（检测技术与自动化装置专业论文）数控加工中心在线检测系统关键技术研究.pdf

中文摘要 摘要 现代制造业要求在制造过程中能更快速、更精确地对加工工件进行检测。传统 的手工检测和离线检测由于检测效率低、检测精度差、检测过程繁琐费力等原因， 已经远远达不到生产过程对检测速度和精度的要求；数控加工中心在线检测具有 检测效率高、精度高、性能可靠和智能化的特点，可以很好地对自由曲面工件尤 其是复杂曲面工件进行检测，已经成为国内外研究的前沿和热点问题。 本文基于数控 j 口- r 技术和在线检测技术的发展背景，结合在线检测技术原有的 技术和发展成果，对数控加工中心在线检测系统的总体方案和关键技术进行了深 入的研究，建立了数控加工中心在线检测仿真和实验系统。本文的主要研究内容 如下： 1 综述了数控加工中心在线检测技术的研究水平、发展成果和发展趋势； 2 针对在线检测技术，研究了基于典型型面、c a d 模型、无c a d 模型三种情 况下测量信息的提取方法； 3 提出了一种将c a d 模型与检测物体模型相匹配的算法；开发了检测典型型 面的宏程序库并通过人机交互实现了基于自由曲面自动生成检测宏程序的功能； 4 研究了在线检测系统实现的总体方案，综合运用v c + + 、m f c 和o p e n g l 语言 开发了面向对象的加工中心在线检测仿真与实验系统，为以后更深入地研究和发 展在线检测技术打下了一个坚实的基础； 5 最后对检测过程进行了初步的仿真和实验验证，并对检测结果进行了系统 的分析，指出了目前本实验系统的不足并对今后的改进提出了自己的意见。 关键词：在线检测；检测信息提取；系统仿真 英文摘要 a b s t r a c t m o d e r nm a n u f a c t u r i n gr e q u i r e st h es y s t e mc o u l di n s p e c tp r o c e s s e dp a r t sm o r ea c c u r a t e a n df a s ti nt h ep r o d u c e dp r o c e s s ，t h et r a d i t i o n a lm a n u a li n s p e c t i o na n do f f - l i n ei n s p e c t i o n a l r e a d yc a l ln o tr e a c ht h er e q u i r e m e n tb e 圮a u s eo fl o w - l y i n gi n s p e c t i o ne f f i c i e n c y , b a d i n s p e c t i o na c c u r a c ya n de o c k a m a m i ei n s p e c t e dp r o c e s s ：t h eo n - l i n ei n s p e c t i o nb a s e do n n u m e r i c a lm a n u f a c t u r i n gc e n t e rc a nw e l lm e a s u r ef r e e f o r mp a r t se s p e c i a l l yc o m p l e xf o r m s b e c a u s ei th a sc h a r a c t e r i s t i c so fh i g he f f i c i e n c y , h i 曲a c c u r a t e ，r e l i a b l ea n di n t e l l i g e n t t h u s , i th a sa l r e a d yb e c o m ea l e a d i n ga n d h o ti s s u eb o t ha th o m ea n da b r o a d b a s e do nt h ed e v e l o p m e n tb a c k g r o u n do fn u m e r i c a lm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n d o n l i n ei n s p e c t i o nt e c h n o l o g y , c o m b i n e dw i t hf o r m e rt e c h n o l o g ya n da c h i e v e m e n t ，t h e h o l i s t i cd e s i g na n dc r u c i a lt e c h n o l o g yo fo n - l i n ei n s p e c t i o ns y s t e ma r ed e e pr e s e a r c h e d i nt h et h e s i sa n do n - l i n ei n s p e c t i o ns i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts y s t e mh a sb e e nr e a l i z e d t h ec o n t e n t so ft h es t u d yi n c l u d e ： 1 i tn a r r a t e ss t a n d a r do ft h er e s e a r c h ，d e v e l o p e dr e s u l ta n dd e v e l o p e dt r e n do f o n - l i n ei n s p e c t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nn u m e r i c a lm a n u f a c t u r i n gc e n t e rc o m p l e x l y 2 a i m e da to n - l i n ei n s p e c t i n gt e c h n o l o g y , t h em e t h o do fe x t r a c t i n gi n s p e c t i n g i n f o r m a t i o ni sr e s e a r c h e d i ti n c l u d e st h r e ea s p e c t s ：b a s e do nt y p i c a lf o r m ，c a dm o d e l a n dn o n c a dm o d e l 3 p u tf o r w a r da na l g o r i t h mo fm a t c h i n gc a dm o d e la n da c t u a lo b j e c t d e s i g nt h e m a c r op r o g r a ml i b r a r yo fi n s p e c t i n gt y p i c a lf o r ma n dr e a l i z et h ef u n c t i o no fc o d i n g m a c r op r o g r a mb a s e do nt h ef r e e f o r m 4 r e s e a r c ht h eh o l i s t i ed e s i g ns c h e m et or e a l i z eo n - l i n ei n s p e c t i n gs y s t e m ， c o m p r e h e n s i v e l yu s ev c + + ，m f ca n do p e n g ll a n g u a g et od e v e l o pt h eo b j e c t o r i e n t e d s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts y s t e mw h i c he s t a b l i s h e st h eb a s i st or e s e a r c ha n dd e v e l o p o n l i n ei n s p e c t i n gt e c h n o l o g ym o r e d e e p 5 s i m u l a t et h ei n s p e c t i n gp r o c e s sa n dc o m p l e t et h ee x p e r i m e n tt e s t ，a n a l y z et h e s y s t e ms y s t e m i c a l l y f i n a l l y , p o i n to u tt h es h o r t a g eo ft h ee x p e r i m e n ts y s t e ma n dp u t f o r w a r dm yo w n o p i n i o nt oi m p r o v ei t 。 k e yw o r d s ：o n l i n ei n s p e c t i n g ：e x t r a c t i n gi n s p e c t i n gi n f o r m a t i o n ：s y s t e m i c a l l y s i m u l a t e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文! 麴控加工生! 坠查线捡型丕统差毽筮莶婴窒：。除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于： 保密口在年解密后适用本授权书。 不保密叫( 请在以上方框内打“”) 一：榔导：谣轧 日期： 年7 月多日 数控加工中心在线检测系统关键技术研究 第1 章绪论 1 1 数控加工中心在线检测技术概述 进入2 l 世纪以来，科学技术的发展越来越快，技术水平也飞速提高，尤其是 计算机技术、信息技术、自动化技术的快速发展，使工业水平迅速提高。作为工 业中最重要的制造业也发展成了一个跨学科、多领域的工业，在生产中扮演着重 要的作用。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， 高性能的数控加工中心在生产实践中得到了日益广泛的应用。检测技术是加工中 心系统的重要组成部分，它的发展有利于提升装备制造业的水平。现代化工业装 备中，对于关键部件的加工精度要求较高，在加工的各个阶段都需要对加工 质量进行检测。因此，发展检测技术有着现实而又必要的意义。 目前完成检测工作主要有以下三种手段： 1 ) 手工检测 手工检测是使用千分尺、游标卡尺等常规测量工具对待检测物体完成检测。 此种方法效率低下，而且受到人为因素的影响很大，检测过程既费时又费力，还 无法保证精度，严重影响产品的生产和加工质量。 2 ) 离线检测 离线检测是指在机床加工的工序之间和加工完成之后，把物体从机床上取下， 再利用其他检测设备( 如三坐标测量机) 对加工物体进行检测。这种检测装备体 积庞大，价格昂贵，工作条件苛刻，检测过程繁琐费时费力，而且不能在加 工现场使用，只能用于离线质量抽检，在加工现场仍然使用着传统落后的人 工检测模式。对于一些大型复杂的长周期加工部件，在离线检测过程中一旦 发现质量不符合标准必须进行返修，返修过程不仅复杂、繁琐、费时、费力 而且会由于在返修的过程中由定位不准造成附加的误差。 3 ) 在线检测 在线检测指数控加工中心的刀库里装上触发式测头，测头占据一个特殊的刀具 号，它不需要主轴的旋转。当需要检测时，从刀库里更换测头后按着相应的检测 第1 章绪论 宏程序进行检测，根据检测结果给出的信息判断加工精度，从而决定是否进一步 加工工件。该技术把加工过程与检测过程很好地结合起来，在加工具有复杂空间 曲面的产品方面有着明显优势，它自由度大，避免了对工件多次装夹，缩短制造 周期，降低生产成本，且能够对加工过程给予精确的指导，所以在压气机、涡轮 燃机的叶片、整体叶轮以及螺旋桨等这类结构复杂且为空间曲面的零件加工上具 有广泛的应用。由此，基于数控加工中心在线检测技术也逐渐发展起来，越来越 多的专家学者进行了深入研究。 在线检测相对于离线测量有其独特的优点：( 1 ) 对工件的测量之后无须从工作 区移走，节省了重新安装工件的时间，缩短产品生产周期；( 2 ) 减少昂贵的离线 测量设备( 如三坐标测量仪) 的使用，节省生产成本；( 3 ) 避免由于离线测量将 工件在工作台上反复拆装而产生的误差，加工精度有很大提高；( 4 ) 操作员信心 增加，可以实现无人加工。 1 2 国内外研究现状与发展趋势 2 0 世纪9 0 年代以来，国际上数控技术发展迅速，形成了很多有实力的巨头公 司。在数控技术高速发展的同时，数控加工中心在线检测技术也迅速发展起来， 一些学者也在这个领域进行了研究，英国雷尼绍公司主要针对雷尼绍触发式测头 的特点及其在数控机床上的应用进行了研究【1 1 。英国的a n o n 研究了雷尼绍触发式 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【2 】。美国的n g ，h u n g 等 人研究了坐标测量机中的自动编程技术【3 】。美国的m o u ，j ，等人基于 c a d c a m c a e 集成技术对雕刻面在机检测过程进行路径规划【4 1 。美国的 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【5 j 。韩 国的p a h k ，h j 开发了模具制造中的集成精度检测系统，它在以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预, , j t 6 j 。韩国的k i m ，k y u n g - d o n 等人用触发式测头和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【7 1 。德国的i r i g u c h i 发明了种自动编程的设备与方法，它主要用于数控机床， 能够很容易地建, - r _ 力n - r 程序【引。 在国内，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自带检测宏程序库在实际生产中的应用范 数控加工中心在线检测系统关键技术研究 围，给出了测头的具体使用方法和校准的基本应用程序 9 1 。天津大学陈欢对四轴数 控机床在线检测软件包的开发进行了研究【1 0 1 。天津大学的刘又午教授、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【1 1 】。哈尔滨工业大学的马云 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 2 1 。哈尔滨工业大学现代生产技术中心的王涛等人在计算 机集成制造系统的环境下，针对复杂、较规则的非回转体零件，建立了检测工艺 自动规则集成系统，提出了将遗传算法和禁忌搜索混合的策略应用于检测路径优 化的g a t s 算法【1 3 】。浙江大学的兰诗涛研究了自由曲面接触式的测量方法，设计 了接触式测量系统的总体方案，在v c + + 6 0 环境下开发了测量系统软件，并对路 径规划和数据后处理进行了研究【1 4 1 。河北工业大学的刘丽冰教授及其学生王广彦、 王亚青、辛娜、薄敬东、翟庆光、桑宏强等人经过几年的不断积累和研究提出了 在数控加工中心线检测系统的总体构成方案，建立了在线检测系统。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，实现了对部分典型曲面的测量 规划并完成了对系统的仿真，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【1 5 五。 数控加工中心在线检测技术发展的趋势主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 智能化、人性化 2 1 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，以提升生产系统的可靠性、 加工精度等，在线检测技术一定也更加智能化，如坐标系的自动选择、加工过程 的自适应调整、工艺参数的自动生成、检测路径的自动生成、智能化的人机界面、 误差的自动化补偿、智能监控、故障自诊断自修复等【2 烈。 ( 2 ) 开放式、网络化 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题，数控 系统开放化已经成为数控系统的未来之路。在基于统一的一个平台上，可以将用 户自己的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，从而形成一系列具有鲜明特色 和特殊应用的产品，因此，基于加工中心的在线检测也必将走上开放式的道路。 第1 章绪论 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点，国内外一些著名数 控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，反映了数控 机床加工和在线检测向网络化方向发展的趋势【2 3 1 。 ( 3 ) 技术标准化、规范化 由于各个数控机床生产厂商都是各自研发、自主生产，在线检测技术也都是独 立研究，这就降低了在线检测技术在各个产品上的通用性和扩展性。因此，美、 日、欧等纷纷实施战略发展计划，进行开发式体系结构数控系统的规范化，在线 检测技术也必将随着数控技术的统一标准而走向技术标准化、规范化【2 4 】。 1 。3 本文所做工作及各章节简要介绍 由于西方发达国家在先进的数控加工技术上对我国一直实行的技术封锁，而我 国的数控技术本身相对发展缓慢，使得我们的数控机床行业对在线检测技术的应 用还处于起步阶段，随着测量设备向更高精度方向发展以及高速、多样的检测手 段的实施，在线检测的推广应用已是大势所趋。目前国内在线检测的功能还不够 完善，精度也不够高，基本上都用于简单几何量检测方面，相对于这套系统高昂 的价格，这一技术对于一般企业就显得有些昂贵；现代的设计制造理论、控制理 论及先进的技术装备没有更大的用到在线检测上，这也成为相关领域发展的堡垒。 为了使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项很有发展前途的技术，必然会极大地增强我国装 备制造业的水平，并带来巨大的经济效益。因此，研究数控加工中心的在线检 测技术，大力发展我们国家的在线检测技术从而推动数控加工水平的发展有着相 当重要的意义。 本文基于数控加工技术和在线检测手段快速发展的背景，围绕着数控加工中 心在线检测技术的实现，对在线检测中的一些关键技术进行了研究。本文首先论 述了三维型面检测技术的数学基础，然后对数据信息的选择和检测路径规划进行 了研究，搭建起数控加工中心在线检测实验平台，完成了对检测过程的仿真，为 进一步深入的研究数控加工中心检测系统奠定了一个坚实的基础。本论文的主要 框架如下： 数控加工中心在线检测系统关键技术研究 1 ) 第一章是绪论部分，论述了数控加工中心在线检测技术的概念、研究现状 和未来的发展趋势，提出了进行本论文的意义和必要性。 2 ) 第二章介绍了加工中心在线检测实验系统，对本实验系统的硬件部分和软i ! 件部分分别做了详细的介绍。 3 ) 第三章是理论部分，对三维型面检测技术的数学基础进行了论述，介绍了 数据匹配和数据信息的提取方法。 4 ) 第四章是数控加工中心在线检测实验系统的软件实现，建立了数控加工中 心在线检测仿真与实验系统。 5 ) 第五章是实验部分，完成了在线检测的实验，并对实验的结果进行分析。 6 ) 结论和展望部分，对本论文和实验系统进行总结，指出了目前实验系统中 存在的不足，并对下一步进行的研究给出了意见。 第2 章数控加工中心在线检测系统介绍 第2 章数控加工中心在线检测系统介绍 数控加工中心在线检测系统分为两种：直接调用基本宏程序，而不用计算机辅 助；自己开发宏程序库，借助于计算机辅助编程系统，随时生成检测程序，然后 传输到数控系统中。我们所研究的在线检测实验系统属于第二种，它由特定的硬 件平台和软件平台组成。 2 1 数控加工中心在线检测系统的硬件平台 硬件部分由数控加工中心、测量系统、p c 机三部分组成。测量系统装在数控 加工中心的主轴上；p c 机通过串行总线与数控加工中心相连接，并将检测程序传 送给加工中心；加工中心带动测量系统进行检测，并将检测结果通过总线传送给 p c 机。如图2 1 所示。 图2 1 数控加工中心在线检测硬件系统结构图 f i g 2 1t h es y s t e ms t r u c t u r eo f n u m e r i c a lm a n u f a c t u r i n gc e n t e r 2 1 1 数控加工中心 数控加工中心是指采用数字形式信息控制的机床，具体来说，就是用数字化的 代码将零件加工过程中所需要的各种操作和步骤以及刀具与工件之间的相对移动 等记录在程序介质上，送入计算机或数控系统经过译码、运算以及处理，控制机 床的刀具与工件的相对运动加工出所需要的工件的一类机床。它是实现加工、检 数控加工中心在线检测系统关键技术研究 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。数控加工中心一般由控制介质、数控装置、伺服系统和 机床本体组成【2 5 1 。如图2 2 所示。 数控操 作面板 p l c 计算机数 控装置 电气回路卜叫辅助装置 主轴伺 服单元 迸给伺 服单元 工 测量反 馈装置 主轴驱 动电机 进给驱 动电机 机 床 本 体 图2 2 数控机床的组成框图 f i g 2 2t h es t r u c t u r eo fn u m e d c a lc o n t r o lm a c h i n et o o l s 数控装置是数控加工中心的中枢，在普通数控加工中心中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。 数控装置接收输入介质的信息，并将其代码加以识别、存储、运算，输出相应的 指令脉冲以驱动伺服系统，进而控制机床动作。 伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动，使 工作台精确定位或按规定的轨迹做严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的 零件。因此，伺服系统的性能是决定数控机床的加工精度、表面质量和生产率的 主要因素之一。相对于每个脉冲信号，机床移动部件的位移量叫做脉冲当量( 用 来表示) 。常用的脉冲当量为0 0 1 m m 脉冲、0 0 0 5 m m 脉冲及0 0 0 1 m m 脉冲。 我们所使用的数控加工中心是由沈阳机床集团中捷机床有限公司生产的 m v c 8 5 0 立式镗铣加工中心，如图2 3 所示。它的x 向、y 向、z 向行程分别为 8 5 0 m m 、5 0 0 m m 、6 3 0 m m ，主轴转速为5 0 6 0 0 0 r m i n ，主轴最大扭矩为7 0 9 5 n 幸m ， 刀库容量最大为1 6 把，换刀时间为7 s ，最大控制轴数最大同时控制轴数为4 轴。 它具有精度比较高的伺服系统，定位精度在x 、y 、z 三个方向都为士o 0 0 5 m m 全行 第2 章数控加 中心在线检铡系统介绍 程，重复定位精度在x 、y 、z 三个方向都为：l 00 0 3 m m 全行程。由此可见，机床的 精度还是相当高的，完全能满足我们实验研究的需要。它使用的数控系统是r 本 发那科公司的f u n u c0 i m c 数控系统。该系统具有高质量、高性能、全功能，适 用于各种机床和生产机械的特点，在市场的占有率远远超过其他的数控系统。系 统在设计中大量采用模块化结构；具有很强的抵抗恶劣环境影响的能力，其工作 环境温度为0 4 5 ，相对湿度为7 5 ：对自身的系统采用比较好的保护电路： 配置的系统软件具有比较齐全的基本功能和选项功能：提供大量丰富的p m c 信号 和p m c 功能指令；具有很强的d n c 功能。系统提供串行r s 2 3 2 c 传输接口，使 通j j 计算机p c 和机床之日j 的数据传输能方便、可靠地进行，从而实现高速的d n c 操作口q 。 幽2 3m w 8 5 0 加工中心 f i 9 2 3 t h e m v c 8 5 0 m a n u 自c m r i n g c e n t e r 212 测量系统 三维测量方法多种多样其原理也各不相同。不同的测量方式不但决定了 测量本身的精度、速度和经济性还造成了测量数据类型及后续处理方式的不同 1 2 7 1 。根据测量探头是否和零件表面接触三维数据的获取方法基本p 可分为两大 数控加工中心在线检测系统关键技术研究 类，即接触式与非接触式 2 8 1 。根据测头的不同，接触式又可分为触发式和连续式； 非接触式按其测量方式不同，又可分为主动测量和被动测量，其中主动测量法包 括c t 测量法、相位测量法、光学三角法、干涉法等；而被动测量法主要包含纹理 梯度测距法、聚焦原理测距法和双目立体视差法为主【2 9 1 。如图2 4 所示。 三维测量方法 ( 接触式) 瓣俪 o - - _ _ _ _ _ 。，。_ _ _ _ _ ， 非接触式 主动测量法)( 被动测量法 c t 测量法) ( 相位测量法) ( 光学三角法) ( 干涉法) ( 立体视觉法 幽 图2 4 三维测量方法分类 f i 醇4c l a s so f t h r e ed i m e n s i o nm e a s u r e m e n t 在接触式测量方法中，测头是检测过程非常关键的部件。业界主要采用的是机 械式测头。机械式测头又可分为扫描式与触发式两大类。扫描式测头实质上相当 于x 、y 、z 三个方向皆为差动电感测微仪。x 、y 、z 三个方向的运动是靠三个方 向的平行片簧支撑，是无间隙转动。测头的偏移量由线性电感器测出。扫描式测 头主要用来测量复杂的曲线、曲面。触发式的实质是零位发迅开关，它相当于三 对触点串联在电路中，当测头产生任意一个方向的位移时，均使任意一个触点离 开，电路断开即可发讯计数。触发式测头结构筒单，寿命长、具有较好的测量重 复性，而且成本低廉，因而得到较为广泛的应用。 我们使用的测头是由英国r e n i s h a w ( 雷尼绍) 公司生产的o m p 6 0 测头，如图 2 5 所示。它是新一代光学传输系统中的第一个产品，经专门设计，能够与r e n i s h a w 现有的所有光学接收器和下一代光学系统兼容。它为各种加工中心和车铣中心提 供了测量的便利，可使在机辅助时间节省9 0 之多，并可大幅减少废品率，降低 夹具成本，改善过程控制。 第2 章数控加t 中心在线检测系统介绍 凹250 8 1 ) 6 0 测头 r i 9 25t h eo m p 6 0p r o b e o m p 6 0 测头所使用的微型电子器件轻便小巧，整个系统结构极为紧凑，可谓 各种机床的理想之选。用户可通过触发逻辑对该测头编程，从而避免了因冷却剂 和碎屑污染而造成的损坏删。o m p 6 0 按i p x 8 标准封装，能够适应极恶劣的机床 环境，而且具备极强的抗冲击和振动能力，极大地减少了误触发，可以与高速、 单次触发或二次触发测量程序配合使用【3 。i 。o m p 6 0 测头的规格如表2 1 所示。 表2 1o m p 6 0 测头规格 t a b 2 l m s t a n d a r do f o m p 6 0p r o b e 尺寸 d6 3 m m x7 6 m m 传输类型3 6 0 0 红外线光学传输 工作范围最长6 m 触发方向x 、y 、+ z 单向重复精度 1 9 r 0 ( 2 0 ) 触发力( x y 平面)最低07 5 n ，最高14 n 触接力( z 平面) 52 n 测针超行程( x y 平面) 1 8 0 测针超行程( z 平面) 1l r m 数控加工中心在线检测系统关键技术研究 o m p 6 0 测头可配用新型的o m i - 2 集成接口的接收器，如图2 6 所示。该系统 采用最先进的调制光学传输方法，具有极强的抗光干扰能力。 图26 带0 m i2 接收器的典型探针系统 f i 薛6 t y p i c a 】p r o b es y s t e m w i t h o m i - 2 213p c 机 p c 机是整个检钡0 系统的控制中心，检测系统利用计算机进行测量数据的采集 和处理、检测宏程序和检测路径的自动生成、检测过程的仿真、与数控机床通信、 人机交互以及数据后期处理( 如测头半径补偿) 等功能。考虑到要运行 c a d c a e c a p p c a m 、v c + 上等大型软件，以及减少测量结果的分析和计算时间， 我们使用英特尔酷睿双核处理器和高内存的配置，用以保证运算的高效和工作的 效率。 22 数控加工中心在线检测系统的软件平台 软件系统设置加工中心检测过程中需要的一些参数，自动生成检测路径和检测 宏程序并通过串口传送给加工中心，加工中心主轴带动检测装置执行检测，检测 结束后将结果传送给软件系统，由软件系统进行数据后处理。随着计算机语言的 不断丰富和发展，面向对象的程序设计迅速取代了传统的结构化程序设计，它与 g u i 可视设计工具相结合，所开发的软件具有良好的人机对话界面和易维护性。 我们数控加工中心在线检测实验系统是采用面向对象的设计思想，基于v i s u a l 第2 章数控加工中心在线检测系统介绍 s t u d i o2 0 0 5 平台，用m f c 来搭建软件框架，用c 抖语言实现，使用o p e n g l 来进 行三维图像的显示的。 2 2 1v i s u a is t u d i 02 0 0 5 v i s u a l s t u d i o2 0 0 5 是v i s u a ls t u d i o n e t 家族中的成员，v i s u a ls t u d i o n e t 是n e t 平台下最为强大的开发工具，无论是软件服务商，还是企业应用程序的部 署与发布，v i s u a ls t u d i o n e t 都可以提供近乎完美的解决方案。v i s u a ls t u d i o n e t 提供了包括设计、编码、编译调试、数据库联接操作等基本功能和基于开放架构 的服务器组件开发平台、企业开发工具和应用程序重新发布工具以及性能评测报 告等高级功能。v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 是微软在2 0 0 5 年推出的，相比v i s u a ls t u d i o 2 0 0 3 n e t 增加了大量控件和类库，并使用f r a m e w o r k 2 0 ，减少了约7 0 的代码量， 人性化很足，界面操作也更智能化。v s 2 0 0 5 封装了大量的功能和底层函数，使开 展难度降低，成为一个优良的中间件，使中间层服务透明化，而程序员只需要集 中精力在业务上【3 2 1 。 2 2 2m f c ( m ；c r o s o f tf o u n d a ti o nc la s s e s ) m f c ( 微软基础类) ，是一种a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k ，随微软v i s u a lc + + 开 发工具发布。目前最新版本为9 o ( 截止2 0 0 8 年1 1 月) 。在v s 2 0 0 5 下，m f c 的 版本是8 0 。该类库提供一组通用的可重用的类库供开发人员使用。大部分类均从 c o b j e c t 类直接或间接派生，只有少部分类例外。之前开发w i n d o w s 应用程序必 须使用微软的s d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ) ，直接调用w i n d o w s a p i 函数，向 w i n d o w s 操作系统提出各种要求。但这种方式十分笨拙，即使编写一个简单的功 能化窗口也需要大量的工作，并且每次工作会产生大量的重复性代码。为了简化 程序员的工作，微软为我们包装了这些a p i 函数，使m f c 成为一组凝聚性强、组 织性强的类库，从而使开发人员在进行w i n d o w s 下应用程序的开发变得容易的多。 它是面向对象程序设计与a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k 的完美结合吲。 2 2 3o p e n g l 语言 o p e n g l ( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 是一个专业的三维a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m i n t e r f a c e ) ，它是一个功能强大、调用方便的底层三维图形库，用于生成二维、三 数控加工中心在线检测系统关键技术研究 维图像。前身是s g i ( s i l i c o ng r a p h i c s ) 公司为其图形工作站开发的i r i sg l 。相 对于d i r e c t3 d ，它是一个与硬件无关的软件接口，可以在不同的平台如w m d o w s 9 5 、w i n d o w sn t 、u n i x 、l i n u x 、m a c o s 之间进行移植。因此，支持o p e n g l 的 软件具有很好的移植性，可以获得非常广泛的应用。由于o p e n g l 是3 d 图形的底 层图形库，没有提供几何实体图元，不能直接用以描述场景。但是，通过一些转 换程序，可以很方便地将a u t o c a d 、3 d s 等3 d 图形设计软件制作的d f x 和3 d s 模型文件转换成o p e n g l 的顶点数组 3 4 1 。 1 9 9 2 年7 月，s g i 公司发布了o p e n g l 的1 o 版本，随后又与微软公司共同开 发了w i n d o w sn t 版本的o p e n o l ，从而使一些原来必须在高档图形工作站上运行 的大型3 d 图形处理软件也可以在微机上运用。1 9 9 5 年o p e n g l 的1 1 版本面市， 该版本比1 0 的性能有许多提高，并加入了一些新的功能。其中包括改进打印机支 持，在增强元文件中包含o p e n g l 的调用，顶点数组的新特性，提高顶点位置、， 法线、颜色、色彩指数、纹理坐标、多边形边缘标识的传输速度，引入了新的纹 理特性等等。( 9 p e n c i l1 5 又新增了“o p e n o ls h a d i n gl a n g u a g e ”，该语言是“o p e n g l 2 o ”的底核，用于着色对象、顶点着色以及片断着色技术的扩展功能。o p e n g l 2 0 标准的主要制订者并非原来的s g i ，而是逐渐在a r b 中占据主动地位的3 d l a b s 。 2 0 版本首先要做的是与旧版本之间的完整兼容性，同时在顶点与像素及内存管理 上与d i r e c t ? ( 共同合作以维持均势。 o p e n g l 是一种过程性而不是描述性的图形a p i 。它并不描述场景及其外观， 程序员其实是规定了实现某种特定外观或效果所需要的步骤。这些“步骤”牵涉 到对这种高度可移植a p i 的调用，它包括了超过2 0 0 条命令和函数。这些命令可 用于在三维空间中绘制图元，比如点、线和多边形，并提供了不同的观察方式观 察所创建的三维模型。另外，o p e n g l 支持光照应用、阴影、纹理贴图、混合、透 明度、反走样、雾化效果、操作位图和图像、动画以及许多其它特殊效果和功能。 o p e n g l 不包括任何窗i ：l 管理、用户交互和文件i o 函数。每个主机环境( 比如 m i c r o s o f tw i n d o w s ) 在这些方面都有自己的函数，由这些函数负责实现某些方法， 以便把窗口或位图的绘制控制权移交给o p e n g l 。不存在模型或虚拟环境所用的 “o p e n g l 文件格式”。这些环境由程序员根据自己的高级需求自行构造，再使用 第2 章数控加工中心在线检测系统介绍 低级的o p e n g l 命令精心编制。 o p e n g l 采用“流水线 的工作原理，“流水线”用于描述一个可分为两个或 多个为一阶段或步骤的进程。当一个应用程序进行o p e n g l a p i 函数调用时，命令 被放在一个命令缓冲区中。这个缓冲区最后被命令、顶点数据、纹理数据等填满。 当缓冲区被清空时，无论是通过编程还是通过驱动程序的设计，这些命令和数据 都将传递给流水线的下一阶段，如图2 7 所示。 图2 70 p e n g l 流水线工作原理 f i 醇7t h ep r i n c i p i u r no fo p e n g l “p i p el i n e ”m o d e l 2 3 本章小结 本章介绍了数控加工中心在线检测实验系统的构成。首先介绍了硬件平台的组 成结构，并对数控机床本体、测量系统、p c 机等三个组成部分分别做了详细的介 绍；随后又介绍了系统的软件平台，对v s 2 0 0 5 和m f c 平台做了简要的介绍，着 重从o p e n g l 语言的发展和总体功能方面介绍了这个三维a p i 。 数控加工中心在线检测系统关键技术研究 第3 章三维型面检测技术的研究 3 1 三维型面检测技术的数学基础 3 1 1 空间几何变换理论 ( 1 ) 齐次坐标变换 齐次坐标表示法【3 6 1 ，是由奥古斯特费迪南德莫比乌斯首先引入的，它能 简化仿射变换的矩阵表示，也能用以在射影空间中作运算。它就是将原来的一个n 维向量用n + l 维向量表示。刀维空间中，点的位置矢量用非齐次坐标表示时，具有 玎维坐标分r e - ( e , ，曼，只) ，且是唯一的。若用齐次坐标表示时，具有n + l 维坐标 矢量( 蝎，蝎，h e ，h ) ，且不是唯一的，其中h 是实数。齐次坐标系的一个优点是 利用齐次坐标表示法，通过矩阵运算可以把二维、三维甚至高维空间中的一个点 集从一个坐标系变换到另一个坐标系。在三维空间中，一般用( x ，l z ，1 ) 来表示 ( x ，】，z ) 的齐次坐标。齐次坐标系的另外一个优点是它可以表示无穷远点。n + l 维 的齐次坐标中如果h = 0 ，实际上就表示了玎维空间中的一个无穷远点。 平移 平移是这样一种操作，它把所有的点沿着同一个方向位移同一段距离，这种操 作不改变图形的形状和大小。确定一个平移变换只需要一个位移矢量d ，对象上的 所有点都可以用下面的公式给出平移后的位置【3 7 】。 p 。= p + d ( 3 1 ) 用矩阵表示变换矩阵为： 它的逆矩阵为： t = r ( a ，b ，c ) = lo o1 o o o 0 t = r q ( 口，b ，c ) = o口 o6 1c o1 1o 01 oo ab ( 3 2 ) ( 3 3 ) 第3 章三维型面检测技术的研究 旋转 图形绕着某一点( 固定) 转动的过程，称为旋转，这一固定点叫做旋转中心。 给定某个固定点，旋转有三个自由度：定义旋转轴矢量的方位需要两个角度参数 以及绕旋转轴矢量转动的角度。若用x 、y 、z 表示旋转轴，秒表示旋转角度，可 得到如下三个公式。 绕x 轴旋转的旋转矩阵： r = 见( 曰) = 绕y 轴旋转的旋转矩阵： r = 毋( 护) = 1o 0c o s 口 0s i n 0 00 oo s i i l 口0 c o s 口0 o1 c o s e0 一s i n 9 o10 s i n 口0c o s 0 oo0 r = 尺：( 口) = l8 1 n c o 。s 9 0 - c s 苫i n 臼8 f 1 00 它们的逆矩阵分别为 1 = ( 秒) = 班砒耻 1oo 0c o s 乡s i n 8 1- s i n 9c o $ 臼 00o c o se0s i n e o10 - s i n 90c o s 9 ooo ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 趴8 ) 刊 数控加工中心在线检测系统关键技术研究 1 = 巧1 ( 口) = c o s 秒s i n 秒00 - s i n 口c o s p0 0 00 10 0oo1 ( 3 9 ) 对于任何一个复杂的旋转，都可分解为绕三个坐标轴的旋转。 缩放 缩放是非刚体仿射变换，就是使对象变大或变小，有两种缩放情况：各个方 向的均匀缩放变换和单个方向上的缩放变换。 变换矩阵表示为： s = s ( a ，b ，c ) = 口0 0b 0 0 0o o0 0 o c0 o1 ( 3 1 0 ) 剪切变换 从一系列的旋转、平移和缩放变换，我们可以得到任意的仿射变换，还有一 类变换剪切变换，它实际上是由其他三种变换推导出来的，但是由于它的重 要性，因此也把它当作基本变换。 它的x 轴剪切变换方程为： x = x + y c o t 8 y i _ y