基于知识的智能三坐标测量机

基于知识的智能三坐标测量机

机械厂的发展对质量控制的要求越来越高。三坐标测量机（cmm）已成为cims的重要组成部分。这就要求CMM不仅能够通过编制程序实现自动测量,而且能够根据CAD设计图纸进行自动测量,即信息处理自动化;还要能够依据测量常识和规则自动选择测量方法和测量路径,即基于知识的决策智能化。目前,CAD和CAM的集成技术及CAPP技术的研究已经取得了很多成果,但测量机和CAD的信息集成研究即CMM/CAD的集成却远远落后于机械加工和CAD的信息集成。CMM/CAD集成的目标是利用CAD的设计结果,自动确定零件的检测规划,即确定检测工序和确定针对检测工序的检测方法和步骤,进而生成控制CMM测量的程序。因此,随着信息密集型工业的迅速发展和知识密集型工业的兴起,研究与CAD、CAM等集成的基于知识的智能三坐标测量机成为了必然。智能型测量机将是高度自动化的系统,它应是CIMS中的有机部分。随着三坐标测量机软件的不断发展,使编程日益简化,但总还是需要编程的。编程不是一种简单的事,要有一定的知识与技巧,也不可避免发生差错。另一方面,虽然大部分测量机提供了自学习功能,但是仍需要人工操作一遍,对单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则的理解,这不仅无法保证获得最优的检测效率,而且还可能导致如下错误:①不正确地选择几何元素;②不正确地选择检测顺序;③不正确地选择测头;④频繁变换测头和测头方向;⑤频繁变换工件和工件方向。智能测量机的研究是利用计算机内的知识库与决策库确定测量策略,其中包括测头及其方向的选择、测量点数及其分布的选择、测量路径的确定、碰撞检查和避障算法等,即检测规划的策略。可以看出,检测规划在智能测量机中所处的地位是至关重要的,它的好坏不仅决定测量机智能化的实现,也直接体现了检测效率的高低。1测头方向可达性的发展三坐标测头可视为一种传感器,只是其结构、功能较一般传感器更为复杂。按测量方法,测量头可分为接触式测头和非接触式测头两类,其中接触式测头便于拾取三向尺寸信号,应用得更为广泛。由于多数测量机附带的测头种类单一和条件所限,因此关于测头选择的问题很少被讨论。对有些工件,由于测量元素的位置不同、形状不同,往往需要不同的测头,因此在对工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。不同测头及附件所造成的测头误差是不一样的。如果工件在测量中选用了几种测头的组合,就可能会由于测头误差的不同而导致测量误差的变化。因此在选择测头时,应选择在测量工件时使用最多的测头,或者选择工件中精度要求最高的测量要素所需的测头。变更测头方向通过改变安装在可旋转测头座上测头的角度方位来实现;如果在某个测头方向下,测头可接触到某个检测点或检测面,则这个检测点或检测面对此测头方向是可达的。以前对测头方向的研究也仅仅限于简单、定性的讨论,直到1990年,由Spyridi等首先针对多面体工件提出了方向锥的概念,将测头方向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,那么可将检测每个面的测头方向集合理解成为一有方向的锥体。首先计算每个检测面的LAC(局部可达性锥),得到每一检测面测头可达方向的集合。但是LAC是仅从一检测面出发,并没有考虑测头与其它的工件面的碰撞问题,这就需要再进一步计算每个检测面的GAC(全局可达性锥)。对某一检测面而言,所得到的GAC是在LAC中没有与工件发生碰撞的测头方向集合,由此可见,此测头沿GAC中的方向接近此检测面是可达的。由于实际中的测头不仅有限长,而且有一定体积,这样此方法得到的可达方向有可能在实际检测中发生碰撞,同时也存在将原本可达方向视为不可达的可能。对于简单曲面,由于测头与曲面发生碰撞的可能很小,所以YAUHong-Tzong等仅对测头方向进行判别,如果此方向在LAC中,即认为此测头方向是可达的。这样虽然避免了GAC的计算,但是此方法无法应用于复杂工件。Ajmal等提出将测头方向离散为6个坐标轴方向,根据6个坐标方向来确定每个检测面被检测的可行性。由于只考虑6个测头方向,LAC和GAC的计算量大大减少了,但是不难发现由于测头方向的固定单一,很容易产生不可测的检测特征。Ziemian等在讨论测头的可达方向时,从LAC中一可达测头方向出发,并未对GAC做直接计算,而是利用几何投影技术在检测面方向上进行投影,并提出临界特征边的概念,找出满足检测面条件的GAC中的测头方向,但是几何投影的方法及临界特征边都仅仅局限于一些非旋转体的简单工件。Gu首先利用基于知识的智能系统来讨论测头方向问题。他并不直接计算检测特征的可达性,而是利用已形成的知识来获得可达的测头和测头方向。由于他讨论的对象是轴类工件,所以只是针对性地给出轴类工件中的一种不可测情况。后来他又与别人合作提出采用面向对象技术构造基于知识的智能系统,为了缩小测头搜索空间,它们将测头方向限制在3个坐标轴方向上,分别用3个方向的测头对每个检测特征做可行性检查,很明显这种方法虽然能简化问题的复杂情况和加快问题的判断速度,但是仅从3个测头方向考虑,很容易产生不可测的检测特征。当然除了上述方法外,还有Chiang等采用解析几何的方法,定义某一测头的几何形状分别讨论了槽和旋转体的测头可达方向。此种方法不仅计算复杂,而且算法的可移植性差,无法构成智能系统的一部分。2检测精度与检测误差的关系因为测量的过程是通过测球与对每个测量点相接触来完成的,因此在检测之前必须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测量面上,尽可能将测量机的误差对测量结果的影响减少到最小。具体内容如下:(1)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的综合影响。尺寸大的测量元素应进行多测点测量,尺寸小的测量元素则可以少测点测量。检测项的精度大小决定了该测量元素在零件的重要程度,测量元素的精度要求高,则测量的要求就高,要求更全面地反映该测量元素的情况,测量的点数就应该多。测量机的检测精度高,测量相同元素检测项的测点可以少,而测量机的检测精度低,测量相同元素检测项的测点就要多。(2)测量点的存在性、可达性主要与工件整体的几何特征和构造工件的几何基本体的特征及其运算有关。因为在测量之前必须考虑几何基本体的某些面是否存在,即判断所构成的检测面是存在、部分存在还是不存在,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,应将在测头和测头方向的可达区域内选取测量点。(3)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,即经数据处理后测量机误差对检测结果的影响最小,并使测量结果尽可能地反映工件的实际。一般来说,测量点的分布策略为均匀分布和尽可能地覆盖测量面,但是在有些情况,测量面有局部区域是不存在的或不可测的,这就需要考虑如何避开这些区域合理地分布测量点。现在绝大多数的三坐标测量机不带有测点的自动选择功能,因此在测量中,完全靠测量人员的经验。Meng对自由曲面的检测点数确定进行了研究,提出检测点数的公式,它认为检测点数和设计时给定的公差范围和加工因素有关。Zhang对孔直径测量提出了测量点数的神经网络确定方法,它认为检测点数的多少与加工方法、测量精度要求和孔径的大小有关。这2种方法在CAD/CMM集成系统的检测规划系统中应用的一个缺点是零件的加工方法和加工精度一般不能由测量系统提前确定,且检测点数的确定和坐标测量机的测量精度有很大的关系。Merat等从减少测量点数方面入手,提出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。根据他所定义的16种检测基本元素,构造基于特征的智能系统,采用启发式策略获得相交后基本元素上的测量点数。张德芬推出了球、非整球、平面等的测量误差传递关系,并得出了相应的测量优化方案。在此基础上,赵英剑研究了测量圆工件形状误差时均布测量的点数与圆工件具有单一谐波误差阶数的关系,得到测量圆工件宜采用质数次均布的结论。同时,她还对复合谐波圆工件的采样和谐波次数未知情况下的采样策略进行了研究。3测头运动轨迹和方向的改变检测路径规划是确定测头在测量空间的运动轨迹,即工件上所测量点的检测顺序。目前几乎所有的测量机都是以检测面作为最小的检测单位,这就要求必须测量完一检测面后,才能进行下一检测面的测量。基于上述情况下,为了提高检测效率和测量精度,在进行路径规划时就需要考虑下列2个方面的因素:一是在检测过程中测头和测头变换的次数最少;二是测头运动的轨迹应最短。如果只考虑检测路径的距离,即在不考虑测量不同检测点时所使用的不同测头及其方向的条件下,单纯讨论测头运动轨迹的长短。从表面上看,得到一条最省时的路经,但这将势必导致测头及测头方向的频繁变换,其中主要的缺点有:首先,改变测头和测头方向肯定要带来精度上的损失,这将直接违背检测规划的原则。其次,测头方向的改变大致需要5s左右,另外为了避免碰撞,还需要将测头运动至一距离工件较远的位置,因此从时间上考虑并不经济,而更换测头的情况将更为严重。再有,如果考虑改变测头和测头方向所需要的路径,那么规划的整个路径已不是最优的了。因此,大多数情况下都是在同一测头或同一测头方向下讨论路径规划问题。仅对路径而言,又包括3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。3个方面又相互关联、相互影响,如果仅单纯考虑检测面内点的排序和检测面的排序,那样检测面之间的连接将破坏整体的最优性;同样,如果先确定检测面之间的测量点的顺序,则为检测面内测量点的排序造成很大影响,不难看出这是一个很复杂的最优化问题。4静态干涉检测算法在CMM对工件进行测量时,必须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它工件或夹具发生碰撞的前提下,获得到达终点的最优路径。此类问题都属于空间布置问题,主要解决2个问题:一是运动的测头是否与工件或夹具发生碰撞;二是运动物体所走的路径是否最佳。具体到检测规划上,就是要对形成的检测路径做必要的碰撞检查,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。随着计算机图形、仿真技术和硬件技术的发展,用高质量的计算机动画来对现实世界进行模拟与再创造已成为可能。很多学者都研究了在动画演示与模拟中物体之间的干涉和碰撞问题。物体的干涉是2个或多个物体的体积占有同一空间。虽然在平面碰撞问题上已取得很深入的研究,并提出了很多种最优算法,然而在空间问题上却少有高效算法。通常物体的干涉有静态干涉和动态碰撞检查。动态碰撞检查就是沿特定轨迹移动物体的干涉检测。由于静态干涉检测算法是动态干涉检测算法的基础,故对静态干涉检测算法进行简要介绍。根据所用实体表示模型的不同,现有实体干涉检验算法大致可分为两类:一类算法主要基于工件定义的不同模型。由于工件的模型大多由B-rep和CSG模型表示,对碰撞的检查主要基于对模型定义中面或几何元素的碰撞检查,提高算法效率的关键是如何减少被检查的面或几何元素的数量。另一类算法是以层次模型为基础的。如LU等基于8叉树结构采用射线追踪法检测测头与工件碰撞的问题,此方法的实现比较简单,但所付出的代价是8叉树数据结构的存储量及其查找时间,对于较复杂工件或者检测精度要求高的工件,存储量和查找时间是非常巨大的。同时由于层次模型中相邻两层节点的检测过程之间缺乏直接联系,即一个层次上的干涉检验结果并没有反映出下一个层次节点的状态信息,因此无法对检验过程进行优化,以减少不必要的运算。历史上主要有两类技术被用于动态碰撞检测。第一类技术是一种基于在给定轨迹上反复利用静态干涉检测被称为“单步检测”的方法,即当物体移动过程中将轨迹划分为很多时间步,在每一个时间步都进行静态干涉检测,来判定运动的物体之间是否发生碰撞。第二类技术是基于产生称之为“扫描实体”的物体。这些物体代表了物体在给定轨迹上移动过程中所占有的体积空间。如果环境中的物体在它们各自的轨迹上行进时会发生碰撞,那末它们各自的扫描体将会静态干涉。因而,利用扫描体可用简单的静态干涉检查来对动态碰撞进行测试,这些扫描体的产生是运动学和实体模型的结合。由于实体模型具有多种表示方式,因此,基于不同形式的扫描体被提出,主要有构造实体几何模型(CSG)和边界表示模式(B-rep)。可以看出,应用动态碰撞检查的方法,都是将动态碰撞检查变成静态碰撞检查,前者分为单个时间步,后者化为整个运动过程。在单步检测方法中,时间步的个数将影响到检测结果的正确性和算法的效率。如果利用过多的时间步,将会耗费大量的计算时间;如果时间步过少,则会发生漏判或错判现象。而对于利用扫描实体的方法,也同样存在不少缺陷,一是它不适合于实时的计算机图