面向航空結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)化測量技術(shù)研究及應(yīng)用*

曹文軍 隋少春 段桂江 韓 雄 黃明聰

(①中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司數(shù)控加工廠， 四川 成都 610092；②北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

面向航空結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)化測量技術(shù)研究及應(yīng)用*

曹文軍①隋少春①段桂江②韓 雄①黃明聰①

(①中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司數(shù)控加工廠， 四川 成都 610092；②北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191)

為實(shí)現(xiàn)檢測過程自動(dòng)化從而提升檢測效率，針對航空結(jié)構(gòu)件，提出一種坐標(biāo)測量機(jī)檢測軌跡的自動(dòng)規(guī)劃方法，開發(fā)了一套檢測軌跡自動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)。依據(jù)測量點(diǎn)的法矢及測量機(jī)的擺角分度特性計(jì)算測頭對應(yīng)的位姿；以航空結(jié)構(gòu)件的幾何特征為驅(qū)動(dòng)，對檢測軌跡進(jìn)行規(guī)劃；基于VERICUT對檢測軌跡進(jìn)行仿真，避免測量過程的干涉碰撞；構(gòu)建檢測軌跡與DMIS語句的映射關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)測量程序的自動(dòng)生成。應(yīng)用驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)能直接依據(jù)三維模型進(jìn)行檢測軌跡的規(guī)劃，減少了測量過程的人工干預(yù)，檢測效率較傳統(tǒng)檢測模式提升22%～34.6%。

自動(dòng)化測量；路徑規(guī)劃；測量仿真；航空結(jié)構(gòu)件

檢測規(guī)劃是產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造活動(dòng)中的重要環(huán)節(jié)[1]。通過檢測規(guī)劃的執(zhí)行可以獲得產(chǎn)品的合格狀態(tài)。航空結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高，具有檢測任務(wù)量大、檢測難度高的特點(diǎn)。其檢測任務(wù)的執(zhí)行大量依賴于三坐標(biāo)測量機(jī)(coordinate measuring machine, CMM)等高精密檢測設(shè)備來完成。但由于對測量路徑、測量仿真及自動(dòng)編程等關(guān)鍵技術(shù)的規(guī)劃與優(yōu)化的手段不足，難以充分發(fā)揮CMM在效率、自動(dòng)化方面的優(yōu)勢，使當(dāng)前測量過程仍主要依靠于操作人員的人工干預(yù)。航空結(jié)構(gòu)件在CMM上占用機(jī)時(shí)多，測量執(zhí)行效率難以滿足生產(chǎn)進(jìn)度需求。可以說，CMM檢測能力與效率的不足，已成為制約數(shù)控產(chǎn)能提升的瓶頸問題。需要在航空制造領(lǐng)域結(jié)合CMM對計(jì)算機(jī)輔助檢測規(guī)劃(computer-aid inspection planning, CAIP)進(jìn)行研究應(yīng)用。

一般地，CAIP包含以下內(nèi)容：確定最佳的檢測順序，分解每一個(gè)特征的具體檢測方案，檢測路徑規(guī)劃及碰撞檢查，測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析[2]。根據(jù)檢測順序的不同，可將CAIP歸為以下2類[1]：(a)公差驅(qū)動(dòng)的檢測規(guī)劃；(b)幾何驅(qū)動(dòng)的檢測規(guī)劃。前者在規(guī)劃時(shí)側(cè)重將具有特定公差要求的特征作為一個(gè)集合。后者的規(guī)劃重點(diǎn)在于追求幾何特征的完整描述，即將幾何特征作為一個(gè)集合。Yau 和 Menq等[3-5]基于知識(shí)規(guī)則將工件公差信息、功能需求、CMM約束信息轉(zhuǎn)換為CAIP系統(tǒng)的輸入信息，實(shí)現(xiàn)了公差驅(qū)動(dòng)的檢測工藝的自動(dòng)規(guī)劃；Zhang等[6]提出并研發(fā)一套直接利用CAD模型特征實(shí)現(xiàn)CAIP的原型系統(tǒng)，并將公差及特征信息作為共同約束實(shí)現(xiàn)了特征驅(qū)動(dòng)的檢測工藝的自動(dòng)規(guī)劃。張江等[7]基于CATIA融合公差及特征信息研發(fā)了一套適用于MBD環(huán)境下的檢測規(guī)劃系統(tǒng)。上述方法，側(cè)重于對檢測規(guī)劃基礎(chǔ)算法的研究，對規(guī)劃結(jié)果的仿真及生成末端可執(zhí)行的程序上關(guān)注不足，且多是面向通用領(lǐng)域?qū)娇战Y(jié)構(gòu)件的特征、特性考慮不足，無法直接應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)件的檢測過程。

因此，為實(shí)現(xiàn)對航空結(jié)構(gòu)件檢測過程的自動(dòng)化并提升檢測效率，提出一種坐標(biāo)測量機(jī)檢測軌跡的自動(dòng)規(guī)劃方法，并開發(fā)一套檢測軌跡自動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)。首先依據(jù)測量點(diǎn)的法矢及測量機(jī)的擺角分度特性計(jì)算測頭對應(yīng)每一測點(diǎn)的位姿；在此基礎(chǔ)上，以航空結(jié)構(gòu)件的幾何特征為驅(qū)動(dòng)，對檢測軌跡進(jìn)行規(guī)劃；然后基于VERICUT對檢測軌跡進(jìn)行仿真，避免測量過程的干涉；最后通過構(gòu)建檢測軌跡與尺寸測量接口標(biāo)準(zhǔn)(dimensional measuring interface standard，DMIS)語句的映射關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)測量程序的自動(dòng)生成。如圖1為本文內(nèi)容邏輯結(jié)構(gòu)圖。

1 基于CATIA的檢測軌跡自動(dòng)規(guī)劃

1.1 檢測軌跡自動(dòng)規(guī)劃

檢測軌跡規(guī)劃是依據(jù)既定測量點(diǎn)位集合，融合測量機(jī)特性及工藝約束信息，生成合理的檢測軌跡的過程。首先讀取測量點(diǎn)位信息，依據(jù)測點(diǎn)的法矢計(jì)算測頭的擺角位姿；然后依據(jù)不同的檢測特征生成對應(yīng)特征集的檢測軌跡；最后通過干涉碰撞檢查完成檢測軌跡的優(yōu)化，避免測頭與待測工件碰撞，同時(shí)保證測點(diǎn)均被測量。

1.1.1 測頭擺角計(jì)算

測量機(jī)測頭的位姿通常由2個(gè)角度確定，上下擺動(dòng)的A角度和回轉(zhuǎn)B角度。采用雷尼紹觸發(fā)式PH10M型號(hào)測座，其A角度的變化范圍是[0, 105°]，B角度的范圍是[-180°, 180°]。A和B均只能間隔7.5°變換一個(gè)角度值。因此，每一個(gè)檢測點(diǎn)在理論上具有673個(gè)可選擺動(dòng)角度。但為避免干涉，并非每一擺動(dòng)角度在均可用。

一般地，假設(shè)測桿的起始位姿與Z軸平行且測頭指向Z負(fù)向。則根據(jù)測頭特點(diǎn)及測點(diǎn)的法矢信息，可快速計(jì)算出測桿擺到與測點(diǎn)法矢方向一致所需的A、B角。

(1)A擺角計(jì)算

根據(jù)圖2，測頭A擺角的計(jì)算公式如下：

受測頭硬件約束，因擺角只能為[0, 105°]，且以確定的常量分度=7.5分布。因此，還應(yīng)對根據(jù)分度值進(jìn)行圓整。則最終的A擺角的計(jì)算公式如下：

(2)B擺角計(jì)算

根據(jù)圖3，測頭B擺角的計(jì)算公式如下：

同樣地，B擺角只能為[-180°, 180°]，最終也應(yīng)對根據(jù)分度值進(jìn)行圓整。因此，B擺角的計(jì)算公式如下：

實(shí)際測量過程中，由于零件型面測量空間有限，同時(shí)為保證測量的可達(dá)成性，一般以該A、B擺角為軸心，選取其偏置60°的錐度角范圍內(nèi)的擺角作為參考擺角?；诮?jīng)驗(yàn)，在生成測頭最終的擺角時(shí)，在現(xiàn)有計(jì)算值的A擺角偏置15°作為測量的A擺角[7]。

1.1.2 測量路徑生成

使用CMM測量目標(biāo)點(diǎn)位時(shí)，要求測頭從測量起始點(diǎn)沿法向靠近目標(biāo)點(diǎn)。本文將測量起始點(diǎn)稱為觸測點(diǎn)，如圖4的點(diǎn)1和點(diǎn)3；觸測點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離稱為觸測距離，如圖4中的l12和l34；觸發(fā)測頭擺角變換的定位點(diǎn)為測頭轉(zhuǎn)換定位點(diǎn)，如圖4中的點(diǎn)p和點(diǎn)q。

則CMM測量過程可以簡化描述如下：

Step1：將CMM原點(diǎn)作為起始觸測點(diǎn)，并根據(jù)下一觸測點(diǎn)的法矢確定擺角；

Step2：測頭從起始觸測點(diǎn)位置快速移動(dòng)到下一個(gè)觸測點(diǎn)；

Step3：測頭沿測點(diǎn)法矢的反向從觸測點(diǎn)以較慢的速度靠近工件的待測點(diǎn)；

Step4：測頭接觸工件后返回至觸測點(diǎn)，完成一個(gè)點(diǎn)位的測量；

Step5：將該觸測點(diǎn)作為起始觸測點(diǎn)，重復(fù)上述步驟，直至測點(diǎn)集中無待測點(diǎn)。

則圖4中所示的檢測軌跡為：p-1-2-1-p-q(擺角變換點(diǎn))-3-4-3-q。

(1)輔助定位點(diǎn)生成

測量路徑生成過程中，觸測點(diǎn)、安全平面高度等輔助定位點(diǎn)的生成過程可以描述如下。

首先，選擇一個(gè)測點(diǎn)集，設(shè)置觸測距離為ls，每一個(gè)測點(diǎn)生成一個(gè)與之對應(yīng)的觸測定位點(diǎn)，確定當(dāng)前測點(diǎn)的法矢方向(指向零件外側(cè))，沿著法矢方向?qū)y點(diǎn)平移ls的距離得到的位置就是該測點(diǎn)對應(yīng)的觸測點(diǎn)位置。

若當(dāng)前測點(diǎn)和下一測點(diǎn)分屬于不同的檢測特征，即測量過程出現(xiàn)跨區(qū)域、跨特征時(shí)，根據(jù)當(dāng)前相鄰兩個(gè)觸測定位置，分別沿Z向(或Y、Z方向)抬高至安全平面形成兩個(gè)定位點(diǎn)作為避障定位點(diǎn)，此時(shí)這兩個(gè)相鄰的測點(diǎn)分別有2個(gè)定位點(diǎn)。如圖4所示，圖中測點(diǎn)2對應(yīng)的定位點(diǎn)有點(diǎn)1及點(diǎn)p。

同樣，如果在檢測下一個(gè)測點(diǎn)前測頭擺角需要改變，那么在當(dāng)前測點(diǎn)采點(diǎn)結(jié)束后，需要將測頭抬到安全平面高度處的測頭轉(zhuǎn)換定位點(diǎn)，變換擺角，接著進(jìn)行下一個(gè)測量過程。如圖4所示，點(diǎn)q即為點(diǎn)4對應(yīng)的測頭轉(zhuǎn)換定位點(diǎn)。

(2)基于檢測特征的測量路徑生成

在生成測量路徑前，首先需對測點(diǎn)及定位點(diǎn)歸類存儲(chǔ)，然后對測點(diǎn)根據(jù)其所屬特征進(jìn)行歸類，之后對測量特征測量點(diǎn)集依據(jù)測點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行排序，最后根據(jù)測點(diǎn)集的排序結(jié)果對相應(yīng)測量定位點(diǎn)集進(jìn)行排序。則測量路徑生成的過程就是依據(jù)測點(diǎn)和定位點(diǎn)的特征標(biāo)識(shí)依次將測點(diǎn)、測量定位點(diǎn)連線的過程，具體過程可描述如下。

Step1. 讀取排序后的測點(diǎn)集、定位集；

Step2. 讀入測點(diǎn)集中的第一個(gè)測量點(diǎn)p1，及下一測量點(diǎn)p2；

Step3. 讀入定位集中與當(dāng)前測點(diǎn)p1、p2關(guān)聯(lián)的觸測點(diǎn)p1a、p2a及避障定位點(diǎn)(測頭轉(zhuǎn)換定位點(diǎn))p1b、p2b；

Step4.以點(diǎn)p1b起始點(diǎn)，點(diǎn)p1a為終點(diǎn)，生成快速測量路徑；

Step5.以點(diǎn)p1a為起始點(diǎn)，點(diǎn)p1為終點(diǎn)，生成當(dāng)前點(diǎn)的觸測接近路徑；

Step6.以點(diǎn)p1起始點(diǎn)，點(diǎn)p1a為終點(diǎn)，生成觸測回退路徑；

Step7.判斷下一測量點(diǎn)是否存在避障定位點(diǎn)(測頭轉(zhuǎn)換定位點(diǎn))p2b：

Step7.1. 若存在，以點(diǎn)p1a為起始點(diǎn)，點(diǎn)p1b為終點(diǎn)，生成快速回退路徑；然后，以點(diǎn)p1b起始點(diǎn)，點(diǎn)p2b為終點(diǎn)，生成測點(diǎn)間的快速移動(dòng)路徑；最后以p2b為起點(diǎn)，點(diǎn)p2a為終點(diǎn)，生成測點(diǎn)p2的快速接近路徑；跳轉(zhuǎn)Step7.3；

Step7.2. 若不存在，以點(diǎn)p1a為起始點(diǎn)，點(diǎn)p2a為終點(diǎn)，生成下一測量點(diǎn)的快速接近路徑；跳轉(zhuǎn)Step7.3；

Step7.3. 以點(diǎn)p2a為起始點(diǎn)，點(diǎn)p2為終點(diǎn)，生成當(dāng)前點(diǎn)的觸測接近路徑；

Step8. 從測點(diǎn)集及定位集中，刪除點(diǎn)p1及關(guān)聯(lián)的點(diǎn)p1a、點(diǎn)p1b，更新測點(diǎn)集及定位集；

Step9. 重復(fù)Step2～Step8，直至測點(diǎn)集中無測量點(diǎn)，即完成測量路徑的生成。

基于上述算法，開發(fā)了面向CATIA平臺(tái)的檢測軌跡規(guī)劃系統(tǒng)。其自動(dòng)規(guī)劃的檢測軌跡如圖5所示。

2 測量仿真與測量程序的后置處理

完成檢測軌跡規(guī)劃后，為使其能直接指導(dǎo)現(xiàn)場的測量機(jī)自動(dòng)、可靠運(yùn)行，需對生成的檢測軌跡文件進(jìn)行仿真，消除可能出現(xiàn)的碰撞。在此基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)測量前置文件與測量機(jī)可識(shí)別語言的轉(zhuǎn)換，需根據(jù)檢測軌跡自動(dòng)生成測量機(jī)可執(zhí)行的程序，從而驅(qū)動(dòng)測量機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，減少測量過程中的人工干預(yù)。

2.1 基于VERICUT的測量過程仿真

檢測軌跡的規(guī)劃是進(jìn)行仿真的基礎(chǔ)。但由于運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，僅憑計(jì)算出的檢測軌跡還難以直觀、準(zhǔn)確地判斷測頭的位置和姿態(tài)。因此，本文以VERICUT平臺(tái)對測量過程的精確仿真。整個(gè)仿真環(huán)境的實(shí)現(xiàn)包括測量機(jī)的配置，測頭庫的配置及測量程序的運(yùn)行3部分內(nèi)容。

首先，對測量機(jī)的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行測量并通過CATIA將測量機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行逆向建模。然后，將建模出的各部件導(dǎo)出為STL文件，通過VERICUT進(jìn)行各部件的關(guān)聯(lián)及運(yùn)動(dòng)軸的建立，如圖6a所示。其次，對測頭庫進(jìn)行配置，根據(jù)實(shí)際情況建立不同測針長度及測球的直徑，以便仿真過程中進(jìn)行測頭的調(diào)用。最后，通過導(dǎo)入測量工件模型及生成的檢測規(guī)劃結(jié)果文件，調(diào)整測量坐標(biāo)系，則可以在VERICUT中自動(dòng)運(yùn)行測量程序，實(shí)現(xiàn)測量過程的仿真，如圖6b所示。

2.2 基于DMIS的測量程序自動(dòng)生成

在實(shí)際測量過程中，測頭校準(zhǔn)和工件找正部分通常是由檢測人員利用三坐標(biāo)測量機(jī)軟件手動(dòng)交互完成的。因此，在自動(dòng)生成DMIS語句時(shí)，不需要包含測頭校準(zhǔn)和工件找正程序塊部分，僅需包含參數(shù)設(shè)定、測頭定義與選擇、測量語句程序塊三部分。因此，在CATIA平臺(tái)上完成測量路徑生成后，可將DMIS程序的生成過程轉(zhuǎn)換為構(gòu)建測量路徑與DMIS語句建立映射關(guān)系的過程。

由于在生成檢測軌跡前置文件的時(shí)候，已經(jīng)把測量特征與公差要求、運(yùn)動(dòng)測點(diǎn)進(jìn)行了耦合關(guān)聯(lián)。因此，測量程序的自動(dòng)生成可以根據(jù)前置文件中測點(diǎn)(包含輔助測點(diǎn))及運(yùn)動(dòng)擺角數(shù)據(jù)，調(diào)用DMIS定義中的運(yùn)動(dòng)語句與測量語句，從而控制測頭的運(yùn)動(dòng)與測量過程與前置規(guī)劃過程一致。這樣就完成了DMIS文件與測量前置文件的映射，實(shí)現(xiàn)測量程序的自動(dòng)生成。通過運(yùn)行生成的DMIS程序，就可以在實(shí)際測量過程中，控制測量機(jī)按照規(guī)劃的路徑對待測工件進(jìn)行測量。

表1列出的是某航空結(jié)構(gòu)件檢測軌跡上的部分理論測量點(diǎn)坐標(biāo)及其法矢，利用本文方法生成的描述測量路徑的DMIS文件如圖7所示。

表1 某測量部位測量點(diǎn)信息

序號(hào)理論測量點(diǎn)坐標(biāo)理論測量點(diǎn)法矢XYZIJK166.8987-0.058948.5476-0.0000-1.0000-0.0012296.7304-0.028423.3982-0.0000-1.0000-0.00123125.8484-0.059949.3705-0.0000-1.0000-0.0012……………………………………

3 應(yīng)用驗(yàn)證與分析

采用本文開發(fā)的自動(dòng)測量系統(tǒng)與傳統(tǒng)的人工測量方法，在典型航空結(jié)構(gòu)件上進(jìn)行了4組對比實(shí)驗(yàn)。在每一組實(shí)驗(yàn)中保持相同的測量零件不變，分別記錄了2種測量方法所需的時(shí)間及對應(yīng)測頭擺角角度的數(shù)量，結(jié)果如表2所示。圖8為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證效果圖。

表2 測量效率對比試驗(yàn)結(jié)果

序號(hào)模型結(jié)構(gòu)測點(diǎn)數(shù)測量方法擺角數(shù)測量時(shí)間/min1112傳統(tǒng)368本文6462104傳統(tǒng)366本文6463146傳統(tǒng)380本文6624160傳統(tǒng)381本文453

(注：測量時(shí)間包含測量過程的準(zhǔn)備時(shí)間，如建立坐標(biāo)系、更換測頭等)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以出，雖然本文提出的自動(dòng)測量方案在測頭擺角上較人工操作方案存在偏多的現(xiàn)象，但測量過程中均達(dá)到了0碰撞干涉；且在測量時(shí)間對比上，由于不需要人工干預(yù)與防錯(cuò)，在測量時(shí)間上較傳統(tǒng)方式最低提升約22%，最大提升約34.6%，為解決航空結(jié)構(gòu)件在CMM上占機(jī)時(shí)間長，測量執(zhí)行效率低的問題提供了新的思路。

4 結(jié)語

提出的一種面向數(shù)控機(jī)加結(jié)構(gòu)件的自動(dòng)測量技術(shù)，給出了檢測軌跡自動(dòng)規(guī)劃、測量過程仿真的實(shí)現(xiàn)方法，并將其應(yīng)用于產(chǎn)品的檢測過程中。工程應(yīng)用結(jié)果表明，所提出的測量方案能夠直接依據(jù)三維模型進(jìn)行測量方案的規(guī)劃與優(yōu)化，并生成可供CMM執(zhí)行的自動(dòng)測量程序，從而降低測量過程對操作人員的依賴度，對實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化檢測系統(tǒng)從檢測規(guī)劃到底層執(zhí)行設(shè)備的集成，提升檢測效率與檢測過程的自動(dòng)化具有重要意義。

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An automated inspection planning technology for aeronautical structural components

CAO Wenjun①, SUI Shaochun①, DUAN Guijiang②, HAN Xiong①, HUANG Mingcong①

(①AVIC ChengDu Aircraft Industrial (Group) Co., Ltd., Chengdu 610091，CHN；②School of Mechanical Engineering and Automation, BUAA，Beijing 100191，CHN)

To enhance the efficiency and automation in inspection, a method of inspection path planning for coordinate measuring machines is develop and applied in this study. At first, the position and orientation of the probe was calculated based on the measurement point normal and measuring machine indexing characteristic. After that, a geometry-based inspection process was carried out. Then, in order to avoid the interference in the process, the process was simulated in VERICUT. Finally, by constructing the mapping model between inspection paths and the DMIS, the inspection program was automatic generated. The application results show that, by applying the proposed method, the inspection path is planned based on the three-dimensional model directly. And the inspection efficiency increase of 22%～34.6% than the traditional way with manual intervention.

automated inspection;inspection path planning;inspection process simulation;aeronautical structural component

TP391

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.023

曹文軍，男，1978年生，碩士，高級(jí)工程師，科室主任，研究方向?yàn)閿?shù)字化制造技術(shù)，已發(fā)表論文6篇。

(編輯 譚弘穎)

2016-07-13)

160928

*國家科技重大專項(xiàng)(2015ZX04001-002)