（测试计量技术及仪器专业论文）基于vcmm检测规划.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 坐标测量技术在现代化工业中占据越来越重要的地位 已经成为计算机集 成制造技术c m i s 的一个重要组成部分 虚拟三坐标测量机v c m m 是随着虚拟 制造技术以及各种先进的制造理论的不断发展而出现的 对于支持c i m s 并行 工程和虚拟制造 都具有重要意义 并为计算机辅助检测规划c a i p 的实现提 供了有效的工具 v c m m 对于缩短测量周期 提高c m m 工作效率 降低检测 成本 避免检测误操作引起的测头损伤以及选择确定最佳的检测方案 具有非 常高的实用价值 论文研究的主要目标是 研究v c m m 在零件检测中的应用以及其在检测规 划中的几个关键性技术问题 如 测头的选择 探测方式 特征定义及测量程 序的生成 碰撞规避以及测量路径规划问题等等 本文在c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 测量软件的基础上 针对具有典型几何特征零件和具有自由曲面特征零件的检 测进行了研究 研究的主要内容有 1 简要介绍了c i m s t a t i o n i n s p e c t i o n 软件的基本功能及其使用 2 在分析了d m i s 文件结构的基础上 介绍了d m i s 文件格式的规范和 d m i s 的编程环境 对零件坐标系建立的方法 测头的选择以及可达性 分析 测量点数目确定的准则 检测点分布的确定 测量过程的仿真检 测 碰撞干涉的检测以及规避等 系列问题进行了全面的研究 3 重点研究了检测路径规划的方法 提出了几种检测面之间连接点的选取 方法 改善了全局路径优化与局部优化之间的矛盾 并针对典型零件在 v c m m 进行了仿真试验 4 在复杂自由曲面的检测中 对曲面测量的检测方法 探测方式 侧头的 半径补偿 以及自由曲面检测的误差评价等也作了详细的说明 并着重 对测量点数的确定 测量点在截面曲线上的自适应分布进行了探讨 以 叶片为例 对计算结果进行了仿真 在文章最后 结合当今v c m m 国际研究的状况 对v c m m 未来的研究发 展进行了展望 关键词 v c m m c i m s t a t i o n i n s p e c t i o n d m i s 测量点 检测路径规划 特征 自由曲面 自适应测量 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o o r d i n a t e sm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi sp l a y i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei n m o d e m i n d u s t r ya n d h a sb e e nb e c o m eo n eo f i m p o r t a n tc o m p o n e n t s o fc i m s a st h e d e v e l o p m e n to fv i r t u a lm a n u f a c t u r i n ga n do t h e ra d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gc o n c e p t t h ev i r t u a lc o o r d i n a t e sm e a s u r e m e n tm a c h i n e v c m m i sp r o p o s e d i ti sa s i g n i f i c a n tt e c h n o l o g yf o rc i m s c o n c u r r e n te n g i n e e r i n ga n d v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g a n dp r o v i d e sa ne f f e c t i v et o o l sf o ri m p l e m e n t a t i o no fc o m p u t e ra i d e di n s p e c t i o n p l a n n i n g c a i p i ti sa l s oap r a c t i c a lt e c h n o l o g y t os h o r t e nt h ec y c l eo f i n s p e c t i o n i m p r o v ee f f i c i e n c yo fc m m r e d u c ei n s p e c t i o nc o s t a v o i dp r o b ed a m a g ec a u s e db y e l t o ro p e r a t i o nd u r i n gi n s p e c t i o na n dd e t e r m i n eo p t i m u m i n s p e c t i o ns c h e m e t h ea i m so ft h i st h e s i sa r et or e s e a r c ho nt h e a p p l i c a t i o n s o fv c m mi n p a r t i n s p e c t i o n a n ds o m ek e yt e c h n o l o g i e si n i n s p e c t i o np l a n n i n g i n v o l v i n gp r o b e s e l e c t i o n p r o b i n gs c h e m e f e a t u r e d e f i n i t i o na n dm e a s u r i n gp r o g r a mg e n e r a t i o n c o l l i s i o na v o i d a n c ea n di n s p e c t i o np a t hp l a n n i n g e t c t h et h e s i sf o c u s e so nt h e m e a s u r e m e n to f p a r t sw i t 1t y p i c a lg e o m e t r i cf e a t u r e so rf r e e f o r ms u r f a c eu s i n gt h e s o f t w a r eo f c i m s t a t i o n i n s p e c t i o n t h ec o n t e n t so f t h et h e s i sa r ea sf o l l o w s 1 t h eb a s i cf u n c t i o n sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n so fc i m s t a t i o ni n s p e c t i o na r eb r i e f l y i n 缸o d u c e d 2 t h ef i l es t r u c t u r eo f d i m si sa n a l y z e da n dt h es p e c i f i c a t i o n so f d i m sf i l ef o r m a t a n dt h ep r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n to fd m i sa r ei n t r o d u c e d s e v e r a li s s u e sa r e d i s c u s s e di nd e t a i li n c l u d i n gc o o r d i n a t e ss y s t e ms e l e c t i o n o f p a r t p r o b es e l e c t i o n a n da c c e s s i b i l i t ya n a l y s i s t h ec r i t e r i af o rt h ed e t e r m i n a t i o no fn u m b e ra n d d i s t r i b u t i o no fm e a s u r i n gp o i n t s t h es i m u l a t i o no f m e a s u r i n gp r o c e s s c o l l i s i o n d e t e c t i o na n da v o i d a n c e a n di n s p e c t i o np a t h p l a n n i n g 3 t h et h e s i sf o c u s e so nr e s e a r c ho fm e t h o d sf o r i n s p e c t i o np a t hp l a n n i n g a n d s e v e r a lm e t h o d sf o rs e l e c t i n gc o n n e c t i n gp o i n t sb e t w e e n i n s p e c t i o ns e c t i o n s h a v e b e e np r o p o s e d w h i c hm a k eag o o db a l a n c eb e t w e e n g l o b a lo p t i m u ma n dl o c a l o p t i m u mf o ri n s p e c t i o np a t h f o rt h et y p i c a lp a r t s t h es i m u l a t i o np r o c e s sh a s b e e ni m p l e m e n tw i t l lt h ev c m m 4 f o rc o m p l e xf l e e f o r ms u r f a c e t h et h e s i sd e s c r i b e si nd e t a i la b o u tt h ei n s p e c t i o n m e t h o d so fc u r v e ds u r f a c e p r o b i n gs c h e m e t h er a d i u sc o m p e n s a t i o no fp r o b e a n dt h et o l e r a n c ee v a l u a t i o no fu r f a c ei n s p e c t i o n i ta l s om a i n l yd i s c u s s e st h e i i 西北工业大学硕士学位论文 d e t e r m i n a t i o no fn u m b e ro fm e a s u r i n gp o i n t s t h es e l f a d a p t i v ed i s t r i b u t i o no f m e a s u r i n gp o i n t so n t h ec u r v eo fc r o s s s e c t i o n f o rt h ee x a m p l eo fl a m i n a t h e r e s u l to f c a l c u l a t i o ni ss i m u l a t e dw i t ht h es o f t w a r eo f c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n f i n a l t y t h es t a t eo f a r t sa n dp r o s p e c to f v c m m a r es u r v e y e d k e yw o r d s v c m m c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n d m i s m e a s u r i n gp o i n t i n s p e c t i o n p a t hp l a n n i n g f e a t u r e f r e e f o r ms u r f a c e s e l f a d a p t i v em e a s u r e m e n t i i i 西北工业大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 计算机的出现给人类带来的不仅仅是一项新技术 它的影响力已远远超过 了技术的范畴 它改变了人们的科学观念和思维方法 现在 计算机已经在几 乎所有的领域得到了广泛的应用 成为现代科学技术的支柱 最近几年 在这 广阔的领域中 闪耀着一颗灿烂夺目的新星 虚拟现实 v i r t u a lr e a l i t y v r 它汇集了计算机图形图象 三维视觉 立体音响 入工智能 测控通信等各方 面技术以及生理学 心理学 认识科学等理论 虚拟现实技术充分发挥各项领 域新技术的优势 将其融为一体 为人类开创了一个崭新的认识世界改造世界 的领域 1 1 1 基于虚拟现实技术的虚拟测试 虚拟现实技术是2 0 世纪8 0 年代才提出来的 随着计算机技术的发展 该 技术得到重视而迅速发展并很快进入实用阶段 成为2 0 世纪9 0 年代最重要的 成就之一 虚拟现实技术是一种高级的人与计算机交流的技术 它由计算机生 成的一种模拟人工环境一虚拟环境 通过视 听 触觉等作用于用户 使之产 生身临其境感的交互式场景仿真 是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系 统 基于虚拟现实技术的虚拟测试是在虚拟现实环境下 借助多种传感器和必 要的硬件装置 根据具体需要 在可视化 虚拟化 集成化的计算机环境下 通过软件实现测量的全部和部分功能完成有关的测量任务 在虚拟环境下 可 以设计构建所需要的虚拟涣4 试仪器 还可以进行计算机辅助虚拟检测规划设计 测量过程仿真等工作 在虚拟现实环境下进行虚拟测试 能够将人 测试设备 钡4 试系统模型和测量仿真软件集成于一体 提供良好的入机交互界面和反馈手 段 产生逼真的效果 是 种全部软件化了的虚拟测试系统 1 1 2 三维测量技术的发展 几何量测量技术和仪器是制造技术的重要组成部分 如制造过程中的检测 和监控 计算机集成制造系统中的质量分系统已成为整个制造系统不可分割的 一部分 特别是在现代基于智能传感器的闭环加工系统中和基于误差补偿的精 西北工业大学硕士学位论文 密加工系统中 其测量技术的水平和精度往往对整个系统起着决定性的作用 坐标测量机c m m c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e 作为现代化大型精密仪 器 已越来越显示出它的重要性和广阔的发展前景 它可以方便地进行空间三 维尺寸的测量 可实现在线检测及自动化测量 它的优点是 1 通用性强 可 实现空间坐标点位的测量 从而方便地测出各种零件的三维轮廓尺寸和位置精 度 2 测量精确可靠 3 可方便地进行数据处理与程序控制 它的灵活性 重 复性及其以多种形式提供尺寸数据的能力是它的突出优点 如今它已成为几何 尺寸及公差 g d t 检定中应用最广的关键性仪器之一 因而 它已被广泛地 应用于机械制造 电子 汽车和航空航天等工业中 并已成为自动化生产和柔 性加工线中的一个重要组成部分 坐标测量机是近几十年才发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器 在 坐标测量机出来之前也有一些原始的测量方法 如采用等高尺和量规等通用的 量具对平板的平行度进行测量 以及采用专用量规 心轴 验棒等量具测蠹孔 的同轴度及相互位置精度等等 这种方法劳动强度大 效率低 精度不易保证 而且对于测量复杂的轮廓外型面 则需要设计专用测量装置或专用仪器 这些 测量装置专用性强 成本高 如果机构不精确 产生的误差大 其通用性也比 较差 随着机械制造 电子 汽车 航空航天等工业的兴起 有越来越多的各 种复杂零件的研制和生产需要先进的检测技术和仪器进行空间三维测量 于是 这种通过将测量物体置于三坐标测量的测量空间 获得被测物体上各测点的坐 标位置并根据这些点的空间坐标值 得出被测零件的几何尺寸 形状位置的三 坐标测量机应运而生 并迅速发展日趋完善 坐标测量 这一全新概念 是英国f e r r a n t i 公司首先提出来的 是在传 统测量概念的基础上的一次重要飞跃 它的重要意义在于 把对测量概念的理 解从单纯的 比较 引申到 模型化测量 的新领域 从而推动了测量技术的 蓬勃发展 进入8 0 年代以后 由于国际市场快速变化的特点和2l 世纪更加个性化 的市场趋势 使得生产的产品结构更加复杂 种类更加繁多 但批量却更少 而 大部分测量机虽然提供了自学习的功能 但是仍需要人工操作一遍 对于单个 零件的测量几乎没有意义 同时 由于人工编程完全基于检测人员的经验和对 工件检测原理的理解 这无法保证获得最优的检测效率 因此 传统的手工编 程和自学习编程已严重制约了坐标测量机测量功能的发挥 迫切需要有一种能 快速生成坐标测量机零件测薰程序的工具 与此同时 人工智能方面所取得的 大量成果为三坐标测量机向智能化的转变提供了可靠的理论依据 目前 人们 2 西北工业大学硕士学位论文 正在研究一种能够实现信息自动化和决策智能化的智能坐标测量机 智能坐标 测量机能够从c a d 模型中提取被测零件的尺寸和公差信息 自动选择测头 确 定采样策略和路径规划 并最终生成被测零件的d m i s 测量程序 因此 它非常 适合c a d 与c a m 的集成 在c i m s 和f m s 环境中很有用途 但是 这种技术目前 尚不成熟 仍处在进一步的研究之中 并且这种技术不支持虚拟制造 为了更 好地支持现代制造技术的发展 也为了更好地促进智能坐标测量机的研究 人 们又提出一种能快速选型和快速生成被测零件测量程序的虚拟坐标测量机 它 是坐标测量机的一个新的辅助工具 从坐标测量机的整个发展进程来看 坐标测量技术是为了满足日益进步的 制造技术的需求而不断向前发展的 是为先进制造技术服务的 近年来 随着 精益生产 l e a np r o d u c t i o n 敏捷制造 a g i l em a n u f a c t u r i n g 虚拟制造 v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g 并行工程 c e 和逆向工程 r e v e r s ee n g i n e e r i n g 等各种先进制造思想和理论的不断提出 对坐标测量机的各方面技术指标又提 出了更高的要求 虚拟坐标测量机v c m m 就是在这种背景下提出的 1 2 虚拟坐标测量机 1 2 1v c m m 概述 虚拟原型技术 v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y 也称为数字原型技术 d i g i t a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y 或虚拟样机 其目的是用 数字原型技术 取代 快速原型技术 用 软件造型 代替真实物理样机的制作 从而可方 便地对设计思想及设计细节进行验证 并可大大地节省设计设计及费用消耗 虚拟原型技术涉及多体系统运动学与运动学建模理论及其技术实现 它是基于 先进建模技术 多领域仿真技术 交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合 应用技术 是一项很有发展前途的应用技术 虚拟坐标测量机是坐标钡 量技术 虚拟现实技术和虚拟仪器技术相结合的 产物 是一种没有真实量仪实体 但却有真实量仪感觉和功能的坐标测量机 它是建立在虚拟现实或虚拟环境科学基础上的 集量仪设计理论 计算机辅助设 计 计算机辅助测量 计算机辅助检测规划和测量过程建模与仿真技术等于 体的 以个人计算机或工作站为母体 以软件为主的一个计算机空间 它把坐标 测量机 测头和零件的三维实体模型放到计算机的图形环境中 通过虚拟测头 的移动和触测来实现对真实环境下坐标测量机的零件测量过程的仿真 在这个 堕些三些奎堂堡圭兰笪笙壅 人造的现实空间里 用户可以根据自己的需求来建造所需的各种坐标测量机和 运行环境 所生成的坐标测量机可用于测量工件 功能演示和教学培训等 1 2 2v c m m 功能 虚拟坐标测量机的基本功能与真实坐标测量机基本相同 两者的差异主要 是在运行环境的区别上 真实的坐标测量机广泛用于三维复杂零件的尺寸 形 状和相互位置的高准确度测量 以及实物模型数字化和在线质量控制等领域 而虚拟坐标测量机运行在计算机软硬件构成的虚拟环境中 与真实环境下坐标 测量机的零件测量不同 它产生的测量结果并不是零件的实际尺寸及误差是否 满足要求 而是产生特定被测零件的测量程序和测量方案 因此 它是一种在 图形环境下的坐标测量机的离线编程 除了具有一般坐标测量机的功能外 还 需为产品的并行设计 虚拟制造选择最佳坐标测量方案和提供反馈信息 因此 虚拟坐标测量机具有以下功能 支持并行工程和虚拟制造 提供反向工程信息 从c a d c a p p 提取零件几何和公差信息或通过交互输入零件几何和公差 信息 虚拟坐标测量机的建模和独立运行功能 选择测量装置结构并进行评估功能 坐标测量机测量误差的修正和性能的改进功能 具有可视化的图形编辑功能 选择测量方案并进行评估功能 选择避免碰撞测量路径 并进行评估功能 测量过程的3 d 仿真和结果显示功能 零件测量不确定度的预测和评估功能 零件合格 报废和返修判断 批次测量的统计结果 虚拟坐标测量机不同于传统的坐标测量机 它支持并行工程和虚拟制造 代表着新一代测试技术和测试仪器设备的发展方向 虚拟坐标测量机的产生 促进了虚拟现实技术与坐标测量技术的结合 是虚拟现实技术在制造领域又一 典型的应用 在虚拟环境下 对虚拟坐标测量机的研究是虚拟制造技术发展的需要 虚 拟坐标测量机的出现 不但开辟了坐标测量技术的一个新的研究领域 而且必 将成为虚拟制造系统中一个十分重要的组成部分 4 西北工业大学硕士学位论文 1 3 基于虚拟坐标测量机的c a i p 基于虚拟坐标测量机的计算机辅助检测规划 c a i p 是虚拟制造的基础性关 键技术 在质量体系中占有重要的地位 近年来 全面质量管理 t q m 和全面质 量控制 t o c 在企业生产中获得了广泛的应用 t o i 的基本思想是把质量管理贯 穿在产品生命周期的全过程 在产品制造的同时进行质量检测 根据检测结果 及时修正和调整制造过程 从而在集成 并行 智能和效率上对c a i p 提出了更 高的要求 促进了c a i p 的进一步发展 基于v c m i 的c a i p 系统是在计算机虚拟的环境下 以c 删作为具体 明确 的测量设备 根据零件的c a d 三维几何模型与c l o t 的测量规程 确定检测工序 的顺序和针对检测工序的检测方法和步骤 完成检测规划设计 测量过程仿真 测量路径设计以及测量程序生成 进而产生控制c 捌测头运动的d m i s 程序 最 终生成c m m 的检测程序 它的工作流程如下 a 根据输入零部件的测量要求 选择坐标测量机的结构类型 选择各被测 要素的几何设计与公差评定算法等 b 确定虚拟测量时的测量策略 包括测点数目以及测点的分布等 c 进行检测过程的规划与设计 d 进行检测路径设计 规划 生成优化的检测规划文件 e 根据检测路径规划 在v c 删上进行测量过程动态仿真 如果三维测头 与零件发生碰撞或干涉 则根据仿真结果修改检测路径 f 选用不同的评定算法 改变采样策略 检测路径规划 选用不同结构类 型和不同测量空间的坐标测量机 进行多次反复仿真 得到各个被测要 素都满足测量要求的最佳测量方案 g 最后生成完整的尺寸测量接口规范 d m i s 测量程序文件 并转化为相应 的具体坐标测量机检测程序 实现c m m 对被加工出来零件在真实环境中 的测量 在v c 删上对工件的c a d 模型进行检测规划 其主要研究内容包括 v c 删 与其他建模软件建立的c a d 模型之间的数据转换接口 v c 删 测头及测头方向 的选择 测量点数的确定及其分布 检测路径的规划 碰撞检测及避障 以及 d m i s 坐标测量程序的生成等 1 3 1v c m m 测头和测头方向的选择 v c m m 的选择应参考被测零件几个特性以及c 删的规格型号及其功能 以保 西北工业大学硕士学位论文 证测量任务精确 高效地完成 测量头一般分为接触式和非接触式测头两类 在v c m m 采用接触式测头 这 种类型的测头检测的是零件三维尺寸的信号 目前 有关测头选择的问题讨论 的较少 对于有些零件 由于测量元素的位置不同 形状差异 往往需要不同 的测头 因此在对零件进行测量时会出现更换测头的情况 测头的选取原则是 在能够满足测量要求的前提下 尽可能减少测头的更换次数 在测量时应选择 测量中使用最多的测头 或选择测量零件中精度要求最高的测头 测头方向的变更一般是通过改变旋转测头座上测头角度的方位来实现 如 果在某个测头方向上 测头可接触到某个测量点或检测面 则这个检测点或检 测面对于此时的测头方向是可达的 这些只是简单的 定性的讨论 在1 9 9 0 年 s p y r i d i 和r e q u i c h a 首先针对多面体零件提出了方向锥的概念将测头的研究推 向可量化计算的阶段 其基本思想是 假设每个测头为一无限长的射线 由于 测头方向的变化是通过改变测头座的旋转角度来完成的 那么就可将检测每个 面的测头方向集合理解为一有方向的锥体 计算每个检测面的l a c 局部可达性 锥 得到每一检测面测头可达方向的集合 但l a c 仅从 个检测面出发 没有 考虑测头与工件其他面的碰撞问题 还得再迸一步计算每个检测面的g a c 全局 可达性锥 此方法理论上可行 但对某些复杂曲面的计算相当困难 甚至在实 际中无法应用 以后在这方面又有一些学者对其进行了研究 都有各自的优劣 性 1 3 2 测量点数的确定及其分布 因为测量的过程是通过测球与每个测量点相接触来完成的 因此在检测之 前必需确定每个检测面的测量点数及其在检测面上点的分布 同样从检测效率 和测量误差的角度出发 应在满足精度要求的前提下 尽可能地减少测量点的 数量 另一方面 测量点应合理地分布在检测面上 尽可能将测量机的误差对 测量结果的影响减少到最小 并使测量结果尽可能地反映零件的实际 测量点数的多少受到测量元素的尺寸大小 检测公差的精度要求和测量机 测量精度大小以及c n c 数控机床对工件的加工能力等综合影响 在对具有相同 特征的元素测量时 对于测量元素尺寸大的 检测精度要求高的 测量机测量 精度低的以及加工能力差的元素测量时 要求的测量点数越多 反之亦然 测量点的存在性 可达性主要与工件整体的几何特征和构成工件的几何基 本体的特征及其运算有关 因为在测量之前必需考虑几何基本体的某些面是否 存在 另一方面 如果考虑测头的可达性问题 还需判断检测面是完全可达 部分可达和不可达 依据以上的分析结果 应在测头和测头方向的可达区域内 西北工业大学硕士学位论文 选取测量点 测量点的分布也是影响测量效果的重要因素之一 在检测面上按照什么原 则分布测量点 以使得测量机自身误差的影响最小 即经过数据处理后测量机 误差对检测结果的影响最小 使得测量结果尽可能地反映工件的实际 般来 说 测量点的分布策略为均匀分布 并尽可能地覆盖测量面 但在有些情况下 这种分布策略实际上是不合理的 需要对具体情况具体分析 对于检测点分布问题 国内外有很多的研究 福特公司的粱任提出了测量 点分布选取h 分布可使测量点的数减少和测量精度的提高达到平方根级水平 m e n g c h 对自由曲面的检测点数目的确定进行了研究 提出了确定检测点数的 公式 它认为检测点数量与设计时给定的公差范围和加工因素有关 y f z h a n g 对孔直径测量提出了测量点数的神经网络确定方法 认为检测点数量与加工方 法 测量精度要求和孔径的大小有关 f l m e r a t 和g m r a d a c k 从减少测量点 数目等方法入手 提出了合并相交检测项的观点 即对于同一检测基本元素上 不同的公差检测项 可在分别满足不同公差项检测要求的前提下 合并检测点 来达到减少检测点的目的 他定义了1 6 种检测基本元素特征 1 3 3 检测路径规划 检测路径规划是确定测头在钡4 量空间的运动轨迹 即工件上所测量点的检 测顺序 坐标测量机是以检测面作为最小的检测单位 这就要求必需测量完一 个检测面以后 才能进行下一个检测面的检测测量 基于上述情况 为了提高 检测效率和检测精度 在进行路径规划时需要考虑下面两个方面的因素 1 在 检测过程中测头和测头变换的次数最少 2 测头运动的轨迹应最短 对于坐标测量检测路径的规划是一个非常复杂的问题 不仅要考虑检测路 径的距离 而且要考虑测量不同检测点时所使用的不同测头和其方向以及检测 路径的碰撞 对于大多数情况下都是在同一测头和同一测头方向下讨论路径规 划问题 仅对路径而言 包括三个方面内容 检测面内测量点的排序 检测面 的测量顺序和检测面之间测量点的连接问题 三个方面相互关联 相互影响 相互作用 如果仅单纯考虑检测面内测量点之间的排序和检测面的排序 那么 检测面之间的连接将破坏整体最优性 同样 如果先确定检测面之间的测量点 的顺序 则对检测面内测量点的排序造成很大影响 这是一个很复杂的最优化 问题 对于这个问题 国内外也有不少的研究 f l k l e r a t 和g m r a d a c k 只讨论 了单个检测面上测量点的规划问题 即按照就近原则优先确定每个检测面内测 量点的顺序 还有z o n g c h i n g 和c h e i n c h u n g c h e n 在此基础上增加了细分的算 西北工业大学硕士学位论文 法 即对测量点较多的检测面采用迭代的方法进一步划分成若干个局部进行讨 论 这两种方法其结果不一定是最短路径 而且所得到的一个检测面内的终点 是随机的 无法保证检测面之间的顺序最优 目前 坐标测量机中的软件基本上都是以单个检测面为最小测量单位 不 能对整个零件的所有测量点进行讨论 随着现代化科学计算方法的出现 不少 先进的理论应用到路径规划中来 把模拟退火算法 遗传基因算法以及神经网 络技术等现代优化算法应用到坐标测量技术中有着广阔的应用前景 在c 删对零件进行测量时 必需为测头找到一条合理可靠的运动路径 即 在测头的移动不与其他工件或夹具发生碰撞的前提下 获得到达终点的最优路 径 此类问题属于空间布置问题 主要解决的问题有两种 1 运动的测头是否 与工件或夹具发生碰撞 2 运动物体所走的路径是否为最佳 具体到规划问题 上 就是要对形成的检测路径做必要的碰撞检测 如果发生碰撞 则应利用防 碰算法 找出合理的避障点 确定测头新的防碰路径 以保证检测的顺利完成 1 4 本论文的主要工作 本文是在机电学院2 0 0 1 年度虚拟实验室项目支持下 以及作为基于虚拟仪 器技术的先进制造系统质量检测集成测试环境研究的国防科研基金的一个重要 核心部分 为开发虚拟三坐标测量机软件及其应用而进行的研究 在掌握s i l m 公司的c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 软件基础上 对v c m m 原理 功能以及开发进行了 研究 并针对具有典型几何特征的零件和具有自由曲面特征的零件在检测中的 一些关键技术进行了研究 研究的主要内容包括 1 d m i s 的研究 在分析了d m i s 文件结构的基础上 阐述了d m i s 文件 格式的规范 介绍了d m i s 的编程环境 2 典型零件的检测规划 零件坐标系建立的方法 测头的选择以及可达性 分析 测量点数目的确定 检测点分布的确定 测量过程的仿真 碰撞 干涉的检测及规避 重点研究了检测路径的规划问题 以及检测面之间 连接点的选取等 3 自由曲面的检测 曲面检测的方法 曲面测量的探测方式 测头的半径 补偿 并着重探讨了测量点在截面曲线的自适应分布以及自由曲面检测 的误差评价等 西北工业大学硕士学位论文 第二章c i m s t a t i o n 软件研究 2 1c i m s t a t i o n i n s p e c t i o n 软件概述 成立于1 9 8 3 年的s i l m a 公司 是一个从事制造技术计算机仿真软件的主要 厂商 它是在计算机虚拟环境中对真实c m m 进行的仿真 并提供了生成 优 化和测试的工具 完全实现了离线编程 c i m s t a f i o ni n s p e c t i o n 是s i l m a 公司的 一个主要产品 它是一个强大的三维图形化仿真和编程工具 主要用于坐标测 量机 c m m s 编程的程序创建与程序优化 使用c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 可以缩短 c m m 的编程周期 提高c m m 使用效率 排除编程错误和探针与工件的干涉碰 撞 它可以在u n i x 和w i n d o w s n t 两种平台上运行 2 1 1c i m s t a t i o n i n s p e c t i o n 的主要功能 1 程序过程的可视化 用户编译和生成程序时可以观察到与真实c m m 探针 零件和夹具 一模一样的三维图形 在仿真时能以任意视角 任意距离和任意速度重 放动态的检测过程 c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 能够发现并修改编程错误 确 保正确的检测程序下载到c m m 中 2 c m m 程序的自动生成 当用户在图形化的界面环境中选择一个特征并检测时 c i m s t a t i o n i n s p e c t i o n 通过对零件c a d 模型的分析 在c a d 模型表面创建检测点 包括进给点 回退点和避障点等 并自动地生成相应的c m m 指令 c i m s t m i o ni n s p e c t i o n 支持全部d m i s 语言指令 并且符合a n s i y 1 4 5 m1 9 8 2 的几何尺寸与公差规范 3 高效的程序编辑功能 使用c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 生成 编辑和修改程序 比用手工编写相 同的程序所花的时间少的多 c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 可以通过使用特征定 义 和对具有相同几何特征工件使用复制特征的功能 大大减少了编程 时间 提高了编程效率 4 自动碰撞检测和无碰撞干涉的生成 碰撞对于设备是十分危险的 使用c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 可以避免碰 撞的发生 s i l m a 支持来自于不同生产厂家如b r o w n s h a p e d e a 9 西北工业大学硕士学位论文 r e n i s h a w g i d d i n g s l e w i s l k m i t u t o y o s t a r r e t t z e i s s 等等公司的 c m m 模型库 c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 自动碰撞检测在探针和被测零件发生 碰撞时可警告用户碰撞的发生 无碰干涉路径的生成是c i m s t a t i o n i n s p e c t i o n 自动地重新设计探针的无碰干涉检测路径 d m i s 特性描述文 件 确保由c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 创建的程序不用改动直接通过d m i s 转 换接口直接下载到任何型号的c m m 上 在程序仿真过程中可以精确的 计算检测所需的时间周期 5 可视化的检测结果 在坐标测量机上对一个零件检测完成后 在c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 中 该检测结果的实际测量的几何数据与定义的几何数据进行对比 并以检 测报告和图形等形式非常直观地显示出来 除了上面提到的功能外 c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 还拥有包含商业c m m 库模 型 拥有包括r e n i s h a w z e i s s 等c m m 生产厂家的各种型号的c m m 和r e n i s h a w 和z e i s s 公司生产的各种类型的探针 探头 探针机座以及探针更换架等模型 c i m s t a t i o n i n s p e c t i o n 的直接c a d 接口可以从c a d 模型中提取相关的g d t 信 息 在编程结束自动检查c m m 后能指令的语法错误 2 1 2c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 的主要特点 1 在实际零件被加工出来或c m m 购买之前 可依据三维c a d 模型 编辑 创建生成c m m 测量程序 检查c m l d 零件程序的准确性合理性 使用c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 比真实c j m 能更快更精确的检测程序错误 支 持并行工程 2 c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 的离线编程功能是联系c a d 和c m m 之间的 桥梁 它大大缩短了零件测量的编程 s i l m a 提供了一个包含大量的精 确运动的c m m 模型和探针库 还可将其他软件如p r o e n g i n e e r c a d d s s d r ci d e a s 和u g s 等建立的零件和工件夹具的c a d 模型 通过c a d 转换接口界面以c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 内部的格式导入到 c i m s t a t i o n i n s p e c t i o n 中 并可通过d m i s 接口将其生成测量程序直接下 载到与之对应的c m m 中 3 可对包括c m m 探针 夹具和零件定位在内的三维工作单元布局 显示并检测 它可以在菜单中编辑d m i s 程序 在编程过程中 可实时 地在三维图形环境中观察c m m 探针 工件以及工件夹具的状态 c m m 编程人员在使用c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 对一个新零件进行开发 编译 和检查检测顺序时所化的时间 比通过手动方式创造相同的的检测程序所化的 西北工业大学硕士学位论文 时间要少得多的多 大大提高了工作效率 c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 是提高制造产品质量支持并行工程最有效的工具 2 2c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 的工作环境 c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 是一个在交互式环境中 用于对c m m 设计开发和仿 真的大型工程软件 它支持全部d m i s 语句 可用于处理特定的c m m 零件所 需的检测信息如几何 尺寸 公差等 可以通过c a d 转换接口界面把外部的 c a d 模型导入到c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 中 d m i s 根据被测工件的c a d 几何模 型 通过使用c i m s t a t i o n i n s p e c t i o n 界面的菜单和面板 可自动生成d m i s 零件 检测程序 2 2 1c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 工作环境的建立 一个完整v c m m 的c a d 模型的工作环境 包括c m m 机械运动 探针 工件夹具等的c a d 模型 通过检测程序来仿真c m m 检测过程 建立一个典型的c i m s t a t i o n i n s p e c t i o n 检测工作环境内容如下 1 1选择v c m m 的生产厂家以及型号 2 选择安装不同型号的探针及探针座的型号 3 c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 与各类c a d 建模软件之间的转换接口 4 建立并导入零件 夹具的c a d 模型 使之安置在v c m m 合适的位置 上 首先建立工作区 其中包括c m m 模型 探头 探针 夹具等 将 p r o e n g i n e e r s t e p i d e a s u g c a t i a s l a v d a f s a c i s c a d d s 或i g e s 中创建的c a d 模型通过转换接口导入c i m s t a t i o n i n s p e c t i o n 中 然后创 建零件测量程序 该程序包括 建立初始机器参数 定义和选择探针位置 建 立坐标系 在模型上定义特征和生成检测点 定义公差并分配到相应的各个检 测特征当中 创建生成工件测量程序后 仿真该检测程序并进一步生成无碰撞 测量程序 最后将c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 生成的测量程序通过d m i s 编译器转换 成特定的c m m 内部语言并下载到相应的c m m 中 2 2 2c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 用户界面 c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 的用户操作界面如图2 一l 所示 用户界砸非常友好 大体可分为下拉主菜单 图形按钮工具条 基本工具条 各功能面板及对话框 西北工业大学硕士学位论文 信息窗口 图形窗口 附加图形窗口 顶部条 帮助 工具条 快速选择窗口 面板叠加区 瀑布式菜单 观察条 零件检测程序编辑显示窗口等 在这种交互 式图形化视窗界面中 绝大部分操作都是通过菜单 工具按钮以及对话框的形 式来实现的 这为操作者提供了极大的方便 而且也在很大程度上提高了编程 者的工作效率 图2 1 c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 用户界面 c i m s t a t i o ni n s p e c t i o n 操作界面主要由以下几个部分组成 下拉主菜单栏 位于用户界面的最上方 按功能不同进行分类 内容包括 s i l 姒 文件 图形 建模 设计 工具 开始 探针 检测 坐 标 程序编辑 其他 帮助 等