（测试计量技术及仪器专业论文）加工中心在线检测路径规划模型及仿真研究.pdf

河北工业大学硕士学位论文 加工中心在线检测路径规划模型及仿真研究 摘要 随着信息技术、计算机技术、现代电子技术等高新技术不断发展，特别是计算机技术 的普及和应用，加工中心在线检测技术随之发展起来。加工中心在线检测技术是提高加工 中心加工精度和自动化程度的关键技术之一，是计算机集成制造系统( c i s m ) 中计算机辅 助质量监控( c a q c ) 的关键技术。 本论文研究了加工中心在线检测中的关键技术路径规划和仿真技术。加工中心在 线检测路径规划是决定在线检测效率和精度的关键所在，仿真是验证检测路径的有效途 径。在深入研究零件检测特征的基础上，提出了基于特征的检测路径规划方法和检测路径 规划模型，并对检测路径进行了检测过程仿真。利用面向对象的在线检测编程技术，以 v c + + 6 0 和a c c e s s 平台开发了一套编程合理、方便、功能强大的加工中心在线检测及仿真 系统，可以满足不同零件的多检测要求。 本论文的研究内容如下： 1 国内外加工中心在线检测技术的研究现状分析及成果研究。 2 针对加工中心在线检测技术，提出了零件的检测特征，并对检测特征进行分类和 表达。 3 根据检测特征的分类，提出了基于特征的检测路径规划方法及检测路径规划模型。 4 深入研究了加工中心在线检测路径规划的基础上，建立了加工中心在线检测的检 测数据库。 5 对加工中心在线检测及仿真系统进行总体设计，开发了集参数式赋值编程、图形 编程的自动编程及仿真系统，实现了针对不同的加工中心、不同的测头类型和不 同的零件的自动编程和检测过程仿真。 关键词：加工中心，在线检测，检测特征，路径规划，仿真 加工中心在线检测路径规划模型及仿真研究 r e s e a r c ho nt h ep a t hp l a n n i n gm o d e l a n dt h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yo fm a c h i n i n g c e n t e ro n l i n ei n s p e c t i o n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e wa n dh i g ht e c h n o l o g i e s ，s u c ha si n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y , m o d e me l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , e t c ，e s p e c i a l l y t h ep o p u l a r i z a t i o na n d a p p l i c a t i o no f t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h eo n l i n ei n s p e c t i o nt e c h n i q u eo f t h em a c h i n i n gc e n t e r i sb e i n gd e v e l o p e dt h e r e u p o n t h eo n l i n ei n s p e c t i o nt e c h n i q u eo f t h em a c h i n i n gc e n t e ri so n eo f t h ek e yt e c h n o l o g i e so fi m p r o v i n gt h em a c h i n i n ga c c u r a c ya n dt h ea u t o m a t i cd e g r e eo ft h e m a c h i n i n gc e n t e r , a n di ti st h ek e yt e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e ra i d e dq u a l i t yc o n t r o l ( c a q c ) i n t h ec i m s t h ep a t hp l a n n i n ga n dt h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g i e so fm a c h i n i n gc e n t e ro n - l i n ei n s p e c t i o n a r es t u d i e di nt h et h e s i s t h ep a t hp l a n n i n go fm a c h i n i n gc e n t e ro n l i n ei n s p e c t i o ni st h ec r u c i a l p o i n tt h a td e t e r m i n e st oi n s p e c te f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o n ，t h es i m u l a t i o nc a nv e r i f yt h ei n s p e c t i n g p a t h o nt h eb a s i co fs t u d y i n go ni n s p e c t i n gf e a t u r e so fp a r t st h o r o u g h l y , t h ei n s p e c t i n gp a t h p l a n n i n gm e t h o da n dt h em o d e lb a s e do nt h ei n s p e c t i n gf e a t u r e sa r en o u g h tf o r w a r da n dt h e s i m u l a t i o no fi n s p e c t i n gp r o c e s si sc a r r i e do ni nt h et h e s i s u t i l i z eo b j e c to r i e n t e do n - l i n e i n s p e c t i o np r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y , w i t hv c + + 6 0a n da c c e s sp l a t f o r m as e to f p r o g r a m m i n g r a t i o n a l ，c o n v e n i e n t ，p o w e r f u lo n - l i n ei n s p e c t i o na n ds i m u l a t i o ns y s t e mf o rm a c h i n i n gc e n t e rh a s b e e nd e v e l o p e d ，w h i c hc a l lm e e tv a r i o u si n s p e c t i n gd e m a n d sf o rd i f f e r e n tp a r t s t h er e s e a r c hc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ec u r r e n ts i t u a t i o na n a l y s i sa n da c h i e v e m e n t so ft h ed o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a l m a c h i n i n gc e n t e ro n - l i n ei n s p e c t i o nt e c h n i q u e a r es t u d i e d 2 a i m e da tt h em a c h i n i n gc e n t e ro n l i n ei n s p e c t i o nt e c h n i q u e ，t h ei n s p e c t i n gf e a t u r e so f p a r t sa r ep r o p o s e d ，c l a s s i f i e da n de x p r e s s e d 3 a c c o r d i n gt ot h ec l a s s i f i c a t i o no ft h ei n s p e c t i n gf e a t u r e s ，t h ei n s p e c t i n gp a t hp l a n n i n g m e t h o da n dm o d e lb a s e do nt h ei n s p e c t i n gf e a t u r e sa r eb r o u g h tf o r w a r d 4 o nt h eb a s i co ff u r t h e ri n v e s t i g a t i o np a t hp l a n n i n go ft h em a c h i n i n gc e n t e ro n l i n e i n s p e c t i o n ，t h ei n s p e c t i o nd a t a b a s eo f m a c h i n i n g c e n t e ro n - l i n ei n s p e c t i o ni ss e tu p 5 t h es y s t e mo ft h em a c h i n i n gc e n t e ro n l i n ei n s p e c t i o na n ds i m u l a t i o ni sd e s i g n e d o v e r a l l l y t h ea u t o m a t i cp r o g r a m m i n ga n ds i m u l a t i o ns y s t e mi n t e g r a t i n gw i t hp a r a m e t e rt y p e 河北工业大学硕士学位论文 a s s i g n m e n tp r o g r a m m i n ga n df i g u r ep r o g r a m m i n gi sd e v e l o p e d ，t h es y s t e mh a sr e a l i z e d t o a u t o m a t i cp r o g r a m m i n gf o rd i f f e r e n tm a c h i n i n gc e n t e r s ，d i f f e r e n tp r o b e sa n dd i f f e r e n tp a r t sa n d s i m u l a t i o no f i n s p e c t i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：m a c h i n i n gc e n t e r , o n l i n e i n s p e c t i o n ，i n s p e c t i n gf e a t u r e ，p a t hp l a n n i n g ， s i r n u l a t i o n 河北工业大学硕_ l 学位论文 第一章绪论 卜1 引言 随着经济发展和市场的全球化趋势，用户对产品的质量、更新换代的速度以及产品从设计、制造 到投放市场的周期都提出了越来越高的要求。要满足这一需求，不仅要采用先进的设计与制造技术以 进一步提高产品质量，而且也需要采用先进的检测技术提高产品检测水平，实现检测过程的高精度、 自动化、柔性化、智能化和1 0 0 在线检测等目标“。传统的使用坐标测量机在计量室进行质量抽检 已不能适应现代生产的需要。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。近 年来，在线检测技术发展很快，并且成为衡量数控机床技术水平的重要特征之一”1 。 卜2 加工中心在线检测技术概述 l 心一l 加工中心在线检测技术的产生和发展 加工中心作为高技术产物和c i m s 的基础设备，应用范围越来越广。为充分发挥加工中心的作用， 必须减少设备的停机时间，提高设备利用率。每当一批零件要加工时，需要大量的检测工作，包括加 工前检测( 找正、确定工件坐标系和获取工件基本几何特征信息等) 、工序间检测( 及时调整加工基准) 和加工完后工件关键尺寸的检测等。传统的检测手段主要包括手工检测和离线检测。 手工检测是使用千分表、卡尺等常规量具进行测量，检测效率低，检测精度差，精度容易受人为 影响，并且导致了加工中心机时的浪费，耗时长，占用人员较多，影响了机床的利用率和产品的加工 质量。 离线检测是在加工工序之间或加工完成之后，将工件从加工中心上取下，利用其它检测设备( 如 最典型的是三坐标测量机) 进行检测，加工和检测不在同一设备上进行，且两者不同步。三坐标测量 机测量精度高，测量速度快，测量功能完善，测量范围较大；但三坐标测量机价格昂贵，测量成本高。 通常情况下，测量精度要求高的复杂工件，选用三坐标澳4 量机进行测量。而且离线测量需要二次定位， 会产生二次定位误差。 由此可见。传统的检测手段检测效率低，不仅影响了加工效率及机床的自动化程度，还导致了设 备利用率和产品加工质量降低，检测设备耗资太大，这就大火影响了加工中心强大功能的正常发挥。 7 0 年代后期数控机床上才开始使用测头系统，以r e n i s h a w 为代表的自动测量系统包括多种类 河北t 业大学硕上学位论文 第一章绪论 卜1 引言 随着经济发展和市场的全球化趋势，用户对产品的质量、更新授代的速度以及产品从设计、制造 到投放市场的周期都提出了越来越高的耍求。要满足这需求，不仅要采用先进的设计与制造技术以 进一步提高产品质量，而且也需要采用先进的检测技术提高产品检测水平，宴现检测过程的高精度、 自动化、柔性化、智能化和l o o 在线检测等目标“。传统的使用坐标测量机在计量室进行质量抽检 已不能适应现代生产的需要。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。近 年来，在线检测技术发展很快，并且成为衡量数控机床技术水平的重要特征之一”。 卜2 加工中心在线检测技术概述 1 吨一1 加工中心在线检测技术的产生和发展 加工中心作为高技术产物和c i m s 的基础设各，应用范围越来越广。为充分发挥加工中心的作用一 必须减少设备的停机时间，提高设备利用率。每当一批零件要加工时，需要大量的检测工作包括加 工前检测( 找正、确定工件坐标系和获取工件基本几何特征信息等) 、工序间检测( 及时调整加工基准) 和加工完后工件关键尺寸的检羽6 等。传统的检测手段主要包括手工检测和离线检测。 手工检测是使用千分表、卡尺等常规量具进行测量，检测效率低，检测精度差。精度容易受人为 影响，并且导致了加工中心机时的浪费，耗时长，占用人员较多，影响了机床的利用率和产品的加工 质量。 离线检测是在加上工序之间或加工完成之后，将工件从j j n2 1 2 中心上取下，利用其它检测设备( 如 最典型的是三坐标测量机) 进行检测，加工和检测不在同一设备上进行，且两者不同步。三坐标测量 机测量精度高测量速度快，测量功能完善，测量范围较大；但三坐标测量机价格昂贵，测量成本高。 通常情况下，测量精度要求高的复杂工件，选用三坐标测量机进行测蜃。而且离线测量需要二次定位， 会产生二次定位误差。 由此可见。传统的检测手段检测效率低，不仅影响了加工效率段机床的自动化程度，还导致了设 备利用率和产品加工质量降低，检测设备耗资太大，这就大大影响了加工中心强大功能的正常发挥e 7 0 年代后期数控机床上才玎始使用测头系统，姒r e n i s h a w 为代表的自动测量系统包括多种类 7 0 年代后期数控机床上才开始使用测头系统，以r e n i s t t a w 为代表的自动测量系统包括多种类 加工中心在线检测路径规划模型及仿真研究 型，触发式测头系统、非接触式与扫描式测头系统等等。1 9 7 7 年在汉诺威欧洲机床展览会上，展出了 由英国r e n i s h a w 公司研制的世界上第一套“循环中测量系统”一r e n i s h a w 系统。此厉，这项技 术得到了迅速推j “。1 9 8 1 年在汉诺威展览会上有3 2 种机床采用了r e n i s h a w 系统。国内，北京机 床所、航天部3 0 3 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 成可咀实现简单的点、线、面等基本形体几何参数的测量。由丁触发式测头造价低、可靠性好在数 控机床在线检测中应用普遍”1 。 在加工中心上配备一触发式测头和相应的检测宏程序就构成了加工中心在线检测系统，这就在不 改变加_ t 中心原有软硬件系统的基础上，将工业三坐标测量机的主要功能移植到了加工中心上，实现 了在线检测和反馈控制。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”1 。 近年来国内外学者在数控机床在线检测技术领域开展了多方面的探索和研究工作，美国n g ，h u n g 等人研究了坐标测量机中的自动编程技术，它属于离线检测，工件的多次装卡降低了生产率，增加了 重复定位误差和辅助时间”1 。m o u ，j 等人基于c a d c a m c a i 集成技术对雕刻面在机检测过程进行路径 规划。h o l l i n g u m ，j a c k 等人报道了触发式测头及其它计量产品的制造厂商雷尼绍公司开发的雷尼 绍自动铣n 车削检测中心，可以实现加工生产线没有任何加工后检测的情况下连续将车削或铣削加工 误差降低到6um ”。h a n d s c h u h ，r o b e r tf 等人用坐标测量机完成了螺旋伞齿轮加工的自动测量”3 。 m e r a t 等人对质量控制检测进行自动规划“。英国雷尼绍公司主要针对雷尼绍测头的特点及其在数控 机床上的应用进行了研究“。英国a n o n 研究了雷尼绍触发测头可以完成的基本功能和为企业和社会 创造的经济效益1 。德国i r i g u c h i 发明了一种自动编程的设备与方法，它主要用于数控机床，能够 很容易的建立加工程序 1 3 1o 韩国p a h k ，h j 开发了模具制造中的集成精度检测系统，它在c a d 环境中 选定检测特征，进行孔、槽、圆柱等一些基础特征的检测“。南韩k i m ，k y u n g - d o n 等人用触发式测 头和测量g 代码实现两轴半机床的尺寸测量，直接在机床上生成检测程序，导致编程灵活性下降，造 成内存负担过重“”。南京晨光集团有限责任公司李航、李永铜等人主要研究了在线检测系统的组成、 特点、工作原理及测头系统白带检测宏程序库在实际生产中的应用范围，给出了测头的具体使用方法 和校准的基本应用程序“。哈尔滨工业大学马云辉，陶崇德等人主要利用数控机床和加工中心上的位 置检测系统实现工件测量、还对无线测头的研制以及控制系统的组成、测量范围及方法进行研究，可 进行线性尺寸、孔、柱的测量1 。天津大学刘又午教授、章青教授等深入研究了多坐标数控机床的误 差分析和补偿方法“。河北科技大学刘利剑等人研究了加工中心在线测量的意义、基本方法，着重于 测头的选取、系统的连接以及数据的处理，用v b 6 0 编制了测量软件，可完成长度、角度、位置度、 形状度的自动测量“。河北工业大学刘丽冰教授主要研究了三轴加工中心在线检测系统的构成，提出 了系统的总体构成方案，研究和探讨了数控加工中心在线检测误差建模方法，提出了单轴测量、综合 辨识的新方法，并利用多体系统误差分析方法，建立了机床单轴测量几何误差综合辨识模型，提出了 九线误差测量和综合辨识方法。河北工业大学硕士孙志海研究了基于c a d 的加工中心在线检测系统， 在o b j e c t a r x 的开发环境v i s u a lc + + 6 0 下，结合m f c 类库，对m d t 二次开发，提取图形数据，制 定检测路径规划，自动生成检测程序。该系统可用于工件的装夹找正，对工件进行自动在线测量等”。 2 河北工业大学硕上学位论文 河北t 业大学硕士辛娜研究了加t 中心在线检测实物编程技术，开发了系统，该系统可以用于实现加 工中心在线提取工件几何信息、加工信息。对提高产品加上精度、效率，以及新产品开发、旧产品改 型和样件仿制等方面均有重要意义”“。河北t 业大学硕士翟庆光研究了基于示教的加工中心在线检测 技术，从人t 示教的原理、示教的基本方法，零件的几何模型分析、检测的路径规划等方面进行了分 析研究”。 卜2 2 加工中心在线检测系统组成、工作原理及特点 1 加工中心在线检测系统组成 目前，加工中心在线检测系统由加= 中心和自动测量系统组成，自动测量系统包括接触式触发测 头、信号传输系统、控制器和相应的软件。测量过程直接在数控系统控制下，通过调用用户宏程序来 完成。图1 1 为在线检测系统组成示意图。 图1 1 加工中心在线检测系统 f i g 1 1t h es y s t e m o f m a e h i n i n gc e n t e r o n - l i n e i n s p e c t i o n 图1 2 计算机辅助加工中心在线检测系统 f i g 12t h es y s t e mo f c o m p u t e ra i d e dm a c h i n i n gc e n t e ro n - l i n ei n s p e c t i o n 接触式触发测头像普通刀具一样安装在加工中心刀库中，由程序控制可自动调出并安装在机床主 3 加工中心在线检测路径规划模型及仿真研究 轴上，由程序控制进行自动测晕并将测量结果反馈至机床控制系统。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。而将微机加入数控加上中心在线检测是对数控 机床测头在线检测系统有益和强大的补充，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。 计算机辅助加工中心在线检测的t 作原理足在加工中心上安装在机测头装置，通过计算机辅助检 测系统交互形成检测程序，控伟t ) j n i 中心实现自动检测功能。 计算机辅助加工中心在线检测系统是一个由数控加工中心测头装置计算机系统被 测工件组成的复杂的机电一体化系统，计算机辅助加工中心在线检测系统总体构成及信息传递关系如 图1 2 所示。 2 计算机辅助加工中心在线检测基本工作原理及特点 要实现加工中心在线自动检测，首先应在计算机辅助编程系统上生成自动检测程序：并将检测程 序由r s 2 3 2 通讯接口传输给数控机床，从而使机床伺服系统驱动工作部件，带动测头及被测件按检 测程序要求产生测量动作；测头对工件进行检测时发出的触发信号，则通过测头与数控系统的专用接 口转变为数控系统可识别的信号：数控系统接收信号后，立刻记录测点的坐标，同时按程序控制工作 部件的下一步动作；在计算机软件系统控制下，可对系统检测结果进行计算、补偿及可视化等各项数 据处理工作，直至完成全部检测工作。 与目前的检测方法相比，计算机辅助加工中心在线检测的测量程序由原来复杂的手工编写转变为 微机交互界面操作和主程序自动生成；测量结果计算和补偿由过去在测量宏程序中完成转变为在微机 中进行：进行复杂的综合误差补偿运算由原来不可能而成为可能。系统中引入微机的主要贡献还在于 增强了系统的灵活性和对用户的适应性，降低了用户使用系统的要求和学习时问，延长了系统的生命 周期。 1 - 3 课题的提出和意义 在科学技术迅速发展的今天，测量技术对个国家的发展起着十分重要的作用。如果没有先进的 测量技术与测量手段，就很难设计、制造出综合性能及单项性能均优良的产品，更谈不上发展现代高 精端技术。因此世界上工业发达的国家都非常注重和研究各种测量技术。 高精度加工技术的发展推动了高精度检测设备的发展。对工件进行检测的系统很多，主要有三坐 标测机系统，测量加软件的测量系统，计算机断层扫描工业c t 等。6 0 年代出现的三坐标测量机， 经过3 0 余年的发展，其性能近趋完善，广泛用于机床仪表工业、汽车工业、航空航天工业等。但其由 于三坐标测量机价格昂贵，使用效率低，维护费用高。在我国大量的中小型企业无力或无意购买三坐 标测量机，仍采用一些效率低、精度差的陈旧检测装置，技术水平较低；即使配置了三坐标测量机， 仍然存在需多次装卡、重复定位误差大及辅助时间长等问题，制约了我国加工业的发展水平。相比之 下，在加工中心上直接配备一个触发式测头和相应的检测软件构成加工中心在线检测系统，在加工中 4 口f 北 ”业大学硕士学位论文 心上直接进行在线测量。在机测头价格低，特别是数控机床目前广泛应用触发测头，具有价格低，可 靠性强、自身精度高等特点，因而测头在数控机床上得到了r 泛应用。 在线检测技术的发展为数控加工过程的质量检测提供了套行之有效的方法“。“。加工中心在线 检测系统通过在加t 中心上安装在机测头，完成包括序前基准位置测量、半成品尺寸监测以及序后检 测等多种自动检测功能，并可实现加上中心工什坐标系自动调整、在线质量监控和误差补偿。加工中 心在线检测系统不但可取代许多传统上由操作工人手工完成的工作，而且还可以做许多操作者不能胜 任的1 作，是实现柔性制造系统连续可靠工作的重要手段之一，是提高数控机床加工精度和效率的重 要措施，甚至成为衡量数控机床水平的一个重要指标。因此，近年来相关技术的研究和系统开发倍受 关注。 随着计算机技术的普及和应用，在计算存储、数据处理和数据交换具有明显得优越性，可实现面 向对象的通用软件自动编程。因此将微机引入在线检测系统软件已势在必行。这种 ! | | 量方法具有投资 少、见效快等优点，测头安装在刀库中，使用如同刀具一样方便，缩短了测量辅助时间。测量精度适 中，在同一设备上同时完成加工和检测，避免了在三坐标测量机上的测量时所引起的二次装夹误差， 测量功能基本能够满足基本的检测要求，能够完成三坐标测量机的大部分检测功能，可以在微机上实 现误差补偿和数据处理，充分发挥了微机强大的数据处理功能。 本课艇的研究可在不同的数控系统、不同的测头类型下对不同的检测零件进行路径规划，自动的 生成检测程序，有效地缩短了检测时间、降低检测成本，提高了检测精度、生产率和设备利用率。 卜4 本学位论文的主要工作 1 论文的主要研究内容 本课题通过对零件的检测分类和特征表达，建立了加工中心在线检测的检测特征库，提出了基于 检测特征的检测路径规划方法和基于多特征体的复杂零件的检测路径规划方法和模型。以v c + + 6 o 和 a c c e s s 平台开发了一套编程合理、方便、功能强大的加工中心在线检测自动编程和检测过程仿真系统。 2 论文的总体结构 针对课题的研究内容及实现功能，本论文对以下几部分内容进行分析研究，各部分内容简述如下： 第一部分：首先对加工中心在线检测技术进行了阐述，阐述了课题提出的目的和意义及本课题的 主要研究内容。 第二部分：零件的检测特征分类和特征表达及其实例； 第三部分：基于特征的检测路径规划方法及检测路径规划模型； 第四部分：检测数据库的建立； 第五部分：在线检测自动编程系统研究； 第六部分：加工中心在线检测及仿真系统开发和实例验证； 第七部分：结论。 5 加工中心在线检测路径规划模型及仿真研究 第二章检测特征 2 - 1 引言 特征技术是实现c a d c a p p c a m 集成的关键技术，也是产品建模技术的核心。特征模型使得 c a d 、c a p p 、c a m 等系统共享统一的产品数据模型成为可能，特征已成为c a d c a p p c a m 集成中 信息传递的媒介。在加工中心在线检测中，我们把特征作为检测模型与处理的基本单元，建立基于特 征的检测路径，为c a d c a p p c a m c a i p ( 计算机辅助检测规划) 的集成奠定了基础。在加工过程中直 接驱动检测程序，从而提高了检测质量、加快了检测进程、缩短了检测周期、降低了检测成本、提高 了设备的利用率及增强了产品的市场竞争力。 由于特征定义的多视域性和表示方法的多态性，关于特征技术的许多方面还有待于进一步研究。 本章主要针对加工中心在线检测中特征的定义、分类及特征表达等进行了研究和探讨，为加工中心在 线检测路径规划奠定了基础。 2 - 2 检测特征的定义 2 - 2 - 1 特征技术概述 特征技术是由于不同应用领域对产品信息的需求而产生的。1 9 7 8 年美国麻省理工的g o s s a w d 教授 指导的学位论文“c a d 中基于特征的零件表示”首次提出了特征的概念，由此揭开了特征技术研究与 发展的序幕。1 9 8 8 年底，i s o 颁布的p d e s s t e p 标准( 产品数据交换标准产品模型数据交换标准) 草 案，将形状特征、公差特征和材料特征列为产品信息模型的构成要素”。 自八十年代以来，国外许多学者和研究单位对特征技术的发展和应用做出了贡献。例如，英国 c r a n f i e l d 理工学院的p r a t t 教授和w i l s o n 教授为c a m i 提出了一个按形状和构造特点对形状特征分类 的模式，m e e r a n 教授研究了从d x f 和t g e s 等格式文件中提取二维图形信息，并将其转换为三维模 型的实现方法”：英国d u n d e e 大学的a n d r e wm u n s 提出了基于规则的从c g s 数据模型中提取特征的 方法及其在特征重构中的应用”“。美国a r i z o n a 州立大学的s h a h 等人应用特征图形变换方法为用户处 理图形和工程问题等，探讨了特征表达和解释问题，开发出a s u 特征试验台”“。美国p u r d u e 大学的 a n d e r s o n 等人在快速周转单元系统中，采用特征精化方法将设计特征转换为加工特征，并研究了基于 特征设计工艺规程的几何推理问题。芬兰赫尔辛基技术大学的m a n t y l a 教授研制了特征造型系统 e x t d e s i g n 。 意大利热亚那应用数学研究所的f a l c i d i e n o 等人提出了边界模型表示特征对象的描述方 法，特征识别方法，并开发了相应的系统。德国柏林技术大学的b e i t z 开发了基于特征的造型系统 6 河i l i 业大学硕上学位论文 g e k o 。d o u g l a s 等人研究了剧凸多面体分解法进行加工特征几何推理技术。t u r n e r 等人研究了公差 特征模型建立的问题。r o y 等人研究丁尺寸及公差表示处理的问题。j a r o s l a w 等人研究了特征编辑与 查询技术。 目前国内对特征技术的研究也很多，如北京航空航天大学的p a n d a 软件系统具有自身集成度高 及几伺模型精确简单等特点，其产品数据模型将线框模型、曲面模型和实体模型紧密结合，形成统一 的层次表达模型，能够提供c a d c a m c a p p 系统所需要的信息“。清华大学、华中理工大学、浙江 大学、上海交通大学、西北工业大学等，以及其他一些单位也发表了一些关于特征技术研究的论著， 进行了基于c a d | ，c a m 系统集成的研究“3 。 近年来商业c a d 软件及工具基本都融入了特征的思想和方法。例如，p t c 公司的产品 p r o e n g i n e e r ，s d r c 的产品i - d e a sm a s t e rs e r i e s 、u g s 公司的产品u n i g r a p h i c s 、i b m 公司的产品 c a t i a c a d a m 、a u t o d e s k 公司的产品m d t 等等。 2 - 2 - 2 特征定义 特征的概念是从工艺引出的，1 = 艺规程包括产品建模、选择工艺设备、确定切削序列和切削用量 以及编制数控机床n c 加工程序等”。特征的定义有十多种，至今未能得出统一的定论。不同的人从 不同的角度给出了特征的不同定义。不同的领域特征具有不同的意义和表现形式。因此特征的概念具 有许多不同的解释和定义，主要有以下几种： ( i ) 面向设计的特征定义 如s c l u b y 和j r d i x o n 把特征定义为“一个与c i m s 功能相关的几何实体“。k c c h a n 把特 征定义为“一个代数型的形状表示法“3 ”。m j p r a t t 把特征定义为“零件表面感兴趣的区域”印1 。h e r b e r t 把特征定义为“将要完成的特定活动具有一定含义的一组几何实体”1 等等。 ( 2 ) 面向制造的特征定义 如e r w i l s o n 从制造的角度把特征定义为“对应于主要加工操作的几何实体”，强调了特征的可制 造性”。a h v m te r v e 将特征定义为“零件上显著或特殊的部分，用于定义一个零件的几何形状或被 用于机械加工或用于装夹和测量”，着重考虑了特征与几何形状、机械加工以及工装与测量的对应关系 ”。k c a s e 把特征定义为“被一组真实的和假想的表面包围的实体，对突出特征( 如凸台) 而言，特 征是要加到零件上的或者说是当它周围区域被切除后留下的实体州“。c h a i 等认为特征是由特定的金 属加工模式所生成的工件的某一部分。c h a y e s 和e w r i g h t 则认为特征是具有一定拓扑关系的一组几 何元素拼成的形状体，它对应于零件上的一个或多个功能，能够被固定的加工方式加工成形”“等等。 ( 3 ) 广义特征的定义 j c u n n i n g h a m 和g e t u m e r 等把特征定义为“用于生成、分析和评价设计的元素“。h e r d e r s o n 等针对特征识别的方法指出：“特征是零件模式中感兴趣的几何和拓扑模式，它们在零件分析时表示有 用的高层次实体。”y g a r d a n 和c m i n c h 认为“特征就是一个与零件的描述有关的或几个零件的关系 有关的信息集合”。d i x o n 和g r o s s a r d 则对特征定义作了高度概括：“特征应该理解为一个专业术语， 它兼有形状和功能两种属性，从它的名称和意义足以联想到它的几何形状、拓扑关系、血型功能、绘 图表示方法、制造技术和公差要求。”“李龙梅等认为在c i m s 环境下，特征是产品生命周期内信息 7 加工中心在线检测路径规划模型及仿真研究 完整描述的载体，特征是一种信息表示方式，包括儿何信息和非几何信息“”。宋玉银等提出了广义特 征的概念：广义特征是产品生命周期中信息的载体，它包含产晶生命周期内各种活动的全部特征信息， 即产品生命周期内各种特征信息的集合，包括用户特征、功能特征、材料特征、形状特征、精度特征、 管理特征、技术特征、分析特征、维护特征、销售特征、评价特征、价值特征、质量特征、装配特征、 制造特征、夹具特征等十六种”。 2 - 2 3 面向检测特征的定义 上述大多数的特征都能够提供特殊领域的设计和制造信息，特征定义的种类繁多。但国内外学者 们已经公认特征具有以下特点：a ) 具有一定的几何形体b ) 是产品信息的携带者c ) 具有工程意义d ) 具有严格的性质。本论文作者阅读了大量的相关资料，现将加工中心在线检测中的检测特征定义为应 用层、表达层和几何层三个层次。 应用层：应用层不是纯形状概念，它包含了来自应用领域的非形状内容，如表面粗糙度、形状公 差和位置公差等。 表达层：表达层提供了对形状特征的表达。主要是利用形状特征的参数来表达形状特征，如一个 孔可以看作是一条线段以一个半径值绕固定轴线旋转而成。 几何层：几何层是特征表达的基础。 应用层通过形状特征与表达层相联系，应用层以形状特征为基础，而表达层提供了对形状特征的 表达。几何层是表达层的基础，图2 1 是检测特征三个层次间的关系。 图2 1 检测特征三层次间的关系 f i g 2 1t h e r e l a t i o no f t h r e el e v e l so fi n s p e c t i n gf e a t u r e s 2 - 3 检测特征的分类 2 - 3 1 特征分类概述 由于对特征按一定规则进行归类能给特征的表达、操作等带来诸多的好处，所以各种特征的分类 相继问世并趋于全面。通常根据应用领域中的工程语义进行特征分类，然而即使在同一应用领域，由 于用户所关心的特征相似性不同，所产生的特征分类也不会完全相同，而且基下不同的特征定义也会 8 河北工业大学硕士学位论文 产生不同的分类。 p r a t t 和w i l s o n 按形状特征的构造及抽象层次把特征分为通道特征、下陷特征、伸出特征、过渡特 征、域特征和变形特征六类”2 “i 。这一分类方法己被p d e s s t e p 作为形状特征信息模型f f i m ( f o r m f e a t u r ei n f o r m a l i o nm o d e l ) 的组成部分。 s h a h 等人按照产品定义数据的性质将产品信息分为五大类广义特征：形态特征、精度特征、技术 特征、材料特征及装配特征“4 “。 根据形状特征在设计中所起的作用不同，c u n n i n g h a m 和d i x o n 将特征分为静态特征和动态特征两 大类。静态特征进一步分为基本类、附加类、交类、整体形态类、宏类等五类特征“”。 p d d i 根据制造方法将形状特征分为复合特征、机加工特征、钣金类特征及车削类特征。g a n d b i 和m y k l e b u s t 根据特征体素的拓扑相似性质，将那些具有相同的拓扑性质的特征归为一类以便用相同 数目的参数描述特征”。 近年来随着对特征技术的研究和应用，国内也有诸多学者对特征进行了不同的分类如： 马鏊辉建立了面向对象的层次式特征分类体系结构，将特征分为形状特征、精度特征、技术要求 特征、材料特征和装配特征等五类“。 祝国旺根据特征的定义、特征分类的原则( 语义原则、联系原则、概括原则和可表达原则) 将构 造零件模型的特征分为形状特征、管理特征、技术特征、材料特征和精度特征等五大类“”。 李龙梅等在对c i m s 工程设计分系统各子系统信息交换分析的基础上，从特征建模的角度出发， 将零件特征分为形状特征、精度特征、管理特征、技术特征、材料特征及装配特征等六类1 。 胡庆夕等按照并行集成系统的信息需求将零件特征分为设计特征、总体特征、形状特征、材料特 征、精度特征和工艺特征等六大类“。 以上分类只是在不同特征理解基础上对特征的一个粗略分类。 2 _ 3 吨检测特征分类 特征的划分是对产品( 零件) 信息的分类抽象，其目的是有效的组织产品信息，从而为计算机理 解信息提供方法。检测特征的划分是对零件检测信息的分类抽象，其目的是为检测路径的规划提供检 测所需要的信息，从而为计算机规划检测路径提供了方法。在对检测特征进行分析的基础上，根据上 述有关检测特征的定义和加工中心在线检测的特点，可将零件的检测特征分为两大类：形状特征和精 度特征。 ( 1 ) 形状特征：形状特征是构成零件形状的基本要素，是零件模型中最重要的特征，它能为设计， 制造与检测提供共享的产品形状信息，是设计、制造和检测过成中的信息媒介。形状特征是指零件上 有定拓扑关系的一组几何元素( 点、线、面) 所组成的一个特定形状。形状特征可进一步划分为基 本特征、组合特征和复制特征，图2 2 为形状特征的分类。 基本特征是用来构造零件的基本几何形状( 如圆柱、圆孔、凸台、凹槽、方块、平面等) ，组合特 征是由一些简单的基本特征组合而成的特征( 如阶梯孔、阶梯轴等) ，复制特征是同一基本特征按一定 规律在空间不同位置上复制而成的特征( 如周向均布孔、矩阵列孔等) 。 9 加工中心在线检测路径规划模型及仿真研究 图2 2 形状特征分类 f i g 2 2t h e c l a s s i f i c a t i o no fs h a p ef e a t u r e s ( 2 ) 精度特征：用于表达零件各要素尺寸公差、形状公差、位置公差和表面粗糙度等精度要求信息。 精度特征与产品的形状是紧密联系在一起的，精度特征不能独立存在，必须附加于形状特征。精度特 征的附加是通过其所作用的几何与对应的形状特征联系起来。 由于零件的精度包括了尺寸公差、形状公差、位置公差和表面粗糙度等，相应的将精度特征可以 分为尺寸公差特征、形状公差特征、位置公差特征和表面粗糙度特征等，图2 3 为精度特征分类。 图2 3 精度特征分类 f i g 2 3t h ec l a s s i f i c a t i o no f p r e c i s i o nf e a t u r e s 形状公差特征：形状公差是零件中单一形状特征上某几何要素相对于其理想位置的变动 量，包括直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度和面轮廓度； 位置公差特征：位置公差是零件中形状特征上某几何要素相对于基准所确定的理想位置允 许的变动量。位置公差涉及被测几何要素和基准之间的关系，根据几何要素之间的相互位置， 0 河北工业大学硕士学位论文 可分为定向、定位和跳动位置公差。其中定向位置公差包括平行度、垂直度和倾斜度，定向位 置公差包括同轴度、对称度和位置度，跳动位置公筹包括圆跳动和全跳动： 尺寸公差特征：尺寸公差是长度尺寸或角度尺寸的允许变动量。尺寸可以是其起始点和终 止