基于示教的加工中心在线检测研究---硕士论文

河北工业大学硕士学位论文基于示教的加工中心在线检测研究摘 要加工中心在线检测技术是提高加工中心工作精度和操作自动化程度的关键技术之一，是 CIMS 中质量保证系统不可分割的一部分。本文在该技术原有发展的基础上，并结合计算机辅助设计、零件特征模型以及计算机仿真等一些领域的最新的进展情况，以零件的特征模型为核心，对基于示教的加工中心在线检测技术进行了深入的研究。1 对零件的几何特征模型在设计和生产中的应用进行了分析，并在此基础上将零件的几何特征和零件的检测相结合，确定了零件示教的基本思想。2 对在生产过程中零件进行了分析，确定了待示教的零件最初分类原则，以及零件几何特征的数据表达方式，由此得到适合检测的零件 MFS 模型。3 路径规划无论在加工还是在检测中都占有很重要得地位，本文根据零件模型的特征，进行检测路径规划，建立相应的宏程序。4 零件检测前的仿真在生产中可以验证检测过程的安全性，这一技术在实际的生产过程中逐渐体现出其重要性。5 基于示教的加工中心在线检测系统进行了初步的设计，并分析了非典型零件的示教检测，建立了示教、路径规划、仿真为一体的检测系统。关键词： 加工中心，在线检测，特征，示教，MFS 模型，路径规划i基于示教的加工中心在线检测技术研究Research on the Technology ofMachining Centers On-line InspectionBased on TeachingABSTRACTOn-line inspecting for machining center is one of the key technologies to improve precision and automation of machining center and one of the indiscerptible parts of the Quality Assurance system of CIMS. On the foundation of the current development of On-line inspecting technology and the new development of computer aided design、part feature model and computer simulation On-line inspect technology is studied here based on the teaching idea.1 The Application of part geometry feature model on the designing and production is analyzed synthetically and based on it, Inspecting process is integrated with the part geometry feature and the basic idea of part teaching is established.2 The part in the manufacturing process is analyzed. The original labeling principle to parts and the dada expressing manner of part geometry model are established, by virtue of them, the MFS model of part suiting for inspecting is accomplished.3 Path layout is very important whether in manufacturing or in inspecting. According to the features of the part model in the paper, inspecting path layout and relevant Macro program is accomplished.4 The simulation before the inspecting and manufacturing in the production can assure the security of inspecting process and the technology is more and more important in the practical production.5 The online inspecting for machining center is initially designed based on teaching. The teaching and inspecting of non-typical part is analyzed and the inspecting system integrated with teaching、path layout and simulation is established.KEY WORDS: machining center, online inspecting, feature, teaching, MFS model, path layoutii河北工业大学硕士学位论文目录中文摘要英文摘要第一章 绪论11-1 加工中心在线检测技术的产生和发展1 1-2 课题研究的背景和意义2 1-3 课题研究的主要内容4第二章 基于人工示教的加工中心在线检测系统62-1 加工中心在线检测系统组成6 2-2 在线检测系统的检测与通讯原理7 2-3 基于人工示教的在线检测方式8 2-4 小结10第三章零件的几何特征和零件模型113-1 零件的分类11 3-2 基于特征的零件信息模型12 3-2-1 基于特征的零件信息描述方法12 3-2-2 几何特征的分类及关系14 3-2-3 几何信息的特征表达 163-3零件的 MFS 模型16 3-3-1 基于 MFS 理论的零件基本描述方法研究17 3-3-2 零件的 MFS 模型183-4 基本几何特征示教方法19 3-4-1 示教圆柱类几何信息19 3-4-2 示教孔类几何信息20 3-4-3 示教凸台类几何信息20 3-4-4 示教凹槽类几何信息21 3-4-5 示教圆弧类几何信息21 3-4-6 示教角类几何信息22 3-4-7 示教自由曲面信息22 3-5 零件示教几何信息的数据处理23iii基于示教的加工中心在线检测技术研究3-5-1 位置分割与零件占用范围信息233-5-2 几何特征的信息规划243-6小结27第四章 路径规划和几何特征检测284-1 建立坐标系28 4-2 检测路径规划29 4-2-1 单个几何元素检测路径工艺规划29 4-2-1 组合几何元素检测路径工艺规划31 4-2-3 采样策略324-3 几何特征检测与拟合33 4-4 小结37第五章 检测宏程序和仿真385-1建立用户宏程序库38 5-1-1 检测宏程序38 5-1-2 宏程序编制的方法和原则39 5-1-3 建立和完善宏程序库395-2 基于 OpenGL 的检测过程仿真40 5-2-1 OpenGL 简介40 5-2-2 测量路径的插补技术41 5-2-3 虚拟零件模型的仿真41 5-2-4 在线测量过程仿真41 5-3 小结42第六章 基于人工示教的在线检测软件编制436-1软件的系统设计436-2各主要功能模块的实现446-2-1 几何信息示教模块、数据处理模块446-2-2 检测仿真模块456-2-3 结果输出模块46第七章 结论47参考文献49致谢52iv河北工业大学硕士学位论文第一章绪论1-1 加工中心在线检测技术的产生和发展在生产产品的工艺流程中，检测阶段占有很重要的地位，并且越来越受到重视1。当一批零件将要开始加工时，有大量的检测工作需要完成，包括夹具和零件的装卡、找正、零件编程原点的测定、首件零件的检测、工序间检测及加工完毕检测等，在某些情况下，还可能有未知零件的检测（如未知模具等）。目前，完成这些检测工作的主要手段有：1.手工检测手工检测是由个别企业的生产及技术能力的低下所决定的，企业由于财力有限，没有高精度高效率的检测设备（例如：三坐标测量机），这就给企业带来了许多的不便。还有，在加工过程中只能进行粗检，一般都会采用手工检测。手工检测是使用千分表、卡尺等常规量具、量仪人工校正测量，其效率低下，精度容易受到人为的影响，而且还导致了宝贵的机床机时的浪费，影响了机床的利用率及产品加工质量。2.离线检测在加工工序之间、加工完成后，将工件从加工中心上取下，利用其他检测设备进行检测，即加工与检测不在同一设备上进行，且二者不同步，先加工，后测量。这种测量方法目前应用较广，典型的测量设备是三坐标测量机。三坐标测量系统（CMMs）是近三十年发展起来的一种高效率的精密测量仪器，其分辨率在微米级，特别是配有计算机的数控系统，使它能够在计算机控制下自动完成许多高精度测量。离线测量可发挥测量系统的功能，测量精度高，同时对加工设备的专业程度要求不高2。3.在线检测通过为加工中心配备一个触发式测头以及相应的检测宏程序，构成加工中心在线检测系统。为了避免手工检测和离线检测的弊端，很多厂商都希望在数控机床上配置各种加工精度的检测设备，并在加工中心上应用自动测量技术，取得了很多的成果。目前，数控机床广泛应用触发式测头，其具有价格低、可靠性强、自身精度高等特点。除此之外，触发式测头还有允许超程量大、结构坚固、工作安全性高、抗干扰能力强等优点。最初的触发式测头采用静定原理的三点布置结构，测量过程中存在一定预行程误差。以英国的 RENISHAO 公司为代表的新一代采用应变片技术的测头（如 RENISHAWTP7 和新型的 TP200），大大减少了测量误差。由检测的发展过程可以看出，由于市场的需求和科技的发展，制造技术生产方式沿着“手工机械化单机自动化刚性流水自动化柔性制造自动化智能自动化”方向发展。随着科学技术的发展，特别是数控技术的不断发展应用，使传统的制造工艺产生显著的变化，形成了 CAD、CAM、CAPP、CAT、FMS、CIMS、FA等一系列具有划时代意义的先进制造技术。1基于示教的加工中心在线检测技术研究高效率为主的自动化，即通过制造过程信息的处理与控制，提高自动化程度，提高生产率，缩短产品的制造周期。二是以计算机参与提高精度为主的精密化，通过现代测控手段实现超精密加工及检测。FMS、CIMS 系统正是在利用计算机进行信息集成的基础上，以缩短新产品研制周期及产品的交货周期，提高产品质量，降低成本为目标的工厂综合自动化系统。这是提高制造业竞争能力最有效的技术手段。因此，对 CIMS 的关键设备数控加工中心高精度在线检测技术的研究备受关注。加工中心作为更高性能的数控机床，配备了刀具和自动换刀装置，具有很强的加工能力，工件只需一次安装，加工中心便可完成多道工序的加工，大大提高了生产效率5。但是由于其自身的缺陷及加工过程中的不可避免的主客观因素，还存在着精度和效率问题，质量保证技术（Quality Assurance）也就随之产生了，它是一门综合技术，不仅涉及传统的质量统计控制技术和事后检测技术，还融合了计算机仿真技术、计算机辅助测试技术、检测控制技术和人工智能技术等新技术9。在诸如 FMS、CIMS 这样的高集成化、高自动化的无人化生产系统中，建立基于数控系统（数控加工中心）的可靠的质量保证子系统是整个系统正常运行的基本前提。面对日趋激烈的国际市场竞争，各国的制造商越来越清楚的认识到，产品质量保证技术是企业在为市场和利润的所进行的竞争中最有力的战略武器。近几年来，质量保证系统正在成为美国工业界的热点，产品质量保证技术在 CIMS 中的重要性越来越明显，为适应市场竞争的需要，目前德国和美国的一些大型制造企业（如德国 HTV 公司和美国的 DEC、GM、FORD 公司等）均运行着计算机辅助质量保证系统。基于数控机床的质量保证技术是质量保证系统中的重要组成部分，也是加工质量保证技术的核心内容。建立完善、可靠的基于数控机床的质量保证系统，不仅是提高数控机床的利用率的关键，也是保证质量和降低生产成本的保证53。1997 年，在汉诺威欧洲机床展览会上，展出了由英国 RENISHAW 公司研制的世界上的一套“循环中测量系统”RENISHAW 系统。此后，这项技术的到了迅速的推广。至 80 年代中期，在一些国外先进的数控机床上几乎都配有触发式测头检测系统。并且系统的功能和用途也随之不断完善和扩大。如今数控机床在线检测技术已经取得了不少成果。国外以英国 RENISHAW 为代表，开发了多种类型的测头，并已经在许多数控机床上应用；国内的北京机床研究所、航天部 303 所等单位也相继研制出机床在机测头，其测量控制和数据处理都在数控宏程序中完成，可以实现简单的点、线、面等基本形体几何参数的测量7。加工中心在线检测技术将加工和检测集成在一起，实现了加工过程中的自动检测。加工与检测在同一台设备上完成，避免了多次装夹、重复定位精度差及辅助时间长等问题8。加工中心在线检测技术关键是其检测过程有数控程序来控制，实现了检测的自动化，是一种基于计算机自动控制的在线检测技术。目前，为了是检测过程更趋于人性化、智能化，人们开始关注人工智能在检测中的应用，并取得了一定的成果。随着加工中心在生产中的广泛应用，并辅有人工智能的加工中心在线检测技术必将成为一项很有发展前途的技术。12 课题研究的背景和意义就目前加工中心在线检测技术的发展水平与应用程度来看，由于种种原因还处于发展与普及的初级2河北工业大学硕士学位论文阶段，尚未得到大规模的应用，不仅在观念上还不能被更多的企业所接受，而且检测系统自身还有待进一步的完善。由于企业的技术管理水平较低，观念比较落后，在设备的购置与使用上，缺乏系统的观点，如企业虽然花费了大量资金用于购置数控机床，但是在一些附件上却不愿意继续投资，例如对刀仪、在机测头等，结果导致高性能数控设备在使用上及其不便，现代化的设备却采用传统的操作方式，造成资源的极大浪费10。加工中心在线检测技术存在的主要技术问题是测量程序的编制过于繁琐。利用加工中心在线检测系统检测零件，首先要编制零件的检测程序，然后才能进行检测。根据编制的手段，程序编制通常分为两大类：手工编程和自动编程。手工编程即整个编制过程由人工完成，即繁琐费时又复杂。编程人员必须对机床及数控系统的各种指令、代码都非常熟悉，而且还必须具备机械加工知识和数值计算能力。并且对于不同数控系统，所用指令代码、程序格式及其他编程规定也不同，给编程工作带来易于混淆和出错的麻烦，以导致在零件检测中出现测头撞坏的情形，出现不必要的损失。对于复杂零件来说，有时手工编程是行不通的。自动编程是指编程人员只需根据零件图样的要求，按照自动编程系统的规定，编写一个零件的源程序，送入编程计算机，即可进行自动编程。但自动编程系统目前还不完善，宏程序不够丰富，还不足以应付千变万化的测量情况。目前，加工中心在线检测的技术水平还停留在在计算机中进行处理得到检测宏程序，通过计算机的 RS232 串行口把程序传送到加工中心，然后再进行检测工作的发展阶段。此过程严重浪费了加工中心的在机时间，在很大程度上阻碍了检测技术的发展，还不能真正称得上加工检测自动化。该技术的适用范围也是阻碍加工中心在线检测技术发展的一个重要因素。由于在零件形面的模式识别领域上还不成熟，还不能建立完善的检测路径规划方案及检测仿真，所以加工中心在线检测系统只能对单个几何元素进行检测，比如，圆孔或圆柱等等。该技术目前的检测对象是有具体尺寸要求的几何零件，对于未知零件来说，尤其是复杂零件，通常是通过手工检测或者在三坐标测量机上进行检测，但对于一些企业来说，由于技术上或者财力上的不足，无力或无意购买 CMMs,仍采用一些效率低、精度差的陈旧检测设备，测量零件的精度还不能很好的满足要求，技术水平较低，即使配置了坐标测量机，仍然存在多次装夹、重复定位误差大及辅助时间长等问题，制约了我国加工制造业的发展水平。再有，随着科学技术的飞速发展，对机械制造业的产品质量和生产效率等提出了更高的要求。所以根据我国现实情况，就要求在线检测系统不仅能完成复杂零件的检测而且要求能完成对未知零件的测量，这样既保证了加工检测的精度和效率，而且还大大的节约了固定投资，在中小型企业中很受欢迎，这也是提出在线检测研究方向的原因所在。目前，基于加工中心的在线检测技术有了很大的发展，主要体现在以下几个方面：1 基于 CAD/CAM 的加工中心在线检测技术研究与开发。2 基于工件实体的加工中心在线检测技术研究与开发。3 加工中心在线检测误差补偿技术研究与开发。基于 CAD/CAM 的加工中心在线检测技术实现图形化自动编程，通过开发 CAD 系统的现有功能，并根3基于示教的加工中心在线检测技术研究据零件在 CAD 系统中已有的几何图形信息，在加工过程中实现序前、序中和序后检测。基于工件实体的加工中心在线检测技术主要是针对对旧件的基本几何特征进行分析和规划，编制检测程序，完成在线检测。加工中心在线检测误差补偿技术主要研究机床在检测过程中检测系统及机床加工本体的检测误差，虽然研究的内容同以上两个研究方向存在着差异，但是他们研究的目的是相同的，即在保证一定的精度下，完成对零件的检测。以上的研究能很好的完成相应的检测功能，但是对于未知的零件来说，即没有任何参考数据的零件（这主要体现在模具行业），以及复杂的零件来说，以上的技术还不能很好的实现所需的功能。针对上述在线检测的应用现状，提出了基于人工示教的加工中心在线检测技术，该技术是基于加工中心在线检测系统的有机组成部分，是面向整个未知零件检测的技术，是在线检测技术的横向扩展，使在线检测技术更加完善。此技术可在多品种少批量的工件加工检测中发挥更大的作用。1-3 课题研究的主要内容示教思想是计算机进入示教状态以后，根据接收零件基本信息的类型不断接受加工中心传出的示教信息，并对接收的数据进行分析，经过初步的数据处理，然后进行代码的转换，形成标准的零件检测程序，检测完成后根据需要确定表达各个几何特征的参数，以及几何特征之间的位置关系。据此思想，本课题的研究内容主要有以下几部分组成：（1）模型规划：针对课题的研究对象，需要对未知零件进行模型规划，确定几何特征的示教方案，以利于示教过程的实现。（2）数据的采集：数据的采集是完成人工示教的在线检测的保证。加工中心和计算机之间应能实时保持通讯，以保证加工中心得到的零件信息能及时的传送到计算机。在此包括示教信息的采集以及检测过程中数据的采集。（3）示教数据处理：由于手工操作进行示教，不可避免的涉入了一些主观因素，同时为了简化示教，降低占机时间，所以，必须将采集到的数据直接转换成检测宏程序，所以应根据一定的规则，对示教数据进行处理，并根据以往的示教学习经验进行数据优化，得到示教几何特征的几何参数。（4）检测宏程序和仿真：根据数据的存储标志，以及数据表示的各几何信息之间的结构关系，调用相应零件基本几何信息的宏程序，组成完整零件的检测程序。对于未知零件来说，由于人工示教的局限性以及不可避免的系统误差，可能在示教数据处理过程中存在这样那样的问题，所以在系统进行检测之前对检测过程进行仿真，确保检测程序的无误，保证不会在检测过程中出现碰撞。（5）检测信息数据处理 检测的最终目的是得到零件几何特征的尺寸和几何特征之间的位置关系，所以检测完成后应对检测数据进行分析，经过数据转化得到需要的参数信息，为下一步的加工过程做数据上的准备。图 11 反映了基于人工示教的加工中心在线检测系统的基本结构，其中模型规划和数据处理是本课题的主要研究内容之一。根据人的思维习惯、操作的可能性及数据处理的方便将零件按照几何特征进行划分，这主要在第三4河北工业大学硕士学位论文章模型规划阶段进行分析。通过数控系统控制单元的 RS232 串口将测头通过示教检测到的数据实时传送到计算机，计算机根据几何特征信息的类型、位置等相关信息进行分析和规划，形成虚拟零件，即零件中的示教的几何形体的数据是模糊的，是不确定的。基本几何特征宏程序库模型示教示教数检测过检测宏程序规划据处理程仿真检测检测信息零件模型数据处理图 1.1 人工示教在线检测系统结构图Fig. 1.1 The frame map of teaching online inspecting由于示教过程的不确定性及示教的几何特征信息的模糊性，这就决定了检测路径、检测点的位置的不确定性，为此，在对数据的处理过程中需对各几何特征信息进行虚拟规划，生成零件虚拟数据库，即根据示教点的几何特征所组成的环境，估计各几何特征的几何参数，以确定测头在测量几何特征时的运动范围。在系统结构中，基本几何特征宏程序库是预先编制好的孔、柱等基本形体的宏程序，在示教信息数据处理得到模糊的几何特征的基础上调用，得到需要的检测宏程序。零件模型是最终的零件几何信息的检测结果，通过零件模型，不仅可以得到示教的几何形体的几何参数，而且可以得到几何形体之间的形位关系，通过零件模型的数据可以进行以后的加工检测工作。5基于示教的加工中心在线检测技术研究第二章基于人工示教的加工中心在线检测系统2-1 加工中心在线检测系统组成随着数控系统的发展，使数控机床具有了用户宏程序和存储等功能，为实现其在线自动检测提供了条件；测头性能的不断完善，为在线检测技术应用开辟了良好的前景。加工中心在线检测系统是将计算机引入加工中心数控系统，利用计算机强大的计算、存储和开发能力来弥补加工中心数控系统的缺陷。可通过计算机软件技术提高测头自动监测的精度、效率和可操作性，实现测量过程和测量结果的可视化，使数控加工中心在线检测技术水平得以提高。通常加工中心的关键部分由数控加工中心机械本体、数控系统、伺服系统等部分组成，可以完成零件的加工。加工中心在线检测系统即在加工中心上配备上检测用测头、检测宏程序库及数据传输用附件，其结构图如图 2.1 所示：主轴测头接口转换器计测头算工件机工作台CNC 控制器系光栅传感器统光栅接口图 2.1 加工中心在线检测系统11Fig. 2.1 the system of online inspection on machining center其中关键部分的结构有：1.数控加工中心机械本体加工中心的机械本体是实现加工、检测的基础，其工作部件是实现所需基本运动的部件，它的传动部件的精度直接影响着加工、检测的精度。2.加工中心数控系统6河北工业大学硕士学位论文加工中心一般都采用 CNC 数控系统，其主要特点是输入存储、数控加工、插补运算以及机床各种控制功能都通过程序来是实现，能增加很多逻辑电路难以实现的功能。计算机与其他装置之间可通过接口设备联接，当控制对象或功能改变时，只需改变软件和接口。CNC 系统一般由中央处理存储器和输入输出接口组成，中央处理器又由存储器、运算器、控制器和总线组成。3.伺服系统伺服系统是加工中心的重要组成部分，用以实现数控机床的进给位置伺服控制和主轴转速（或位置）伺服控制。伺服系统的性能是决定机床加工精度、测量精度、表面质量和生产效率的主要因素。4.测量系统测量系统有接触触发式测头、信号传输系统和数据采集系统组成，是数控加工中心在线检测系统中的关键部分，直接影响着在线检测的精度。其中关键部分为测头，常用测头一般有触发式、扫描式、和非接触式三种类型。5.计算机系统计算机系统包括硬件和软件。加工中心在线检测系统利用计算机进行测量数据的采集和处理、检测数控程序的生成、检测过程的仿真及与加工中心通讯等功能。由于数控机床自动检测系统本身的局限性，造成编程繁琐、检测功能较少且精度较低。而微机加入数控加工中心在线检测是对数控机床测头在线检测系统有益的和强大的补充，利用计算机强大的计算、存储和开发能力，可通过软件技术提高测头自动检测的精度、效率和可操作性，实现测量过程和测量结果的可视性，使数控机床在线检测技术提高到新的水平。2-2 在线检测系统的检测与通讯原理由图 2.1 可知测量系统主要由测头、测头接口、转换器、光栅传感器和光栅接口组成。在接触式测量中，主要使用接触式触发测头，又称为开关发讯测头。测头像普通刀具一样安装在机床刀库中，由程序控制可自动调出并安装在机床主轴上，由程序控制进行自动测量并将测量结果反馈到计算机系统。早期的触发式测头以英国 RENISHAW 公司生产的 MP3 等为典型代表，这种测头具有弹簧力作用下的机械定位机构，当测杆同工件接触受力偏转时，产生触发信号，但不可避免的产生测头预行程量的变化。新一代的测头以 TP7M 为代表，设计成三网式结构，预行程变化小。相对于触发式测头而言，诸如扫描式测头和非接触式测头虽然有着精度较高等有点，但是，触发式测头结构简单，价格低廉；坚固耐用，容许的超程量大，安全性高，抗干扰能力强，适合于在线检测尤其是基于示教方式的检测领域的应用，所以在本系统中采用接触式触发测头。转换器是一个多功能通讯接口，作为加工中心和上位计算机的通讯接口，采集测头碰到工件发出的信息传送给计算机，计算机采集到后，根据需要采集光栅接口保持的当前各个轴的位置信息。同时转换器根据控制计算机的指令，驱动测头运动，完成计算机与加工中心之间的信号传递11。7基于示教的加工中心在线检测技术研究光栅接口和各个轴上的光栅传感器相连。光栅传感器能体现出各轴的当前位置，通过光栅接口保持光栅的位置信息，计算机根据需要读取光栅接口的位置信息。根据产品几何特征造型生成相关的测量驱动程序，当需要测量时，计算机自动调用测量程序，驱动测头进行测量，当测头移动过程中遇到工件时，测头就会发出一个触发信号传递给测头接触电路、该电路通过 RS 主从触发器滤掉机械抖动噪声信号，并将信号传递给专用通讯接口卡，通过该接口，计算机收到测头的触发信号，并立即从光栅传感器读取此刻坐标（产品尺寸）信息。同时，测头反向运动一个微小距离，使测头与工件分离，避免移动测头时划伤测头。其基本实现功能如下图所示：开始测量路径生成测头运动 YN接触工件否？测头反向运动测头停止运动测头运动停止信号N测完否？ Y结束或转入其它程序图 2.2 测量功能流程图Fig. 2.2 the flow chart of inspecting function此测量系统不仅可完成加工过程中的序前、序中、序后测量，还能完成对零件的人工示教测量。基本上可满足加工中心在线检测系统的需要。2-3 基于人工示教的在线检测8河北工业大学硕士学位论文2.3.1 人工示教检测方式示教再现（Teaching/Playback，简称 T/P 方式）方式最初体现于机器人领域，是一种特殊的程序编制及实现过程。由于其编程过程以及适用范围的独特性，在越来越多的领域得到了应用。进行示教时要考虑示教对象的结构、工件的形状、重量、材质和加工工艺以及周边设备等情况。示教之后要先试运行，并不断修正轨迹和姿势，以使作业状况最佳，从而得到理想的作业效果并形成最终的作业运行程序12。作为加工制造业中高精度、测量范围广的测量工具，三坐标测量机不仅提高了测量精度，而且解决了复杂形状表面轮廓尺寸的测量，例如箱体零件的孔径与孔位，叶片与齿轮、汽车与飞机等的外廓尺寸检测，同时还提高了测量效率。三坐标测量机的测量手段主要为探测模式和编程模式，由于本系统检测的对象主要为未知零件，基于人工示教的在线检测技术主要采用了三坐标测量机的探测模式，在某个检测领域代替三坐标测量机的功能。通过加工中心测量系统计算机系统组成的加工中心在线检测系统代替人工操作完成对未知零件繁重、效率及精度低下的测量是实现高速、高效的 CIMS 的必要和有益的手段及补充。在加工系统作业之前必须示教或编程，描述加工中心测头要运行的轨迹，赋予加工中心各轴所要达到的位置等信息。目前需要示教的任何系统的编程方式主要为在线示教和离线编程两种19，以加工中心作为核心设备的 CIMS 系统组成的柔性制造系统，不仅要求高质量、高精度，高效率也是必不可少的。由于未知零件的多样性以及示教过程的复杂性单纯采用离线编程或者在线示教是行不通的，前者由于缺少零件不要的尺寸，在特有的情况下不能编制检测程序，再有，即使能够编程也存在现场编程适应性差，修改不便的弊端。后者虽然可以根据现场作业环境灵活示教编程，但是示教内容复杂，占用生长和调试的时间过长，所以在 CIMS 系统中，有必要将两种编程方式相结合，设计一种在 CIMS 系统中适合未知零件测量的示教/再现编程方法。2.3.2 人工示教检测的功能组成由以上可知基于人工示教的加工中心在线检测技术的核心为现场示教、离线编程过程，现场示教主要完成以下功能：1) 确定检测的几何特征及其检测的所需的精度，几何特征的分析在本章的模型规划中分析；2) 确定测头运动轨迹点的位置；3) 位置坐标点的存储。离线编程主要完成：1) 根据示教的几何特征类型和示教的参数环境计算零件的参数；2) 规划进一步检测的运动轨迹；3) 为了避免检测过程碰撞的发生，在必要的情况下仿真检测过程。根据示教对象的特点，即主要是未知的零件，没有特定的尺寸可以参考，所以采用了直接示教的方式，与传统的示教方式不同，在本系统中没有采用示教编程器，采用了同手把手直接示教相似的方式，手动操作数控机床的主轴，使测头运动到需要的位置同工件接触，测头发出触发信号，计算机采集到信9基于示教的加工中心在线检测技术研究号后，根据需要采集光栅的位置信息，并存储在开发平台的数据区中，完成零件的一个人工示教循环。根据检测的需要，完成整个零件的示教过程。示教过程完成后，需要对采集的数据进行分析、解读、计算。为了节省示教时间，又因为示教的几何信息是不完整的，所以有必要对采集到的几何信息进行识别。通过对采集信息的位置分析，得到几何特征在坐标系中的位置及其几何参数。根据几何特征的位置、几何信息调用相应的检测宏程序生成应用于加工中心的检测程序，经过仿真，确认无误后，即可进行检测作业环节。这个过程为离线编程，又称为翻译过程。由此可知，由于示教过程中确定了几何特征，所以只需示教待测几何特征的有效点，即采用点到点(PTP)的示教方式，而有效点之间的轨迹则根据具体情况采用轨迹规划原则而定，这种示教方式的优点主要体现在一下方面：1) 仅需对待测零件的少数点进行示教，示教时不必关注各个几何特征之间的位置关系；2) 现场示教不需要特别的运动控制语言，简单方便；3) 示教过程占用的时间大大的减少。2-4 小结本章首先分析了加工中心在线检测系统的硬件结构，根据开发的难易程度，提出了一种新的数据采集方法，即通过转换器来采集示教过程的数据，而不同于以往的通过数控系统来读取数据。作为基于示教的加工中心在线检测系统，从理论上和实际上分析了示教的原理及其组成部分，为以后的工作做了总体上的规划。10河北工业大学硕士学位论文第三章 零件的几何特征和零件模型在零件的检测过程中，对其基本几何信息进行示教的同时，还必须进行非检测过程的测头运行路径的规划，如果全部采用示教来完成，示教编程内容比较复杂，工作量大，如果全部编程工作采用在线示教方式，将占用大量的调试和生产时间。针对上述状况，为了减少示教编程的工作量，降低现场示教内容的复杂性，在本课题中将在线检测的编程分为在线示教和离线示教两部分。在线示教部分完成：1) 通过手动控制测头，使测头接触待示教基本几何元素，确定测头示教轨迹点的准确位置。2) 计算机通过测头和计算机之间的接口，采集示教的位置坐标，并存储记忆。2）离线编程完成：通过对示教几何元素的位置关系分析，在宏观上和微观上进行检测过程的轨迹规划。3-1零件的分类一个车间加工的零件种类各种各样，加工检测信息复杂，信息量大，要在大量的数据中找到需要的信息，首先必须对复杂的数据进行分类、去粗取精，将其分类才有可能进行数字化，并进一步建立所需要的统一的产品数据模型14。针对本系统主要的检测对象是未知零件，所以在检测前对未知零件有一个超前的概括，或者零件几何特征信息的超前确定，不仅可以简化几何特征信息的采集，而且对于以后的数据处理也是很方便的。所以对零件的分类是必需的；又由于对于某一生产企业来说，待加工的零件形状是有一定规律的，所以零件的分类也是可行的。通常对零件的分类主要根据其外部轮廓的形状，对于本系统中的待检测零件来说，按其结构特征主要分为回转类零件和非回转类零件。对于回转体零件来说，很容易定义区分其几何特征。而对于非回转体来说，相对来说就很难。但是不同类别的零件其包含的基本几何结构特征是相同的。从工程上来讲，一般零件大体上可分为规则体和自由曲面体，或者是两者的结合，规则体是由简单的点、线、面基本的几何元素组合而成的，自由曲面体是由复杂的自由曲面组成的，很难确定其几何表达方式和在坐标系中的位置。以上两种分类方式对于本系统来说，不能很方便的表达出待示教零件的结构特征，在此，根据系统11基于示教的加工中心在线检测技术研究的特点，以及采集数据的方便，系统主要将零件分为典型零件和非典型零件。典型零件：目前，国内在 CAD 标准件方面作了大量的工作，一般采用一类零件一个数据结构的方法。若一些零件具有相似的几何形状，只是在尺寸或者局部特征方面有所差别，那么这一类零件就构成一个零件族。比如箱体类、轴类零件等，其外形相差不多，功能也一样，因此可把其所属系列产品定义为一个零件族。从零件族中抽取某一特定尺寸的零件，作为该零件族的类属成员，其它尺寸的零件作为家族成员，缺省的继承类属成员的所有属性（包括尺寸参数、特征等）。可见，类属成员拥有整个零件族的共同属性，是所有家族成员的代表。但是这样的零件表达方式又有很大的缺点，其数据表达的特性决定了有多少类零件就有多少种模型结构，而常用零件，最少就有上百种，因此对于典型零件库的开发有很多缺点，主要体现在：一，开发的工作量大，需要针对不同类型零件进行不同的设计；二，可扩充性差，由于难以提供完备的零件库，因而在实际应用中受到很大的限制。所以在本系统中典型零件库的设计及应用主要是作为辅助功能使用的，针对不同的生产厂家规划不同的典型零件库。虽然典型零件库在设计和应用上存在着很多的弊端，但它的存在是对非典型零件的有益的和必要的补充，对于一些厂家来说，可以在很大程度上降低示教几何特征的占机时间以及提高检测路径规划的有效性和可靠性，对于生产自动化来说，也是必不可少的组成部分。非典型零件：常用零件种类繁多，而且各类零件参数关系不一样，某些零件参数较为复杂没有明显的规律可寻，所以很难定义一个通用的模型，而且以上介绍的典型零件所存在的设计和应用上的种种弊端。针对上述问题，在此利用了一个通用的零件模型，即基于特征的零件模型。通过特征零件模型对示教的基本几何特征元素进行存储，然后对其数据进行处理，通过基本几何特征的位置分析、轨迹规划，得到其检测宏程序。基本几何特征