)，避免由于維護不當而造成關鍵設備停機，從而導致經(jīng)濟損失，同時也可減少這些關鍵機床的維護成本。

(2)通過MES關聯(lián)CMM設備校驗數(shù)據(jù)，將零件幾何特征的加工數(shù)據(jù)與工藝模型關聯(lián)，分析工藝參數(shù)與實際零件加工質(zhì)量數(shù)據(jù)的關聯(lián)性，改進加工工藝流程和工藝參數(shù)。

(3)利用CMM設備校驗數(shù)據(jù)，將幾何特征加工數(shù)據(jù)與設計模型關聯(lián)，實現(xiàn)設計—制造數(shù)據(jù)模型關聯(lián)維護，融入加工成本等因素，改進設計模型。

1 與質(zhì)量檢測有關的數(shù)據(jù)互操作研究

早期出現(xiàn)的三維數(shù)據(jù)交換模型ISO 10303-203:2011(STEP AP 203、214)僅包含形狀信息，用于下游制造的應用程序提取工程信息(如表面粗糙度、形位公差)來解決工藝所需信息并不完善。為了解決設計、工藝、制造、檢測各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)互操作問題，ISO標準化小組提出了STEP AP 242(ISO 10303-242)“基于管理模型的三維工程”規(guī)范[3]，用以引導用戶通過三維模型來捕獲語義產(chǎn)品制造信息(Product Manufacturing Information, PMI)，幫助模型信息能夠被下游制造環(huán)節(jié)使用，以支持智能制造。在多學科協(xié)同工作環(huán)境下，MBD(model based definition)/MBE(model-based engineering)建模方法廣泛應用，開始取代傳統(tǒng)的工程圖紙和文檔來指導下游制造。

Venkiteswaran等[3]通過在設計模型中建立附加內(nèi)部約束公差圖(Constraint Tolerance Graph, CTG)文件方法，開發(fā)了從AP 203模型到AP 242模式的語義轉換器，支持下游應用程序自動獲取零件模型中的語義GD&T數(shù)據(jù)，如CAPP、計算機輔助檢驗(Computer Aided Inspection, CAI)、計算機輔助公差系統(tǒng)(Computer Aided Tolerance System, CATS)和CMM;Trainer等[4]認為利用這種帶有嵌入式PMI的STEP-AP242模型具備了CAD-CAM和CAD-CMM單向數(shù)據(jù)交換的能力，但Hedberg等[5]認為在CAD和CMM互操作過程中的相互作用研究還不夠，即缺乏從CAM和CMM反饋到CAD模型的研究。

目前MBD的應用主要在設計上游端，下游制造和檢測過程中還沒有普遍應用，這個過程還需要付出更多的努力。為此，Yang等[6]提出并開發(fā)了一個面向工藝工程師的制造代理模塊，用于在純?nèi)S環(huán)境下，將設計階段與制造階段連接起來，討論了系統(tǒng)框架和核心功能模塊，開發(fā)了原型系統(tǒng)。

在CMM-CAD數(shù)據(jù)集成方面，Martins等[7]利用數(shù)據(jù)接口將CMM數(shù)據(jù)導入CAD，將測量點云與三維CAD模型集成，開發(fā)了可以用于測試的軟件工具，并以分叉形狀的金屬板為例進行了說明;Michaloski等[8]探索了一種基于MTConnect的Web實時質(zhì)量報告，以CMM檢測數(shù)據(jù)互操作為例，通過建立MT-Connect-XML的Web實時質(zhì)量結果案例進行應用說明。

綜上所述，目前與質(zhì)量檢測有關的數(shù)據(jù)互操作主要存在兩個不足：

(1)大多數(shù)研究主要關注MBD/MBE建模，支持從上游的設計端向“工藝—制造—檢測”下游環(huán)節(jié)傳遞CAD模型PMI信息，下游質(zhì)量檢測(包括CMM)再根據(jù)模型PMI開展檢測工藝規(guī)劃，而針對質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)的互操作關注較少。

(2)目前開展的CMM檢測數(shù)據(jù)互操作研究主要是圍繞檢測系統(tǒng)創(chuàng)建的檢測報告進行的，受限于CMM創(chuàng)建的檢測報告內(nèi)容與格式，如果要對CMM檢測數(shù)據(jù)進行深入分析，還需要原始檢測數(shù)據(jù)，而這方面的研究還不多。

2 CMM互操作機制及其實現(xiàn)

2.1 需求分析

利用統(tǒng)一建模語言(Unified Modeling Language, UML)的USER-CASE圖可以描述CMM互操作中間層需求。在CMM互操作場景中，涉及的角色有：CMM操作者、CMM數(shù)據(jù)使用者、MES系統(tǒng)使用者、CAD/CAPP設計員以及車間設備維護工程師(如圖1)，與各角色有關的活動分別描述如下：

(1)CMM操作者 涉及的活動有檢測路徑規(guī)劃、執(zhí)行在線/離線檢測、基于CAD模型進行幾何精度評價。其中，執(zhí)行在線/離線檢測時，CMM軟件開始自動記錄DMIS(dimensional measurement interface standard)文件，將測量過程中的命令和原始數(shù)據(jù)按照DMIS規(guī)范進行自動存儲，形成DMIS文件；基于CAD模型進行幾何精度評價時，CMM軟件可以將結果輸出到測量報告供用戶使用，這也是目前大部分關于CMM數(shù)據(jù)互操作研究的內(nèi)容。

(2)CMM數(shù)據(jù)使用者 主要是指利用CMM數(shù)據(jù)互操作中間層接口，根據(jù)CMM原始數(shù)據(jù)，自定義所需的幾何評價指標，包括從幾何原始中提取幾何要素(如對圓柱提取軸線、對圓提取圓心，或圓所屬平面的法向矢量等)，定義CMM報告中不包括的幾何評價指標項。這些數(shù)據(jù)可以提供給DFM(design for manufacturing)改進CAD模型，可以提供給CAPP改進不合理的工藝流程，亦可以提供給車間設備管理小組用于分析關鍵設備運行狀況，是否需要提前或推遲干預性的設備維修維護計劃。

(3)MES使用者 使用者可能來自3個業(yè)務領域，即車間派工、車間生產(chǎn)質(zhì)量管理、車間制造資源管理。其中，車間生產(chǎn)質(zhì)量管理采用統(tǒng)計分析工具，如果發(fā)現(xiàn)由于設計模型不合理造成難加工的問題或設計質(zhì)量不易保證的問題，將定期將問題反映給設計部門，設計部門會根據(jù)MES的質(zhì)量管理小組反饋的問題，結合DFM軟件分析來改進CAD模型；如果發(fā)現(xiàn)由于工藝方案規(guī)劃不合理而造成的加工質(zhì)量問題，車間質(zhì)量管理小組會定期將這些問題反饋給工藝設計部門。

(4)CAD/CAPP設計員 根據(jù)車間質(zhì)量管理小組的加工質(zhì)量統(tǒng)計分析，結合由CMM-DIL(CMM Data Interoperation Layer, CMM-DIL)自定義的幾何評價指標數(shù)據(jù)，綜合分析CAD模型/CAPP方案是否需要修改。

(5)車間設備維護工程師 根據(jù)車間質(zhì)量管理小組的加工質(zhì)量統(tǒng)計分析，結合由CMM-DIL自定義的幾何評價指標數(shù)據(jù)，對關鍵機床設備進行分析，判斷是否可以按照設備維護計劃來實施，是否需要干預性維修活動介入，以避免由于設備問題而發(fā)生經(jīng)濟損失。

2.2 CMM-DIL獲取測量原始數(shù)據(jù)原理

要解決如何充分利用CMM測量信息，為MES的質(zhì)量管理模塊提供數(shù)據(jù)支撐的問題，改進車間關鍵設備維護管理、CAD/CAPP模型改進，關鍵是要解決CMM數(shù)據(jù)互操作組件層CMM-DIL如何可靠、實時獲取CMM原始測量命令和數(shù)據(jù)，才能通過CMM-DIL提供的個性化數(shù)據(jù)定義工具，為需求CMM檢測數(shù)據(jù)和信息的對象提供服務。

因此，CMM原始數(shù)據(jù)獲取過程將涉及兩部分：CMM測量軟件和CMM-DIL模塊。下面通過角色及其關鍵活動分析來說明CMM原始數(shù)據(jù)獲取過程(如圖2)。

(1)活動參與者

1)CMM操作者。需要介入到兩個人機交互的活動中：活動1，針對特定的幾何測量對象，要啟動一個在線/離線測量任務，如果是自動模式，需要CMM運行DMIS程序，通過CMM軟件將測量命令逐一發(fā)送給MDE(measurement device equipment)；活動6，將測量結果匯總成測量報告，或通過人機交互對特定的幾何元素進行評價，如平行、垂直、同軸等，再合并生成測量報告。

2)CMM數(shù)據(jù)消費者。需要介入到3個人機交互活動中：活動7，主動瀏覽CMM檢測報告；活動9，通過人機交互，在CMM-DIL自定義需要幾何元素評價數(shù)據(jù)；活動10，根據(jù)活動9訂閱的項目，自動獲取由CMM中間層推送的幾何元素評價數(shù)據(jù)。

(2)關鍵活動

活動1：針對特定的幾何原始，CMM操作者通過人機交互運行一個在線/離線測量任務；若在自動模式下，可通過人機交互運行DMIS程序(完整或部分)，CMM軟件將依據(jù)DMIS命令，將測量命令和數(shù)據(jù)按照I++(inspection-plus plus)協(xié)議逐一發(fā)送到MDE，由MDE執(zhí)行具體的檢測任務。I++是由歐洲的奧迪、寶馬、戴姆勒、沃爾沃等企業(yè)聯(lián)合編制的一個CMM行業(yè)集成規(guī)范，目的是支持不同CMM軟件方便地與DME(dimensional measurement equipment)集成[8]，從而實現(xiàn)軟件邏輯與硬件隔離。

活動2：MDE收到測量命令后，驅(qū)動測頭觸碰零件表面，觸發(fā)測量中斷信號后，由運動控制器鎖存測量點數(shù)據(jù)，然后按照I++協(xié)議可靠反饋給CMM軟件，CMM測量軟件將暫存當前的測量點數(shù)據(jù)。

活動3：CMM GUI收到運動控制器反饋的測量點后，測量對話框界面上的測量點數(shù)開始逆序計數(shù)(n=n-1)。若此時要求的測量點數(shù)為零，則測量軟件自動跳轉到活動5，結束當前測量；否則，將等待MDE下一個測量點。

活動4：CMM操作者通過人機交互，可以在測量對話框中增加或減少當前測量點數(shù)量。

活動5：測量軟件獲取當前測量點后，逆序計數(shù)為零，測量軟件將自動結束當前測量任務，再根據(jù)獲取的測量點進行幾何擬合，并根據(jù)理論值與實測值進行誤差計算。

活動6：測量軟件擬合完成后，通過調(diào)用API函數(shù)將測量原始數(shù)據(jù)(包括測量命令與實際測量點數(shù)據(jù))保存到DDE(dynamic data exchange)指定內(nèi)存。

活動7：CMM-DIL可以通過DMIS接口訪問測量軟件的DMIS程序，通過解析DMIS可以獲取測量系統(tǒng)當前的測量對象及其測量原始數(shù)據(jù)。

活動8：利用API訪問DDE內(nèi)存，獲取當前的測量對象和原始數(shù)據(jù)，并將其保存到個性化定義的數(shù)據(jù)對象中。

活動9：通過GUI個性化定義要求的測量數(shù)據(jù)，將CMM-DIL獲取的DDE內(nèi)存的當前測量原始數(shù)據(jù)按照預定義的格式存儲。

活動10：根據(jù)活動9訂閱的項目，自動獲取由CMM中間層推送的幾何元素評價數(shù)據(jù)。

2.3 CMM-DIL模塊邏輯

測量軟件在元素測量結束時，按照一定的規(guī)范格式，將測量原始數(shù)據(jù)寫入DDE內(nèi)存，然后CMM-DIL通過監(jiān)聽DDE內(nèi)存數(shù)據(jù)變化情況，調(diào)用API訪問DDE內(nèi)存中的測量原始數(shù)據(jù)?，F(xiàn)將CMM-DIL訪問這些數(shù)據(jù)的流程總結如下：

CMM-DIL通過CMM軟件提供的API監(jiān)聽DDE內(nèi)存的數(shù)據(jù)變化情況。當CMM軟件結束一個測量任務，將原始數(shù)據(jù)寫入DDE內(nèi)存后，CMM-DIL可以偵聽到這個變化；CMM-DIL根據(jù)讀取到的測量命令，創(chuàng)建一個臨時測量原始對象，然后逐條將測量原始數(shù)據(jù)讀出；當讀取完一條完整的測量任務及其原始數(shù)據(jù)后，CMM-DIL將結束當前的數(shù)據(jù)讀取活動(如圖3)。

一個典型元素測量原始測量數(shù)據(jù)命令格式如下：

//測量命令

Measurement command/Feature type(e.g., POINT, LINE, PLANE, CIRCLE, CYLINDER, SPHERE, CONE, CURVE, NURBS SURFACE, and the other specific features, e.g, SLOT etc.), Feature ID, Target point number to be probed

GOTO/x,y,z//Go to the point of(x,y,z)

Measurement original point data/Coordinate System Type, x, y, z, i, j, k // probed point(x, y, z)and probing direction/vector(i,j,k)

Measurement original point data……

Finish the measurement

當CMM-DIL偵測到DDE內(nèi)存數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，調(diào)用CMM軟件提供的API依次讀取上述典型測量元素的原始測量數(shù)據(jù)(如三坐標測量軟件DIRECT-DMIS提供的RealTimeDataCall.dll庫或PC-DMIS提供的PCDLRN.dll，可以直接訪問內(nèi)存中的底層測量數(shù)據(jù))，然后按照預定義的幾何原始評價指標格式發(fā)給測量數(shù)據(jù)使用者。

3 CMM-DIL集成案例

本章利用一個實際案例來說明CMM-DIL如何與CMM集成，實時讀取CMM軟件檢測時的原始數(shù)據(jù)。案例使用的CMM軟件是本項目組自主研發(fā)的DIRECT-DMIS軟件(http://www.weiyuansoft.com/)。

表1 Inspection Requirement of CAD/CAPP

具體測量步驟是：在CMM軟件中檢測孔所在平面，然后測量圓并將圓投影到平面，完成圖紙要求的圓直徑尺寸測量。MES中質(zhì)量管理模塊通過CMM-DIL可以不斷收集這些信息，然后用軟件功能提取圓的特征信息(如圓心所在平面矢量等)，再計算“平面—圓軸線矢量”的垂直度，并將計算結果存入數(shù)據(jù)庫。

測量軟件DIRECT-DMIS打開測量對話框，手動測量目標對象(Hole B)，手動驅(qū)動CMM測量了3個點(如圖5a)，可獲得測量結果(如圖5b)。同理，可以測量Hole A以及圓所在平面(PL1)，并通過測量報告得到測量結果。

CMM-DIL調(diào)用DIRECT-DMIS底層的RealTimeDataCall.dll庫，獲取底層實時測量數(shù)據(jù)時序圖，如圖6所示。

獲取底層實時測量數(shù)據(jù)的過程是：CMM-DIL首先調(diào)用RealTimeDataCall.dll的接口，讀取CMM DDE內(nèi)存數(shù)據(jù)，獲得數(shù)據(jù)塊句柄；然后讀取數(shù)據(jù)塊中的Elements，并讀取公差數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)；完成全部數(shù)據(jù)讀取后，將這些數(shù)據(jù)轉換成標準DMIS命令，供其他CMM數(shù)據(jù)消費者使用。讀取了運動控制器發(fā)出的I++數(shù)據(jù)段如下[9]：

//定義返回數(shù)據(jù)格式

10:55:37.934 Receive:00011 OnPtMeasReport(X(), Y(), Z(), IJK())

10:55:37.984 Sendout:00011 & //收到測量軟件命令

10:55:38.004 Sendout:00011 % //結束當前會話

//到達要求到達的GOTO移動點，并返回測量軟件當前坐標

11:00:51.942 Sendout:E0000 # GoTo(X(-255.2000), Y(210.8601), Z(25.7039))

//返回第一個測量點坐標至測量軟件

11:00:52.764 Sendout:E0000 # PtMeas(X(-255.19915193),Y(225.49917483), Z(25.70396224),IJK(0.00784314,-0.99996924,0.00000000))

…

//返回第二個測量點坐標至測量軟件

11:00:55.476 Sendout:E0000 # PtMeas(X(-280.30098603),Y(203.17146618), Z(25.70366100),IJK(0.99223335,-0.12439040, 0.00000000))

…

//返回當前第三個測量點坐標至測量軟件

11:00:58.430 Sendout:E0000 # PtMeas(X(-257.99838641),Y(174.67693614), Z(25.70366921),IJK(0.11756461,0.99306524,0.00000000))

DMM-DIL根據(jù)收到的I++數(shù)據(jù)段，形成標準的尺寸接口標準規(guī)范語言DMIS如下：

MEAS/CIRCLE,F(CR1),3

GOTO/-255.200000,210.860100,25.703900

PTMEAS/CART,-255.199152,225.499175,25.703962,0.007843,-0.999969,0.000000

GOTO/-255.176500,222.499300,25.703900

GOTO/-257.324000,203.172000,25.703900

PTMEAS/CART,-280.300986,203.171466,25.703661,0.992233,-0.124390,0.000000

GOTO/-277.325300,202.798800,25.703900

GOTO/-257.997900,200.651300,25.703900

PTMEAS/CART,-257.998386,174.676936,25.703669,0.117565,0.993065,0.000000

ENDMES

OUTPUT/FA(CR1)

CMM數(shù)據(jù)使用者可以調(diào)用DMM-DIL提供的幾何對象評價個性化定義功能，獲得從CMM測量報告不能直接得到的幾何信息。

例如可以用測量原始Hole B創(chuàng)建圓的軸線LN1(如圖7a)，然后調(diào)用垂直度評價對話框(如圖7b)，獲得圓(Hole B)軸線LN1與圓所在平面(PL1)的垂直度評價結果。

4 結束語

CMM測量軟件提供的檢測報告(格式和內(nèi)容)通常是固定的，用戶不能修改。如果需要的質(zhì)量數(shù)據(jù)不能直接從測量報告獲得，用戶就要通過其他方式來解決，例如手工計算等，這樣可能會帶入計算誤差。本文針對離散制造業(yè)關鍵業(yè)務活動質(zhì)量管理問題，通過采集三坐標測量系統(tǒng)(CMM)底層實時測量數(shù)據(jù)，為質(zhì)量管理提供更豐富的檢測數(shù)據(jù)。例如，可以支持車間開展關鍵設備預防性維護管理，也可以為工藝路線改進、產(chǎn)品設計模型完善等技術改進提供基礎數(shù)據(jù)。

本文通過設計的CMM互操作中間層CMM-DIL開發(fā)方法，建立了一個CMM數(shù)據(jù)使用者和CMM軟件間的數(shù)據(jù)互操作機制，利用DDE方式可以方便地獲取CMM原始測量數(shù)據(jù)，并以一個簡單集成案例進行了集成說明。

本研究的目的不是要替代測量軟件的檢測結果/檢測報告，而是為MES軟件的質(zhì)量管理模塊提供更底層、更全面的實時數(shù)據(jù)，以更好地支持基于測量數(shù)據(jù)分析的質(zhì)量分析與改進。但是，這種CMM數(shù)據(jù)互操作性還是局限在CMM軟件提供的底層數(shù)據(jù)訪問模塊，目前支持訪問測量機運動控制器的I++規(guī)范但不支持第三方用戶直接通過運動控制器獲取CMM底層測量數(shù)據(jù)，因此未來I++協(xié)議還需要進一步支持更開放的數(shù)據(jù)互操作。