基于模型的加工中心計算機輔助在機測量策略*

李 翔，吳 莉，陳曉波，習俊通

(上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

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基于模型的加工中心計算機輔助在機測量策略*

李 翔，吳 莉，陳曉波，習俊通

(上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240)

航天產品復雜零部件的精密加工與檢測是數字化制造領域的研究熱點。為提高復雜零部件的檢測精度及檢測效率，提出基于模型特征的計算機輔助接觸式在機測量策略。開發了基于STEP(產品模型數據交互規范)零件模型檢測特征識別與提取系統。為了提高測量精度研究了測球半徑補償方法，分析了基于特征的測點選擇及測量宏程序編制。利用opencascade幾何造型內核在Qt平臺上開發了原型系統，通過對發動機缸蓋定位圓柱孔的在機檢測試驗驗證了所建立系統的有效性。

在機測量；特征識別與提取；半徑補償；測量宏程序

0 引言

隨著航天復雜零部件加工制造精度要求越來越高，加工質量的檢測成為集成制造中重要的一環。在傳統的質量控制系統中，工件在加工中心完成加工后需要裝夾到三坐標測量機進行尺寸測量，這不僅耗費更多的時間，而且工件若需要再次進行加工又會引入二次裝夾定位誤差。

在機測量(OMM)由于在制造加工過程中直接對工件進行測量，已經成為自動化生產系統中重要的一部分[1]。隨著觸發式測頭在機床上的應用，通過將測頭安裝在機床主軸上，加工完成后，通過換刀將刀具換成測頭，直接在數控加工中心上完成對工件的測量[2]。使用機床作為檢測裝置不僅節省了時間而且消除了二次裝夾和定位誤差，由于航天零部件的復雜性，在機測量的優勢變得尤為突出[3]。

計算機輔助檢測規劃(CAIP)包含自動或半自動的基于三維CAD特征識別與提取、采樣策略和碰撞規避等。國內外對計算機輔助檢測規劃已經有較多的研究，Legge[4]綜述了CAD和CMM的集成并描述了測量規劃生成和有效性分析的各種方法。早至1987年，ElMaraghy[5]提出了專家檢測規劃系統用以生成檢測規劃。李鐵剛[6]研究了結構件在機檢測技術，提出了基于STEP的集成結構件在機檢測流程。Lee[7]提出了基于特征建模和特征識別的幾何建模系統，利用特征的幾何信息對模型進行特征提取，從CAD中提取待檢測特征的幾何信息進行檢測規劃。綜上，對于在三坐標測量機上進行測量已經有了較為成熟的策略。但是對于數控機床尤其是五軸數控加工中心的在機測量還沒有形成一套完整而通用的系統。

本文通過將在機測量和計算機輔助測量相結合，提出了通用的數控加工中心在機測量技術方案，研究了模型特征提取、測球半徑補償及測量宏程序編制等相關關鍵技術，并開發了在機測量原型系統。

1 基于全局和局部的兩步檢測規劃

在機測量工藝規劃是根據零件的幾何模型及尺寸公差要求，確定測量工序和工步的內容，輸出測量程序，完成測量任務。如圖1所示的檢測規劃流程圖，對工件的測量規劃將分為全局檢測規劃和局部檢測規劃兩步進行。

圖1 在機測量規劃流程圖(全局在機測量規劃和局部在機測量規劃)

在全局在機測量規劃中，首先確定需要測量的對象以及待測量特征，然后基于測量對象的CAD模型提取所有待檢測特征的幾何信息，最后將待檢測特征進行分組并合理規劃特征檢測順序[8]。

在局部在機測量規劃中，根據提取的特征幾何信息確定各特征的檢測點數目和分布，進行干涉和碰撞規避后生成合理的測量路徑。編制測量宏程序對不同特征進行分類測量，實際使用時只需調用并給相應變量進行賦值。

全局在機測量規劃主要明確待測工件及待測特征，局部在機測量規劃主要考慮各特征的測量規劃，兩者共同組成了基于特征的計算機輔助在機測量規劃。

2 基于STEP的CAD模型特征提取

基于CAD造型軟件(UG、PROE、CATIA)設計的零件模型進行特征提取與識別，通過對零件模型的STEP文件分析，特征提取與識別算法可以獲得零件的特征幾何信息(面，線，點等)并對不同特征(點、直線、空間圓、平面、圓柱面、圓錐面、球面、NURBS曲面等)進行識別。用提取到的CAD模型特征信息設計檢測規劃。

2.1.1 基本幾何特征及參數

表1 基本幾何特征(點、平面、圓、圓柱面、圓錐面、球面)及參數

表1列出了六種基本幾何特征及其參數，這六種特征(點、平面、圓、圓柱面、圓錐面、球面)是構成三維CAD的重要部分，對這些基本特征進行檢測是質量評價的需求。需要獲得特征的基本參數才能對基本特征進行檢測規劃，因此特征識別與提取是至關重要的。

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，對基本幾何特征的參數進行提取。特征提取流程如圖2所示，導入工件STEP模型后，用戶選擇待測量特征后系統進行特征識別，若選擇正確則依據表1提取特征信息，若選擇錯誤則提示用戶重新選擇。本系統對七種基本特征(點、直線、圓、平面、圓柱面、圓錐面、球面)進行識別及特征參數提取，提取特征參數后進行檢測規劃，生成檢測宏程序，最終實現在機測量。

本文所提出的系統利用opencascade幾何內核，將零部件的STEP文件轉換成邊界表示法(B-rep)模型存儲在計算機中進行數據分析。B-rep模型是一種以物體的邊界表面為基礎，定義和描述幾何形體的方法。B-rep模型存儲構成實體的面、線、點以及之間的拓撲關系來存儲3D模型。采用Qt結合VC++2010的開發環境開發特征提取原型系統，如圖3所示，為利用所開發系統對發動機缸蓋的基本特征的參數進行提取。通過CATIA軟件對發動機缸蓋進行三維造型并保存為STEP格式文件，將其導入特征識別與提取軟件，采用如上所述方法對基本特征幾何信息進行提取。圖3右邊為缸蓋模型顯示區，左邊為特征參數顯示模塊。

圖3 發動機缸蓋的基本特征的幾何參數提取

對發動機缸蓋燃燒室幾個基本特征進行幾何參數提取得到的結果如表2所示，模型的坐標系即為使用CATIA進行建模時的坐標系。其中點A所在面的法矢為(0,0,1)，點A的坐標為(146.874mm,215.2mm,28mm)；圓C圓心坐標(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，球心坐標為(140.738mm,300.459mm,28mm)。所提取的特征尺寸與缸蓋建模時的設計尺寸相吻合。

表2 發動機缸蓋燃燒室特征提取結果

2.2 測頭半徑補償

在接觸式測量中，由于測頭測量時得到的是測球中心的坐標值而不是被測點的坐標值，為得到測點準確的坐標值，需要進行測頭半徑補償。對于平面來說，接觸點和測球球心存在一個測球半徑的偏差，當沿著平面的法矢方向進行測量時，接觸點坐標即為球心坐標加上測球半徑。但在進行曲面測量時，情況較為復雜。如圖4 所示，如果測頭沿著法矢方向進行測量，數控系統返回的是點B的坐標值，但是接觸點為A，所以應該對測頭進行半徑補償。

測頭的半徑補償即根據測量時的觸測方向及數控系統記錄的測球中心坐標點，求取測量表面接觸點坐標。在被測曲面是連續光滑的情況下，并且滿足測頭半徑r的倒數大于凹型曲面的最大主曲率的條件時，則測球中心坐標與被測曲面上各接觸點存在一一對應關系[9]。有兩種主流的測頭半徑補償方法，第一種為，如圖4所示，只需要將測球中心點B往接觸點A的法矢方向偏移測球半徑值即可求取實際接觸點A的坐標值。第二種方法為將測球中心構成的曲面沿著檢測方向偏置測球半徑即可得到實際曲面。本文采取第一種方法進行半徑補償。

由于測量時測球的預行程誤差，可對測球半徑進行標定，采用ISO推薦的25點測球法對測頭半徑進行校準，求取等效半徑。

圖4 接觸式測頭半徑補償

通過導入零件STEP模型作為檢測的設計標準模型，只要能精確獲得測點位置的法矢，即可進行測球半徑補償。測球半徑補償公式為：

(xR,yR,zR)=(x,y,z)-R·n

(1)

其中，(xR,yR,zR)為實際測量中接觸點A的坐標，(x,y,z)為測球中心坐標，R為測球等效半徑，n為測點處單位法矢。

2.3 基于特征的測點選擇及測量宏程序編制

在對零件的在機測量中，檢測程序通常需要針對待檢測特征進行人工編制。進行在機測量時引入數控宏程序，編寫基于基本特征的檢測宏程序，通過對宏程序賦值調用的方法，生成基于待檢測特征的測量程序，完成測量任務[10]。對于含有基本特征較多的復雜零部件，可以減少大量的編程量，提高測量效率。

基本體的測量包括常見的點、線、面、圓孔、圓柱、圓錐，凸臺類、凹槽類、球、橢圓等等。結合上述所開發的幾何特征信息提取系統，對這些基本體分別開發出相應的測量宏程序組成宏程序庫。圖5所示為測量外圓柱和內圓孔半徑的宏程序示意圖，它使用了沿X、Y軸的四次測量移動，用O9814表示程序號，調用格式為：

外圓柱面：G65 P9814 D Z [F M S]

內圓孔面：G65 P9814 D [F M S]

其中：D表示圓孔直徑，Z表示測量外圓時的絕對位置，M表示測量時測頭觸碰速度，S表示搜索距離。

圖5 內孔或外圓測量示意圖

3 試驗驗證

本文例舉發動機缸蓋特征測量驗證系統的可行性。如圖6所示的發動機缸蓋進行數控加工后，對其定位圓柱孔特征進行在機測量，測量結果傳輸到計算機中進行數據處理，求取相鄰兩定位孔之間的距離，與設計標準進行比較，評價其制造精度及加工質量，驗證所提出的在機檢測系統可行性。

圖6 定位圓柱孔特征A、B、C

表3為對ABC三個定位孔進行幾何信息提取的結果，三個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提取結果

圖7 對發動機缸蓋定位圓柱孔的在機測量實驗

如圖7所示，實驗所用加工中心為德瑪吉HSC75五軸加工中心，測頭選用Renishaw OMP60觸發式測頭。通過調用圓柱孔測量宏程序，得到實驗結果如表4所示。采用三點測圓法對圓柱孔進行測量，由于圓柱孔軸線方向向量相同，所以在測球觸碰測量時固定Z坐標為5.000mm，測球觸碰得到球心坐標后對其進行半徑補償并記錄下結果。對測量結果進行擬合求得三個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，由于缸蓋在三坐標測量機上裝夾較為不易，我們采用精度為0.02mm的游標卡尺對孔間距進行了驗證測量，測量計算得圓柱A和B孔間距為70.06mm，圓柱B和C的孔間距為69.84mm。在機測量與游標卡尺測量的最大誤差為0.0122mm，誤差在0.02mm范圍內，滿足精度要求。如若對圓柱孔進行在機測量時增加測量采樣點數，可進一步減少測量誤差。

表4 圓柱孔測量結果

4 結論

本文為解決復雜零部件快速檢測問題，提出了基于接觸式測頭的在機測量系統框架并將在機測量和計算機輔助測量相結合，基于opencascade幾何造型內核在Qt平臺上開發了一個通用的加工中心在機測量原型系統。分析了基于全局和局部的兩步檢測規劃，開發了基于STEP的CAD模型幾何特征提取軟件，探討了基于特征的測點選擇及測量宏程序編制。通過對發動機缸蓋定位圓柱孔的在機測量，證實了該方法的可行性，提高了航天復雜零部件的加工和檢測效率。

基于以上研究成果，下一步研究內容將主要集中于以下兩個方面：其一為自由曲面的采樣點選擇以及檢測程序的生成，豐富在機測量系統的功能；其二為將在機測量與加工制造過程結合起來，提高復雜零部件的制造加工精度。

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(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

“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家重大科技專項資助項目(2014ZX04015021)

李翔(1991—)，男，南昌人，上海交通大學碩士研究生，研究方向為加工中心在機測量，(E-mail)lix_kaka@sjtu.edu.cn；習俊通(1963—)，男，陜西咸陽人，上海交通大學教授，博士生導師，研究方向為精密測量與數字化儀器、數字化產品開發技術，(E-mail)jtxi@sjtu.edu.cn。

TH166;TG659

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