（机械制造及其自动化专业论文）基于三维cad的智能三坐标测量机检测规划系统的研究与开发.pdf

摘要 高质量产品的制造不仅依赖于高精密的加工设备，也需要高精密的检测设备。为了提高 企业竞争力和保证产品质量，对产品零件实旖检测必不可少，而在正确实施检测之前针对零 件制定合理的检测规划便尤为重要。传统的手工方式编写零件检测规程既费时又不规范，其 准确性、一致性很难保证。随着我国机械制造业及先进制造技术、计算机技术的高速发展， 对产品质量控制的要求越来越高，快速的高精度、自动化、智能化检测已是大势所趋，传统 的零件尺寸检测方法更是已经难以满足现代制造业速度和精度上的要求。正是在这种背景下， 以三坐标测量机( c m m ) 为主导设备的基于c a d 的计算机辅助检测规划系统应运而生，其 基本任务便是解决如何利用c a d 产品模型提供的零件信息和与测量有关的知识自动生成供 c m m 使用的检测规程和检测指令的问题。 论文对基于o p e n c a s c a d e 的智能三坐标测量机检测规划系统的总体结构进行了详细设 计，提出了由界面层、功能层、服务层和数据层四层组成的体系结构，建立了c a d 系统o p c a s c a d e 与c a i p 系统之间的对应支持关系；设计了系统的实现界面和工作流程，并提出了 服务层中的规划服务进行检测规划的算法原理框架。 论文基于d m i s 的名义特征定义格式，分析确定了点、直线、圆、椭圆、平面、圆柱、 圆锥和球这8 种基本测量特征应提取的几何信息的内容，并设计了相应的数据结构；根据几 何型体的类型提出了直接获取几何信息和对几何型体进行参数离散化后再进行最小二乘拟合 的两种信息提取方式，扩展了系统进行几何信息提取的型体类型范围；提出了物体表面上点 的可视半空间概念，以此为基础解决了表面法向朝里或朝外的自动判断以及圆、椭圆、圆柱、 圆锥、球的内外属性的自动判断问题。 论文对采样点的分布归纳出了4 点要求，并针对一般表面上的常用采样点分布方法中存 在的不足和局限性，提出了一种步长自适应再分的采样方法，解决了一般表面上的采样规划 问题；对于该采样方法的具体实现，分成基于边和基于面的测量采样两种方式分别进行研究 并设计了具体的算法。实验结果表明，该方法对于各种复杂情况的一般表面都有比较好的适 应性，能生成分散在整个表面且均匀分布的采样点，同时避开表面上的不连续区域。 论文针对检测路径规划中的检测顺序规划、碰撞检查和碰撞规避进行了研究。提出了基 于行列规划的遗传算法优化方法以解决检测顺序规划问题，该方法先对测量点按其参数加权 和大小进行行列规划得到初始检测顺序，在此基础上再采用遗传算法进行顺序的优化；提出 了检查碰撞的遍历表面求交方法，该方法采用测头扫描体表面与零件的各个遍历表面基于 b - r e l a 几何求交来判断碰撞，同时结合轴向包围盒过滤的方法来降低测试复杂度；提出了外圆 避障与一般避障相结合的方法以解决碰撞规避问题，该方法首先对可能存在的外圆特征进行 避障规划，再对其它碰撞采用设计的一些启发式规则和一个扩展包围盒进行避障点设定。测 试结果表明，本文提出的方法能在较短时间内生成有效的较优路径，同时能很好地避免碰撞。 论文设计了基于尺寸测量接口标准( d m i s ) 的自动编程实现过程，提出了一种基于变量设 定与填充的自动编程方法，该方法基于系统各个功能模块的相应功能及d m i s 格式，设定相 应的d m i s 语句字符串格式及其关键词和变量，并根据获取的规划信息自动填充变量来实现 自动编程；详细讨论了系统用于生成d m i s 语句所设定的语句字符串格式及其关键词和变量， 为类似的c a i p 系统开发提供了较为详细的d m i s 编程依据，具有一定的参考和指导价值。 论文最后针对系统的相关操作步骤和某具有规则特征零件的检测规划进行了实验运行， 很好地验证了系统进行检测规划的可靠性和相关规划算法的可行性，也验证了d m i s 自动编 程方法的正确性和可靠性。 本文研究与开发的基于三维c a d 的智能三坐标测量机检测规划系统通过实现与c a d 系 统的集成，能直接通过相应的c a d 接口从c a d 的设计结果获取工件模型上的相关检测信息， 根据相应的检测任务自动生成检测点和检测路径，并对路径进行碰撞检查和规避，进而在进 行仿真确定无碰撞后形成d m i s 测量程序传送至c m m ，最终由c m m 来完成检测任务并对检 测结果进行分析，整个过程实现高度的自动化和智能化。 关键词：三坐标测量机( c m m )计算机辅助检测规划( c a i p ) 几何信息提取采样策略 检测路径规划 a b s t r a c t t h em a n u f a c t m 屯o fh i g h - q u a l i t yp r o d u c t sd e p e n d sn o to n l yo nh i g h - p r i s i o np r o c e s s i n g e q u i p m e n t , a l s or e q u i r e sh i g h - p r e c i s i o ni n s p e c t i o ne x l u i p m c n t i no r d e rt oh n p r o v et h e c o m p e t i t i v e n e s so fe n t e r p r i s e sa n dg u a r a n t e et h eq u a l i t yo fp r o d u c t s ，i ti se s s e n t i a lt oi n s p e c tt h e p r o d u c t so rp a r t s ，w h i l et h ed e v e l o p m e n to fr a t i o n a li n s p e c t i o np l a nf o rt h ep a r t sb e f o r et h er i g h t i m p l e m e n t a t i o no fi n s p e c t i o nw o u l db ep a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t h et r a d i t i o n a lm a n u a lw a yt o d e v e l o pp a r t s i n s p t i o np l a ni st i m e - c o n s u m i n ga n dn o n s t a n d a r d ，a n dt h ea c c u r a c ya n dc o n s i s t e n c y i sv e r yd i f f i c u l tt og u a r a n t e e a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h eq u a l i t yc o n t r o lo fp r o d u c t sh a s b t 约叩i n c r e a s i n g l yd e m a n d i n g ，a n dt h eh i g h - s p e ；e di n s p e c t i o nw i t hh i g h - p r e c i s i o n ，a u t o m a t i o na n d i n t e l l i g e n c eh a sb e c o m ea ni r r e s i s t i b l et r e n d t h es p e e da n da c c u r a c yo ft h et r a d i t i o n a la p p r o a c h e si n d i m e n s i o n a li n s l 仪斌o nh a v eb e e ns e r i o u sb o t t l e n e c k so ft h em o d e m p r o d u c t i o nl i n ee f f i c i e n c y t o o v o r o o m t h e s e 龇e c k s ，c a d - b a s e dc o m p u t e r - a i d e di n s p e c t i o np l a n n i n gs y s t e mw a sp r o p o s e d w i t ht h ec o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e s ( c m m ) b e i n gt h ek e yd e v i c e , a n di t sb a s i ct a s ki st os o l v e t h ep r o b l e mo ft h a th o wt og e n e r a t et h ei n s p e c t i o np r o c e d u r e sa n di n s p e c t i o nc o m m a n d sf o rc m m a u t o m a t i c a l l y , 、玑t ht h ep a r t si n f o r m a t i o np r o v i d e db yi t sc a dm o d e la n dt h em e a s u r e m e n t - b a s e d i nt h ed i s s e r t a t i o n , t h eg e n e r a ls t r u c t u r eo ft h ei n s p e c t i o np l a n n i n gs y s t e mf o ri n t e l l i g e n t c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e sb a s e do i lo p e nc a s c a d ei sd e s i g n e di nd e t a i l ，a n d 蛆s y s t e m a r c h i t e c t u r ew h i c hc o n s i s t so ff o u rl a y e r s ，i e i n t e r f a c el a y e r , f u n c t i o nl a y e r , s e r v i c el a y e ra n dd a t a l a y e r , i sp r o p o s e d ，t h es u p p o r tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec a ds y s t e mo p e nc a s c a d ea n dt h ec a i f s y s t e mi sa l s oe s t a b l i s h e d i na d d i t i o n ，t h er e a l i z a t i o ni n t e r f a c ea n dt h ew o r kf l o wo ft h i ss y s t e ma t d e s i g n e d ，a n dt h ef r a m e w o r ko fi n s p e c t i o np l a n n i n ga l g o r i t h m sp r i n c i p l ew i t hp l a n n i n gs e r v i c ei n s y s t e m ss e r v i c el a y e ri sp r o p o s e d b a s e do nt h ed m i sf o r m a t sf o rn o m i n a lf e a t u r e sd e f i n i t i o n ，t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e sa n d d e t e r m i n e st h ec o n t e n t so ft h eg e o m e t r i ci n f o r m a t i o nt h a ts h o u l db ee x t r a c t e df r o mt h ee i g h tb a s i c m e a s u r e m e n tf e a t u r e s ，i e p o i n t ，l i n e , c i r c l e ，e l l i p s e ，p l a n e ，c y l i n d e r , c o n ea n ds p h e r e ，a n dc o n s t r u c t s t h ec o r r e s p o n d i n gd a t as t r u c t u r e s t w ow a y sf o ri n f o r m a t i o ne x t r a c t i o na r cp r o p o s e db a s e d0 1 1t h e s h a p et y p e ，i e i n q u i r i n gg e o m e t r i ci n f o r m a t i o nd i r e c t l yf i , o mt h es h a p ea n df r o mt h el e a s ts q u a r e s f i t t i n gs h a p ew h i c hi sf i t t e db yt h ep o i n t sg e n e r a t e db yt h ep a r a m e t r i cd i s c r e t i z a t i o no ft h eo n g i n a l s h a p e ，e x p a n d i n gt h es c o p eo ft h es h a p et y p es u i t e df o rg e o m e t r i ci n f o r m a t i o ne x t r a c t i o n ac o n c e p t o f v i s i b l eh a l f - s p a c eo fp o i n to ns u r f a c e i sp r o p o s e d ，a n db a s e d0 1 1t h a t ，t h ed i s s e r t a t i o ns o l v e st h e p r o b l e m st od e t e r m i n ea u t o m a t i c a l l yw h e t h e rt h es u r f a c en o r m a lv e c t o rp o i n t st oi n s i d eo ro u t s i d e ， a n dw h e t h e rt h ef e a t u r ep r o p e r t yi si n s i d eo ro u t s i d ef o rc i r c l e ，e l l i p s e ，c y l i n d e r , c o n ea n ds p h e r e f e a t u r e s i nt h ed i s s e r t a t i o n ，f o u rr e q u i r e m e n t sf o rs a m p l i n gp o i n t s d i s t r i b u t i o na r es u m m a r i z e d , a n d a i m i n ga tt h es h o r t a g e sa n dl i m i t a t i o n so fs o m ec o n v e n t i o n a ls a m p l i n gs t r a t e g i e s0 1 1g e n e r a ls r r f a s ， as a m p l i n gm e t h o dw i t hs t e p sa d a p t i v es u b d i v i s i o ni sp r o p o s e d ，p r o v i d i n gt h es o l u t i o no fs a m p l i n g p l a n n i n go ng e n e r a ls u r f a c e s t h i ss a m p l i n gm e t h o di st h e nd i s c u s s e di nt w ow a y s ，i e e d g e - b a s e d s a m p l i n ga n df a c e - b a s e ds a m p l i n gf o rg e o m e t r i ce l e m e n t sm o a s 啪e n t , a n dt h ed e t a i l e ds a m p l i n g a l g o r i t h m sa r ep r e s e n t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dh a ss t r o n ga d a p t a b i l i t yf o r g e n e r a ls u r f a c e sw i t hd i f f e r e n tc o m p l e x i t y , a n d0 8 1 1g e n e r a t es a m p l i n gp o i n t st h a ts c a t t e r e do nt h e w h o l es u r f a c ea se v e n l ya sp o s s i b l ea n dl o c a t e da p a r tf r o mt h ed i s c o n t i n u o u sa r e a so f t h es u r f a c e f o rt h ei n s p e c t i o np a t hp l a n n i n g ，t h ea s s o c i a t e di s s u e ss u c h8 8i n s p e c t i o ns e q u e n c ep l a n n i n g , c o l l i s i o nd e t e c t i o na n dc o l l i s i o na v o i d a n c ea r es t u d i e di nt h ed i s s e r t a t i o n ag e n e t i ca l g o r i t h m o p t i m i z a t i o nm e t h o db a s e d0 1 1r o w - a n d - c o l u m np l a n n i n gi sp r o p o s e dt or e a l i z et h ei n s p e c t i o n s e q u e n c ep l a n n i n g ，i nw h i c ht h ei n i t i a ls e q u e n c ei sg o tb yp l a n n i n gt h es e q u e n c eo fm e a s u r e m e n t p o i n t si nr o w - a n d - c o l u m nw a ya c c o r d i n gt ot h ev a l u e so f e a c hp o i n t sw e i g h ts u mo f p a r a m e t e r s ，a n d t h e no p t i m i z e db yg e n e t i ca l g o r i t h m ac o l l i s i o nd e t e c t i o nm e t h o db a s e do ni n t e r s e c t i o nt e s tw i t h t r a v e r s e d si sp r o p o s e d ，i nw h i c ht h ec o l l i s i o ni sd e t e c t e db yb - r e pi n t e r s e c t i o nt e s tb e t w e e nt h e p r o b es w e p t = v o l u m es u r f a c e sa n de a c ht r a v e r s e df a c eo ft h ep a r t , 丽t ha x i s a l i g n e db o u n d i n gb o x ( a a b b ) f i l t e r i n gt or e d u c et h et e s tc o m p l e x i t y ac o l l i s i o na v o i d a n c em e t h o dt a k i n gt h eo u t e r - c i r c l e o b s t a c l e sa n dg e n e r a lo b s t a c l e si n t oa c c o u n tt o g e t h e ri sp r o p o s e d ，i nw h i c ho b s t a c l e - a v o i d a n c e p l a n n i n gi si m p l e m e n t e df i r s t l ya i m i n ga tt h ep o s s m l eo u t e r - c i r c l ef e a t u r e s ，a n dt h e na to t h e r c o l l i s i o n s ，f o rw h i c ht h eo b s t a c l v - a v o i d i n gp o i n t sa s e tw i t ht h eh e u r i s t i cr u l e sa n dad e s i g n e d e x p a n d e da a b b t h ec o m p u t e rh n p l c m e n t a t i o n sr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o d sp r o p o s e di nt h e d i s s e r t a t i o nc a ng e n e r a t ee f f i c i e n to p t i m u mp a t hi nas h o r tt i m ea n da v o i dc o l l i s i o ne f f e c t i v e l y t h ed i s s e r t a t i o nd e s i g n st h er e a l i z a t i o np r o c e s so fa u t o m a t i cp r o g r a m m i n gb a s e do n d i m e n s i o n a lm e a s u r i n gi n t e r f a c es t a n d a r d ( d m i s ) a na u t o m a t i cp r o g r a m m i n gm e t h o db a s e do n v a r i a b l e ss e t t i n ga n df i l l i n gi sp r o p o s e d ，i nw h i c ht h es t r i n gf o r m a t sf o rd m i ss t a t e m e n t sa n dt h e k e y w o r d sa n dv a r i a b l e si nt h es t r i n g sa r es e t ，a c c o r d i n gt ot h ec o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n si ne a c h s y s t e m sf u n c t i o nm o d u l ea n dt h ed m i sf o r m a t s ，t h es y s t e mw i l lf i l lu pt h ev a r i a b l e sw i t ht h e o b t a i n e dp l a n n i n gi n f o r m a t i o ns oa st or e a l i z et h ea u t o m a t i cp r o g r a m m i n g t h e n , t h es t r i n gf o r m a t s a n dt h e i rk e y w o r d sa n dv a r i a b l e st h a ts e tf o rd m i ss t a t e m e n t sg e n e r a t i o na r ed i s c u s s e di nd e t a i l ， w h i c hp r o v i d ed e t a i lb a s e sf o rd m i s - b a s e dp r o g r a m m i n gw i t ht h es i m i l a rc a i ps y s t e m d e v e l o p m e n t , a n dh a v ec e r t a i nv a l u eo f r e f e r e n c ea n dg u i d a n c e a tt h ee n do ft h ed i s s e r t a t i o n ，e x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tw i t ht h er e l a t e ds y s t e mo p e r a t i o na n d t h ei n s p e c t i o np l a n n i n gf o raw o r k - p i e c ew i t hr e g u l a rf e a t u r e s ，t h er e l i a b i l i t yo ft h i ss y s t e mf o r i n s p e c t i o np l a n n i n ga n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h er e l a t e dp l a n n i n ga l g o r i t h m sa r ev e r i f i e d , a n dt h e c o r r e c t n e s sa n d r e l i a b i l i t yo ft h ed m i s - b a s e da u t o m a t i cp r o g r a m m i n gm e t h o da r ea l s ov e r i f i e d t h e3 dc a d - b e di n s p e c t i o np l a n n i n gs y s t e ms t u d i e da n dd e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o nf o r i n t e l l i g e n tc o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e sc a ne x t r a c ti n s p e c t i o ni n f o r m a t i o no ft h ep a w sm o d e l 鼬t h ec a dd e s i g nr e s u l tb yt h ec o r r e s p o n d i n gc a di n t e r f a c e , w i t ht h er e a l i z a t i o no ft h e i n t e g r a t i o nb e t w e e nt h i ss y s t e ma n dc a ds y s t e m ；a n dt h e ng e n e r a t em e a s u r e m e n tp o i n t sa n d i n s p e c t i o np a t ha u t o m a t i c a l l yi na c c o r d a n c ew i t ht h ec o r r e s p o n d i n gi n s p e c t i o nt a s k ，w i t hc o l l i s i o n d e t e c t i o na n dc o l l i s i o na v o i d a n c ef o rt h eg e n e r a t e dp a t h a f t e rn oc o l l i s i o ni sc o n f i r m e db yt h e s i m u l a t i o n ，t h ed m i sm e a s u r e m e n tp r o g r a mi sg e n e r a t e da n ds e n tt oc m m f i n a l l y ，t h ei n s p e c t i o n t a s kw i l lb ei m p l e m e n t e db yc m ma n dt h ei n s p e c t i o nr e s u l tw i l lb eg o ta n da n a l y z e d t h ew h o l e p r o c e s si sd o n ew i t hh i g ha u t o m a t i o na n dh i g hi n t e u i g e n c e k e y w o r d s c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e s ( c 瑚旧；c o m p u t e ra i d e di n 哪j e c t i o r tp l a n n i n g ( c a i p ) ； g e o m e t r i ci n f o r m a t i o ne x t r a c t i o n l s a m p l i n gs t r a t e g y ；i n s p e c t i o np a t hp l a n n i n g 图1 1 图l - 2 图1 3 图1 _ 4 图1 5 图2 1 图2 - 2 图2 3 图2 _ 4 图2 5 图2 - 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图3 - i 图3 2 图3 3 图3 _ 4 图3 5 图3 - 6 图3 - 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 插图清单 三坐标测量机的组成3 基于专家系统方法的检测规划生成1 0 基于c a d 的面向c m m 的c a i p 系统典型结构1 5 面向c m m 的c a i p 系统进行检测规划的一般步骤1 6 全文体系结构安排1 8 系统开发使用的一台数控型三坐标测量机2 0 控制箱的正面和背面2 0 控制系统采用的直流伺服电机和伺服驱动器2 0 p h l o t 结构示意图及实物外观2 l 手动测头m c p 及m h 2 0 i ”2 1 m f c 类库结构及类的继承关系2 2 o p e nc a s c a d e 的体系结构图2 5 c a i p 系统中测量功能实现的分层结构2 9 基于c a d 的三坐标测量机检测规划系统的体系结构3 0 c a i p 系统中相关功能的实现方式3 2 检测规划系统中相关c a d 模型及各坐标系的图形显示掣”3 3 o p e nc a s c a d e 与c a i p 系统的对应支持关系3 4 c a 口系统m w o r k s d m i s 的界面设计3 5 系统缓冲区各子标签的内容( f 、f a 、t 、t a 、s a ) 3 6 系统结果输出区窗口。3 7 三坐标测量机检测规划系统m w o r k s d m i s 的工作流程图3 8 三坐标测量机检测规划算法的原理框架3 9 表面点特征测量的名义几何信息解析4 3 直线特征测量的名义几何信息解析4 4 圆特征测量的名义几何信息解析4 5 椭圆特征测量的名义几何信息解析- “4 6 平面特征测量的名义几何信息解析4 6 圆柱特征测量的名义几何信息解析4 7 圆锥特征的轴线方向4 8 圆锥特征测量的名义几何信息解析4 9 球特征测量的名义几何信息解析4 9 基本测量特征几何信息提取的步骤5 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 - 2 0 图3 2 l 图3 - 2 2 图4 _ l 图睨 图4 - 3 图4 4 图4 5 图4 - 6 图4 _ 7 图4 - 8 图4 - 9 图4 1 0 图4 _ 1 1 图4 1 2 图4 - 1 3 图5 1 图5 2 图5 - 3 图5 _ 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 基于o p e nc a s c a d e 的测量特征几何信息提取5 l 表面上的点的几何信息提取5 2 表面上的点的可视半空间5 3 直线、圆和椭圆的定位及参数化5 4 内椭圆与外椭圆的自动判定5 5 参数线1 0 等分离散化( 符合直线、圆和椭圆形状) 5 6 平面、球、圆锥和圆柱的定位及参数化5 7 圆柱与球内外信息的自动判定5 9 内圆锥与外圆锥的自动判定5 9 系统测试采用的c a d 模型6 0 几何信息提取结果的标签显示6 0 系统几何信息提取的操作过程和输出结果6 1 圆形椭圆形表面拼接6 5 平面上直线的方位6 6 ( 椭) 圆形表面深度判定6 7 平面上直线的相关参数6 8 步长再分迭代生成采样点6 9 等参数线长度不一致7 l 平面采样初始规划7 2 采样点分布规划顺序( 等 ，为行) 7 3 一般表面上的测量采样流程7 4 直线采样分布规划结果7 4 圆的采样分布规划结果7 4 平面采样分布规划结果7 5 圆柱面采样分布规划结果7 5 无碰撞检测路径规划方法的原理框架7 7 采样点检测顺序初始规划7 8 标准遗传算法的原理流程81 检测顺序规划的可行解编码8 4 双向g s x 算子的执行操作过程“8 6 遗传算法进行顺序规划的测试结果：8 7 平面测量的遗传算法检测顺序规划8 7 测头建模与运动中的碰撞检查8 8 a a b b