（机械电子工程专业论文）面向曲面零件的加工精度在线检测技术研究与系统开发.pdf

摘要 摘要 为了适应国内对零件加工精度及效率越来越高的要求，数控机床得到了 越来越广泛的应用，与此同时，高精密零件加工精度的检测技术也面临着更 大的挑战。三坐标测量机( c m m ) 的出现虽然大大地提高了检测的精度， 但也带来了工件二次装夹的定位误差和大型零件无法检测等问题。为满足各 方面的要求，越来越多的厂商及用户希望能直接在数控机床上配置自动检测 系统。目前，国内已有一些的院校和企业正在这方面的研究。但基本上是针 对规则形体特征的检测方面，而对自由曲面零件的在线检测技术研究则落后 于国外。 本论文基于零件的s t l 三角网格模型，对自由曲面零件数控加工精度 的在线检测关键技术进行了较为深入的研究，主要包括以下几个方面的内 容： 1 ) 在调研国内外在线检测技术发展现状的基础上，指出了当前该领域 存在的关键问题，提出面向自由曲面零件的加工精度在线检测系统的总体方 案。 2 ) 验证s t l 格式零件作为检测用原始理想模型的精度，以保证检测的 精确性。为了满足曲面检测时尽可能取较少的测点但充分反映曲面加工精度 的高效检测要求，提出基于三角网格顶点曲率变化的测点自适应分布算法。 3 ) 在分析、评估曲面检测误差技术的基础上，提出点对点的曲面检测 误差分析方法，并实现了误差报告输出。 4 ) 开发f a n u c 系列数控机床检测结果输出的宏程序，运用a p i 技术 编写检测代码输入与检测结果输出模块，实现计算机与机床的实时通信。 5 ) 在上述研究的基础上，基于v c + + 6 0 软件开发平台和o p e n g l 三维 图形技术，开发了一套面向自由曲面零件的加工精度在线检测系统。通过零 件从加工到精度检测的实验验证，验证了所开发检测系统的可行性和稳定 性。 关键词：加工精度；三角网格模型；自由曲面；自适应测量；在线检测 a b s t r a c t t om e e tt h ed e m a n df o rh i g h e rm a c h i n i n gp r e c i s i o na n de f f i c i e n c y t h et e c h n o l o g yo fn u m e r i c a lc o n t r o l ( n c ) i sp l a y i n g a ni n c r e a s i n g l y i m p o r t a n tp a r ti nm a n u f a c t u r i n g a tt h es a m e t i m e 。t h ei n s p e c t i o no fh i g h p r e c i s i o nm a c h i n i n gd i m e n s i o n si s c o n f r o n t e dw i t haf u r t h e rc h a l l e n g e d i m e n s i o n a lm e a s u r e m e n t su s i n g ac o o r d i n a t em e a s u n n gm a c h i n e ( c m m ) h a v eb e e nc o m m o n l y u s e di na d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g e n v i r o n m e n t st o e n s u r et h a tt h em a n u f a c t u r e dp a r t sh a v e ah i g h d i m e n s i o n a la c c u r a c y h o w e v e r ，s o m ep r o b l e m ss t i l l e x i s ts u c ha st h e e r r o r so c c u r r i n gf r o mt h es e c o n df i x i n go p e r a t i o n a n dd i s a b i l i t yt o m e a s u r el a r g ep a r t s t oc o n d u c tf r e e f o r mc o m p o n e n t s d i m e n s i o n a l i n s p e c t i o ne f f e c t i v e l y i nac o m p u t e r - i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ( c i m ) e n v i r o n m e n t ， m a n u f a c t u r e r s a n dc o n s u m e r sa r ed e m a n d i n g a “f r e e - f o r ms u r f a c ec o m p o n e n to n l i n ei n s p e c t i o ns y s t e m ”( f c o i s ) t h a t w i l l m e a s u r e p a r t s w i t h o u tr e m o v i n gt h e m f r o mt h em a c h i n e c o n s i d e r a b l ee f f o r t h a sb e e nd e v o t e dt od e v e l o p i n g a r a p i d a n d a c c u r a t ef c o i sf o rd i m e n s i o n a li n s p e c t i o n ，b u tm o s t o ft h e ma r ef o rt h e r e g u l a rg e o m e t r i cf e a t u r e s t h e r e f o r e ，t h e r e i sa nu r g e n tn e e dt o d e v e l o pa nf c o i sf o rc o m p l e xg e o m e t r i e sw i t hf r e e f o r ms u r f a c e s - i nt h i st h e s i s ，a nf c o i si sd e v e l o p e du s i n gas t a n d a r dc a ds t l f o r m a t d u r i n g t h ec o u r s eo ft h et h e s i s t h e f o l l o w i n gp o i n t s a r e a d d r e s s e d ： i ) b a s e do nt h es t a t eo ft h ea r to ft h ei n s p e c t i o nt e c h n i q u e s ，t h i s t h e s i ss t a t e ss o m ek e yp r o b l e m so ff c o i st h a tn e e dt ob es o l v e da n d i m p r o v e du p o ni nt h ef u t u r e t h e na no u t l i n eo ft h er e q u i r e m e n t sf o r a n f c o i sf o rp a r t sw i t hf r e e - f r o ms u r f a c e si sp r e s e n t e d i i ) v a l i d a t i n gt h ep r e c i s i o no fs t lf o r m a tt o e n s u r et h a ti th a st h e r e q u i r e da c c u r a c yt ot r a n s p o s et h eg e o m e t r i c d a t a b a s e do nt h e d e m a n d so fc o n t a c tm e a s u r e m e n t ，t h em e a s u r e m e n tp o i n t sp l a n n e d a b s t r a c t s h o u l db et h el e a s tn u m b e rp o s s i b l eb u t s t i l l p r o v i d es u f f i c i e n t i n f o r m a t i o no ft h em e a s u r e ds u r f a c e ，am e a s u r e m e n tp o i n tp l a n n i n g a p p r o a c ht h r o u g hp o l y g o n a lm e s hc u r v a t u r ei sp r o p o s e d i i i ) s o m eo ft h ek e yp o i n t sf o ra s s e s s i n gs u r f a c e sm a c h i n i n ge r r o r s a r ea n a l y z e da n da na p p r o a c ho fp o i n t - - t o - p o i n te r r o ra s s e s s m e n ti sp u t f o r w a r d i v ) am a c r o c o d ef o ro u t p u t t i n gt h em e a s u r e m e n tr e s u l ti nf a n u c s e r i e sn cm a c h i n ei sd e v e l o p e d w i t ht h ea p ip r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y ， t h ei n p u ta n do u t p u tm o d u l eo ft h ef c o i ss o f t w a r e ，c o m m u n i c a t i n gw i t h n cm a c h i n ea tr e a it i m e ，i sd e v e l o p e d v ) b a s e do nt h ev i s u a l c + + 6 0a n do p e n g l3 dg r a p h i c s t e c h n i q u e s ，a n o n - l i n e i n s p e c t i o ns y s t e m o f m a c h i n i n g t o o l sf o r f r e e f o r ms u r f a c e si sd e v e l o p e da n di sp u ti np r a c t i c e a ne x p e r i m e n tt o t e s t i f yt h ep r e c i s i o n o ft h ef c o i sw a si m p l e m e n t e d ，m e a s u r e m e n t r e s u l to fw h i c hs h o w i n gt h i ss y s t e mt ob ear e l i a b l ea n dt r u s t w o r t h y m e a s u r e m e n ts y s t e m k e yw o r d s ：m a c h i n i n gp r e c i s i o n ；p o l y g o n a lm e s h ；f r e e f o r ms u r f a c e ； a d a p t i v em e a s u r e m e n t ；o n l i n ei n s p e c t i o n 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我 个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢 意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取 得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声 明。 6 7 指导教师签字： 毋迎 ，函 建 谧岬 字 0 登 年 者口c、 作 钟。 一 跚 第一章绪论 第一章绪论 课题研究的背景和意义 1 1 1 研究背景 精密测量技术是机械工业发展的基础和先决条件，机械n t _ 精度的提 高总是与测量技术的发展水平紧密相关，测量、检测技术在经济发展和科 学技术发展的重要作用将越来越充分地体现出来。近年来，制造业精密测 量技术的发展很快，总的趋势是向高精度、高自动化和高效率方向发展， 其中有两个很重要的表现：一是采用电子计算机技术和数控程序的现代方 法参与检验或控制过程，用计算机处理综合测量信息；二是由离线测量逐 渐过渡到在线测量。采用先进的检测技术和产品来迅速提升装备制造业水 平，是当前一个重要的发展方向，研究和发展现代检测技术有着广阔的市 场前景。 数控机床作为现代高新技术的产物和c l m s 的基础设备，其应用范围 越来越广泛。但在其j n - r 过程中，有大量的检测工作需要完成。使用常规 量器量仪人工检测将占用大量的时间，而且不易保证检测精度。为满足各 方面的要求，很多厂商及用户在数控机床上装上一些测量装置，将测量和 加工组成统一的工艺系统整体，不仅可纠正加工方法，而且还能对一些工 艺参数的变化进行连续的检测，通过在不同的阶段对这些参数进行反馈与 预报，使之保持在预定的最佳的范围内。通过对测量过程中的可预见性误 差进行补偿，在保证测量精度和功能接近于工业型三坐标测量机的基础 上，其测量经济性优势明显，因此研究开发计算机辅助数控加工精度在线 检测技术具有重要的意义及广阔前景【2 j 。 1 1 2 研究意义 总体来说，我国精密加工测量技术的现状仍然远远不能满足国内机械 装备制造业迅速发展的需求，尤其是在先进数字化检测技术的基础理论研 究、共性关键技术的开发方面与国外的差距越来越大【3 j 。只有重点研究复 杂零件加工过程中在线检测技术和误差补偿的关键问题，丌发出具有自主 知识产权的、具有国际水平的国产加工检测集成化系统，才能促进数字化 制造技术、精密加工技术与装备的新发展，确保复杂零件的加工质量及其 广东t 业人学_ t 学硕上学位论文 稳定性，把我国从“制造大国建成“制造强国”。因此开展针对复杂零 件加工过程的加工精度在线检测集成化系统的研究具有明确现实意义。 自由曲面的数控机床在线检测技术涉及到测试理论、计算机技术及最 优化理论等许多学科领域，可以说这类检测及数据处理方法是各类测量中 最为复杂的。然而自由曲面的数控机床在线检测技术一旦应用于实际，必 将给我国的航空航天、汽车、造船和模具等行业带来深远的影响，使这些 工业领域朝着更高的方向发展。因此，研究曲面检测新的测量方法和数据 处理方法，已经成为摆在测量工作者面前的一个重要课题【4 l 。 1 2在线检测技术的产生 随着能源、交通、宇航等行业的迅猛发展，对机械加工提出了更高的 要求，现代制造业要求制造设备具有精度高、适应力强等特点，特别是国 家正大力发展先进制造技术，以带动基础工业的发展，在这方面最突出的 表现就是，数控机床在生产实践中得到了日益广泛的应用。 数控机床是现代高科技发展的产物，价格昂贵，为了充分发挥数控机 床的作用，必须减少设备停机时间，提高利用率【5 】。众所周知，产品检测 已经成了制造过程中不可或缺的组成部分，是“制造中之必须”，已经逐 渐变成不只是一个要求而是成为了一个市场。因此，每当一批零件将要开 始加工或加工完成之时，有大量的检测工作需要完成，包括央具和零件的 装夹、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【6 】。目前完成这些检测工作的主要手段有： 1 手工检测 手工检测是使用千分表、卡尺等常规量具、量仪人工校正测量，其效 率低卜，精度容易受到人为因素的影响，而且还导致了宝贵的机床机时的 浪费，影响机床的利用率及产品加工质量。 2 离线检测 加工工序之间、加工完成之后，将工件从数控机床上取下，利用其它 检测设备( 如三坐标测量机) 进行检测。该方法一方面所采用的检测设备 投资较大，由于我国大部分企业财力有限，因而难以具备高精度检测设备， 这就给企业带来许多不便。另一方面，工件多次装央降低了生产效率，增 加了重复定位误差，给生产和测量带来了诸多不便。 第一章绪论 3 在线检测 通过为数控机床配备一触发式测头以及相应的检测程序，构成在线检 测系统。该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， 是一项很有发展潜力的检测技术。本课题所开展的工作就是围绕这一检测 技术开展研究。 在线测量系统一般包括数控机床、计算机、测头和工件。其实现过程 是：首先在计算机上生成自动检测代码，并将检测代码由r s 2 3 2 串行通 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，带动探测头 按检测程序要求产生测量动作；其次，测头对工件进行测量时发出触发信 号，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，并由 数控系统立刻记录测点的坐标，同时按检测程序执行下一步动作；最后在 计算机软件系统控制下，可对系统测量结果进行计算、补偿、数据库链接 及可视化等各项数据处理工作，直至完成全部测量工作。 在线检测技术将加工和检测集成在- 起，实现了加工过程中的自动检 测。数控机床目前广泛应用的是触发式测头，具有价格低、可靠性强、自 身精度高等特点。加工与检测在同一台设备上完成，避免了多次装夹、重 复定位误差及辅助时间长等问题。更为重要的是，其检测过程由数控程序 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。 1 3数控机床在线检测的分类 在线检测技术是将工件安装在工作台上不卸载直接将刀具换成探测 头对其进行检测的技术。常见的数控机床在线检测技术分基于数控机床的 在线检测技术和基于微机的在线检测技术两种。 1 3 1 基于宏程序的在线检测 在实际应用中，通常希望对某一类零件的形状能用一个零件程序表 示，这样表示形状尺寸等的某些程序指令就不是一个确定值，而是一个变 量，针对某一实际零件，可以通过赋值的方法获得实际尺寸。我们把这类 程序称为宏程序体，简称宏程序。基于数控机床的在线检测实质上是基于 数控机床测量宏程序的在线检测技术( 如图1 1 所示) ，其检测结果的数 据处理完全是在数控系统的用户宏程序中进行，受系统的限制，其运算精 广东工业大学工学硕i j 学位论文 度较低【7 】。 图1 1 一般在线检测系统 f i g u r e l 1t h eg e n e r i co n l i n ei n s p e c t i n gs y s t e m 目前，在机测头随身附带有一些简单的检测功能，可实现对位置、圆 孔、圆柱等简单的基本几何形体的检测，但不能测量自由曲面类等复杂零 件，其检测功能单一，适用范围狭窄，且检测精度和效率均很低，因此基 于数控机床的在线检测技术可操作性不强，不利于推广应用。 1 3 2 基于c a d 模型的在线检测 基于微机的在线检测即借助于计算机的强大运算和储存功能，基于计 算机软件平台自主开发专门应用于检测的软件系统，包括读入c a d 模型、 生成检测点并输出检测代码和与机床进行通信等模块。检测代码可以是自 己开发的测量宏程序库或者检测g 代码。一般的系统方案如图1 2 所示。 图1 2 计算机辅助在线检测系统 f i g u r e1 2t h ec o m p u t e ra i d e do n l i n ei n s p e c t i o ns y s t e m 4 第一章绪论 以上两者的根本区别在于是否利用微机即软件系统的可开发功能于 检测过程中。将计算机引入数控机床在线检测是对“数控机床+ 探测头 的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。 1 4数控机床在线检测系统误差分析 在实际的测量过程中，首先应该考虑的是测量的精度问题。普通的三 坐标测量机( c m m ) 的工作台一般由花岗岩制成。花岗岩是经过了长时 间自然时效处理的岩石，内部应力小，以它作为工作台具有吸震、稳定、 耐久和便于保养等特点，从而为安装在其上的其他部件提供了一个坚实稳 定的基础。测头的头架与横梁之间采用低摩擦的空气轴承连接，大大地减 小了导轨表面机械缺陷对运动精度的影响。数控机床在线检测系统的基础 设备是数控机床，数控机床的几何精度与三坐标测量机的几何精度相比要 差许多，为了能对数控机床的检测精度进行有效的监控，首先要了解形成 数控机床在线检测系统的主要误差来源。 在数控机床上利用机械式触发测头进行自动检测时，系统根据测头接 触工件时发出的接触信号停止运行中的机床同时输出机床坐标值。一方 面，由于测头各种因素影响，从测头接触工件到记下坐标值为止要经过一 段时间，这段时间内机床工作部件仍在运动，由此而产生的误差直接反映 在测量结果中；另一方面，由于机床工作部件存在运动误差，系统所记录 的坐标值与机床部件所处实际位置存在误差，由此而产生的误差也直接反 映在测量结果中。 对数控机床在线检测工作过程及特点的分析研究表明，数控机床在线 检测与加工的共同点是：测头或刀具分别作为数控机床的一个末端件，工 件作为另外一个末端件，由数控机床工作部件带动进行在线检测或加工所 必须的工作运动，工作部件和工作运动相同；数控机床在线检测与加工的 主要区别是：首先执行部件不同，在线检测的执行部件是测头，而加工时 为刀具。其次，进行在线检测是，无切削运动，不产生切削力和切削热， 而测头测量时，受测量力的影响。因此在数控机床上进行在线检测时，主 要有测头、机床和其他情况如测量方法不当造成的误差等三个方面的误差 广东工业人学工学硕士学位论文 【引，其中测头误差可以进一步细分为静态误差、动态误差和测头安装误差， 如图1 3 所示【8 i 。 图1 3 在线检测主要误差来源【8 】 f i g 1 3t h em a i ne r r o r so fo n - l i n ei n s p e c t i o n 8 1 测头误差主要包括由测头的结构和测量方式所决定的测头静态误差、 测头动态误差以及测头在机床上的安装误差。常用的触发式测头采用符合 运动学静定原理的三点布局结构设计。它是由测杆座、测杆和测球组成， 结构简单。信号检测系统属常闭系统，有较高的工作可靠性。 下面主要对测头的各项误差进行深入的分析。 1 静态误差 静态误差包括测头预行程( 死区误差) 和测头重复定位误差，它随测 杆长度、刚度、接触压力的改变而改变，是一项不可忽略的误差，是测头 从接触工件到发出触发信号期间的位移量。触发式测头的结构和测量方式 决定了静态误差的存在。 0 。 1 2 0 2 4 0 。 图1 4 测头理论预行程 f i g1 4t h et h e o r e t i cp r e t r a v e lo fp r o b e 图1 4 为测头理论预行程分布图。理论上说对于给定的测头，其预行 程量在各个方向上都是固定的值，而在实际检测中，由于测头结构和使用 情况的差别，其预行程量也会有差别。因此当更换测头后或进行高精度测 量时，需重新修正预行程量产生的死区误差。 第一章绪论 测头重复定位误差是测头机构复位时产生的随机误差，由于触发式测 头是一种高精度测量仪器，误差传递中间环节少，此项误差很小。因此测 头的静态误差主要由测头预行程量决定。 2 动态误差 触发式测头进行检测时，红宝石测球接触被测物体，并达到一定的测 量力，使得测杆对于支点产生的力矩大于由弹簧及芯体重力的合力所产生 的阻力矩时，触点开启，电流回路断开，发出触发信号。测头触发信号通 过机床与测头接口成为数控机床可识别且反应的信号。一旦测量力消失， 测头芯体带动测杆在弹簧力的作用下复位，这就是测头的整个工作过程， 其测量时序如图1 5 所示，在t 。时刻，测头与工件接触。t 时刻，测头发 出接触信号，此时延迟了t l t 。的时间，即测头在多移动了t 。t 。的时间后才 发出接触信号。在t ，时刻，n c 扫描到测头发出的接触信号，但直到t ，时 刻n c 才记录到机床的坐标。 ( a ) ( b ) p ( e )v c a t )s ( v ) t ot lt2t it l l t 七 t 图1 5 测量过程时序图 f i g u r e1 5t h em e a s u r i n gs e q u e n c e 由图1 5 可见，从t 。到t 。时刻该程序段停止的一段时间内，t 。t 。为 测球碰触工件至测头发出接触信号的时间滞后，f 1 t ：为测头发出接触信 号至数控装置接收到接触信号的时间滞后，t ，t ，为n c 记录检测坐标时 间滞后，屯t 。为程序段停止时间滞后。总滞后时间为t 。- t 。，实质测头移 动误差为t ，t 。时间内主轴移动的距离。其中，p ( 臼) 为测头预行程误差， s ( y ) 为测头动态误差，v a t 为测头动态误差随机项。这罩v 为测头接触速 度，出为数控机床系统采样延迟时间。 根据触发式测头检测过程时序和检测误差分析可知，测头的动态误差 分为两种：动念误差s ( v ) 和动态随机误差v a t ，分别简述如下。 广东f t 业人学t 学硕上学位论文 动态误差s ( v ) 动态误差s ( v ) 是指数控系统接收到接触信号起到记录坐标位置为止 主轴的位移量，即从t ，t 、期间的位移量。它是由数控系统处理信号的时 间和测头接触速度决定的，与测头检测时的接触速度和数控系统采样间隔 有关。 s ( y ) = k v 式中，k 二一比例常数， 1 卜一接触速度 在理想情况下，对于给定的接触速度y ，测头动态误差s ( g ) 为一定值。 实际上( 尤其当低速运动时) ，运动部件可能会有爬行现象，此项会有微 小的变化。 动态随机误差地 动态随机误差( v a t ) 是指测头发出接触信号开始到数控系统接收到 该信号为止主轴的位移量，即从t 。t ：期间的位移量。数控系统的c p u 一 般用扫描方式每隔一定问隔检查一次触发信号的到来，数控系统采样过程 如图1 6 所示。 采样脉冲 接触信号 图1 6 数控系统采样过程示意图 f i g u r e1 6t h es a m p l i n gp r o c e s so fn c 这种采样方式会导致这种现象：触发信号到来时，本次扫描己结束， n c 系统不能立即采集到该信号，必须等到下一次扫描才能完成。因为触 发信号的到来是随机的，即采样延迟时间缸是随机的，所以动态随机误差 v a t 的值具有不确定性( v 为接触速度) 。 由图中可以看出，f 的大小在口7 - 范围内，7 - 为采样周期。若7 - = 2 m s ，y = 5 0 m m m i n ，则动态随机误差项最大值为1 7 o n ；而若y = 6 0 0 m m m i n ，则v a t 最大值为2 0 , u r n 。由此看出，接触速度小有助于提高 精度。由此，采样频率及测头接触速度对动态随机误差都有很大的影响。 当检测采用二次触发形式，实际检测速度较低时，动态随机误差可以忽略 第一章绪论 不计。 由以上分析可知，接触速度的变化会对测量结果产生一定程度的影响。 但只要接触速度控制在一定范围内，动态误差对测量影响否大，但会增大 不易补偿的动态随机误差；而接触速度过小，不但会极大降低测量效率， 由于机床在低速下有爬行现象，测量精度也不能得到有效的提高。因此， 测量接触速度选择低速范围( 测量精度不敏感区) 内的最大值。 1 5在线检测技术的国内外发展现状 1 5 1 在线检测系统的开发方面 在线检测系统的研究与开发受到了许多研究人员的重视。如马云辉等 【9 】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，并对无 线测头以及控制系统的组成、测量范围及方法进行了研究，实现了线性尺 寸、孔、柱的测量。刘利剑等【1 0 】用v b 6 0 编制了一测量软件，可完成长 度、角度、位置度、形状度的自动测量。刘丽冰【1 ”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。在此基础上，孙志海【1 2 】 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 l c + + 6 0 下，结合m f c 类库，对m d t ( m e c h a n i c a ld e s k t o p ) 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。辛娜【1 3 】 研究了加工中心在线检测实物编程技术，开发了可以用于实现加工中心在 线提取工件几何信息、加工信息的系统。王广彦【1 4 】研究了) j - r 中心在线检 测技术与c a d 技术集成的可行性。针对a u t o c a d 系统，利用o b j e c t a r x 开发工具，实现加工中心在线检测技术与c a d 系统的集成，使检测工件 的规划可以在设计阶段进行。陈欢等【15 】开发了多种常见基本体及组合体的 测量宏程序，并进行测量过程路径规划，同时对测头、机床坐标定位误差 进行了补偿，有效地提高了在线检测精度。文献【1 6 】提出了一种用于加工 中心在线检测的规范化方法，通过检测信息特征抽象及特征分类，建立检 测路径规划数学模型，实现了基于特征的工件检测路径自动规划和检测程 序自动生成。t r k r a m e r 等【17 】通过软件生成专门用于检测的d m i s 格式 文件，即将加工文件a p 2 2 4 里的特征进一步细分而得到检测特征，从而 直接在机床上完成从加工到检测的全过程，并实时反馈加工。 上述研究已经基本实现了对一些基本几何形体如线、面、圆、球、柱 9 广东工业大学工学硕l ：学位论文 等进行在线检测，而对于自由曲面零件的在线检测目前国内外的研究则倾 向于非接触检测方式【1 8 ，19 1 ，而对于接触式检测技术的研究则鲜有报道。 在国内，河北工业大学的陈明娟和中北大学的史文彬1 2 0 ，2 1 】对平缓的曲面 测量采用等间距布置网格的方法获取曲面上的测点，而对曲面上变化较大 的区域通过收缩网格间距的方法加密测点的分布，但该方法操作起来较复 杂，难以在实际检测中实现。天津大学硕士生刘波i n j 开发了曲面零件在线 检测的用户宏程序，并建立了相关的曲面数据处理数学模型和误差分析模 型，但是对于曲面类零件的接触式测量的三维测球补偿问题采用的微平面 近似计算曲面法矢的方法大大地影响了在线测量的效率和精度。在国外一 些商用在线检测软件已经包含了曲面类零件的检测功能，如英国d e l c a m 公司早在2 0 0 2 年就在p o w e r i n s p e c t 软件上推出了基于c a d 模型数据 的“在机检测( o m v o nm a c h i n ev e r i f i c a t i o n ) 模块，测量精度极 高( 在定位精度为3 - 4 u m 的加工中心上，采用三维测头测量的综合精度 为5 8 u m ) ，可对包括具有自由曲面的几乎所有零件进行路径规划、在 线检测等一体化操作2 2 】。2 0 0 6 年，英国雷尼绍( r e n i s h a w ) 公司也推出 了与其公司生产的测头配套的数控机床在机检测系统r e n i s h a wo m v 。该 检测系统针对难以定位的曲面类零件采用最佳拟合和最佳匹配的方法较 好地完成曲面测量的误差评定，接近或达到了c m m 测量软件的功能【2 3 】， 但也未对在线检测误差进行相应的补偿。综上所述，对比国内外数控机床 在线检测技术的发展现状，目前国内面向自由曲面的在线检测中存在的关 键技术问题在于曲面的测量与规划、误差补偿算法及其测量精度等方面 【2 4 】 o 1 5 2 在测头误差方面 测头误差包括静态误差、动态误差、测头安装误差和三维半径误差等 四个方面。测头误差的补偿技术一直受到国内外的普遍关注。 测头的测量误差参数受到测头结构和测量条件的综合影响，不仅依赖 于测量方向、速度，而且与测杆长度以及碰触方式等诸多因素有关1 2 引。 y s h e n 等【2 5 1 在处理和补偿测头误差时，认为触发式测头以不同的方位靠 近工件时需要产生触发信号的力不同，因而其预行程的距离会有所不同。 他们以测点的法线方向为依据，确定对测头精度最大的影响因素一一预行 0 第一章绪论 程误差( 死区误差) ，并提出了一种三隐含层的b p 反向传播神经网络 ( t h r e e h i d d e nl a y e rb a c k - p r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k ) 的分析方法对其 氓差进行补偿。南京航空航天大学的孙芳芳【2 6 1 对锄头的预行程误差进行分 析建模，使用m a t l a b 对该误差模型进行了仿真并利用误差模型对测量 结果进行了修正。也有学者不直接研究误差及其补偿技术，而是应用统计 的方法来辨析误差并给予补偿。如y o n g j i nk w o n a 2 7 】等对不同材料的加工 件分别进行在线和离线( 在c m m 上) 检测，将其结果进行对比，并提出 了一种基于支持向量回归( s v r ) 的分析方法对在线检测所带来的误差进 行预测。 1 6加工精度在线检测技术中存在的问题 ( 1 ) 自由曲面类零件接触式检测测点的分布问题。为了快速有效地 实现对自由曲面零件的三维数字化测量，并满足实时检测快速性的要求， 首要考虑的问题是：在满足曲面测量精度要求的前提下，如何使测点的数 目尽可能的少? ( 2 ) 测球的补偿问题。接触式测量曲面类零件时，返回的测量数据 是测球中心位置的坐标值，要精确地得出曲面上实际测点的坐标值要考虑 测球的三维补偿问题，因此要涉及到法向矢量方向计算和测球的各向异性 特点研究等复杂问题。 ( 3 ) 曲面的i x 域误差评估问题。在对曲面上单个测点进行检测和误 差评估时，如何评价该测点邻近区域误差的范围问题。 ( 4 ) 在线检测测量精度提高与误差补偿问题。与c m m 相比，加工 精度的在线检测环境复杂，误差影响因素多，难以获得满意的测量精度。 目前国内外尚未开发出能够进行机床误差及测头误差等多种误差补偿的 加工中心在线检测软件，还不能在计算机中直接对多种误差进行补偿，修 正测量数据。 目前面向自由曲面零件加工精度的检测系统还只停留在工业三坐标 测量机上。该测量机仅作为一种“废品过滤器”，对于检测结果不合格的 零件不能及时返修加工、或返修时将引入重定位误差等。检测系统应转变 为一种控制加工精度、防止废品产生及提高机加工自动化程度的手段。 广东工业大学t 学硕上学位论文 1 7 课题来源及本论文的主要内容 本课题得到了广东省科技攻关项目“复杂零件加工精度在线检测、实 时评估和修正加工集成化系统研究( 项目编号：2 0 0 6 a 1 0 4 0 5 0 0 5 ) 的资 助。 本论文主要对基于接触式探测头的曲面类零件加工精度在线检测系 统的关键技术进行研究。这一研究将使系统实现对读入的s t l 模型的曲 面进行测点自适应布置即在曲面曲率变化大的区域布置较多的测点，而在 曲面曲率较小的区域布置较少的测点。然后将检测程序传输给c n c 检测 设备，对机床上的工件进行自动化精度检测。同时使系统能对检测数据与 理想c a d 模型进行实时比较，评估加工误差、实时显示和保存零件的检 测结果。 论文后续各章节的主要内容安排如下： 第二章基于三角网格模型的自适应测点生成。本章基于s t l 模型的 特点提出了测点自适应分布的算法，使测点分布的疏密随曲面曲率变化而 变化，从而在满足测量精度要求的前提下使测点的数目尽可能的少，满足 在线测量高效率的要求。 第三章在线检测系统与数控机床的通信技术。通过标准串口 r s 2 3 2 c ，基于v i s u a lc + + 开发平台，采用a p i 技术实现了p c 端与n c 端的数据传输问题，包括检测程序的输入和测量结果坐标值的接收工作。 通过编写数控机床的宏程序，完成测量结果( 三维坐标值) 自动返回到机 床的串口供计算机读取的操作。 第四章检测结果的数据处理与误差分析。本章对快速判断测点误差并 对其作出评价等方法进行探讨。 第五章检测系统的开发与实例验证。在上述研究的基础上，提出了在 线检测系统的总体方案和软件模块功能的规划，基于v c + + 6 0 软件开发 平台和o p e n g l 三维图形技术，开发了一套曲面零件在线检测系统 ( f c o i s f r e e - f o r ms u r f a c ec o m p o n e n to n l i n ei n s p e c t i o ns y s t e m ) 。通 过零件从加工到精度检测的实验验证，验证了所丌发检测系统的可行性和 稳定性。 结论。对本论文全文作总结并提出课题研究的展望。 第二章基于三角网格模型的白适应测点生成 第二章基于三角网格模型的自适应测点生成 2 1s t l 三角网格模型的描述 s t l ( s t e r e o | t h o g r a p h y ) 格式的c a d 模型是一种标准的c a d 模型文 件，其具有简单轻巧，容易编程操作的特点，因此被称为“轻量化格式文 件 。将这种格式的文件引入到本检测系统进行一些特定的算法研究很好 地保证了本检测系统与其他商业c a d 软件接口的兼容性能。s t l 格式的 三角网格模型满足以下四个条件： ( 1 ) 每条边最多属于两个三角片； ( 2 ) 两条边仅在公共端点相交； ( 3 ) 两个三角片仅在公共边和公共顶点相交； ( 4 ) 若一个三角片属于三角网格模型，则该三角片的边和顶点也属于 该三角网格模型。 根据s t l 模型的特点，可以将其定义为一个二元组m = ( f - ，f ) ，其中 v = v ，v 2 ，v 。) ，v r 3 是三维空间中的一组点，表征网格模型 彳的顶点 在三维空间的位置。f = ，厂2 ，厂n ) 则是组成网格模型m 的三角片集合，表 征了网格顶点之间的连接关系。通过将模型结构的数据化，为下一步的编 程实现操作提供了方便。 2 1 1s t l 格式零件模型中的领域关系 在s t l 模型中，每条边最多只能包含在两个三角片中，用e i j = v i ，v j 来表示，它是由v i 和v j 两个顶点连接构成的，l e o l n 代表了边e f 的长度。 对于网格模型中的任意三角片f j = v i , v j , v k ，用门肌表示它的法矢，a j 【代表 它的面积。 对于三角网格模型中的任意一个顶点v i ，用矿表示所有与其相邻顶点 的集合，f 则表示所有以圻为一个顶点的三角片组的集合。 如图2 1 中所示，= 竹，v j + ，v j + 2 ，v i + 3 ，v i + 4 ，v j + 5 ) ，户= ( 厂0 ，f l ，f 2 ，f 3 ，f 4 ，f s 。 广东丁业人学t 学硕士学位论文 图2 1s t l 模型中点v 的邻域关系 f i g u r e2 1t h en e i g h b o u rr e l a t i o n s h i po fv ii nas t lm o d e l 2 1 2 三角网格模型( s t l 格式) 的文件格式 s t l 文件由3 ds y s t e m s 公司提出并加以广泛推广应用的，它使用三 角形面片来表示三维实体模型，现己成为c a d c a m 系统接口文件格式的 工业标准之一，绝大多数造型系统能生成此种格式文件。s t l 文件包含三 角网格模型中的所有三角片，每个三角片的定义包括三角形各个顶点的三 维坐标，三角片的法矢量。三角片顶点的排列顺序遵循右手法则，三角片 的个数则按s t l 文件的类型，有直接给出的，也有不给出的。s t l 文件 中还包括其它一些信息，如文件名、文件描述等等。 s t l 文件有两种格式，即a s c i i 和二进制文件格式，a s c i i 格式的文 件结构如下 s o l i d f a c e tn o r m a i o u t e rl o o p v e r t e x v i j v l y v e r t e x v 2 j 1 ，2 y v e r t e x 1 ，3 j v 3 y e n dl o o p e n d f a c e t e n d s 0 1 d 1 ，l ： y 2 ： v 3 = 1 4 第二章基于三角网格模型的自适臆测点生成 其中s o l i d ，f a c e tn o r m a l ，o u t e rl o o p ，v e r t e x ，e n d f a c e t ，e n d s o l i d 都是文件的关键字，耽，胛，刀t 是三角片法矢的三个分量，叱，v y ，屹则 是顶点的三个坐标值。从上面的文件格式中不难发现，s t l 文件含有大量 冗余信息，每个三角片的三个项点坐标，一个点属于多个三角片，结果一 个点会被重复列出多次，消耗大量存储空间。另一方面，一个点与其相邻 的顶点以及其相邻三角片的对应关系都没有