基于U3D的在線測量技術研究

李鐵鋼

(沈陽工程學院機械工程系，遼寧沈陽110136)

在數控機床完成零件工序的加工后廣泛使用坐標測量機檢測加工精度［1］。為隨時監控質量，加工過程中需要經常在數控機床和計量測試單位間周轉，導致重復裝夾定位和對刀，易產生應變、裝夾定位誤差和對刀誤差，造成零件超差或報廢。在線測量技術是零件加工完成后狀態不變、在數控機床上直接進行精度檢測的技術，可節約定位、找正和周轉等輔助時間，可即時掌握加工狀態信息，進而提高生產效率［2］。

針對數控機床在線測量問題，提出了基于U3D模型的技術方案，構建了系統的軟硬件體系結構并研究了相應的關鍵技術。

1 系統的體系結構

1.1 系統框架集成

結構件在機檢測系統由機床數控系統、觸發式測頭系統、下位PC 機和上位PC 機構成。測頭系統由測頭本體、信號輸出單元、信號接收單元以及信號處理單元組成，測頭選用瑞士Renishaw 公司的OMP40 觸發式光學測頭，尾部為ISO50 標準刀柄，測桿長度為50 mm。上位計算機通過RS485 總線與數控系統連接，在線檢測時機床主軸帶動測頭觸碰零件完成數據點測量，通過無線發射裝置發送數據，數控系統通過無線接收裝置接收數據存儲，最后數控系統將測量點坐標上傳到上位PC 機的應用程序進行數據處理［3］。

1.2 測量系統體系流程

數控加工程序使用集成CAD/CAM 軟件編制，不同系統使用專用的數據文件，互不兼容，如果進行強制數據轉換，會發生數據丟失現象。為解決問題，由Adobe、Intel 和微軟等25 家公司組成的3D 工業論壇(3D Industry Form，3DIF)同歐洲計算機制造商協會(Ecma International)聯合推出了輕量化標準通用三維(Universal 3D，U3D)文件格式。U3D 文件格式去掉了相關工程數據，與設計和制造環境無關，數據含量大大減少，能實現應用的快速性。在線測量采用U3D 模型從CAM 模塊傳遞測量原始數據，集成在線測量系統流程如圖1所示。

圖1 在機檢測系統流程

2 關鍵技術

2.1 基于U3D 的測量特征構建

U3D 文件結構由順序結構的文件頭塊、聲明塊和附加塊等一系列的塊組成，包含文件頭、文件參考、節點、節點資源、著色器資源、運動資源及修改符等對象，對象的屬性類型如下:

0X00443355-File Header

0XFFFFFF12-File Reference

0XFFFFFF14-Modifier Chain

0XFFFFFF15-Priority Update

0XFFFFFF21-Group Node

0XFFFFFF22-Model Node

0XFFFFFF31-CLOD Mesh Generator

0XFFFFFF36-Point Set

0XFFFFFF37-Line Set

0XFFFFFF45-Shading Modifier

0XFFFFFF46-CLOD Modifier

與模型有關的是幾何發生器塊，有網格、點集和線集等3 種類型，這3 個列表包括位置表、法矢表、著色表、紋理坐標表、漫反射顏色表、鏡面反射表、位置表、模型法矢表、模型漫反射顏色表、模型鏡面反射顏色表、模型紋理坐標表，另外網格還包括基準位置表。

U3D 文件在使用時主要通過調色板、節點、場景、資源和修改符等關鍵元素的交互實現，調色板存放各種圖形元素的數據，資源和節點的存儲通過調色板進行。為簡化文件處理，通過3D 工業論壇封裝的Palette、Core Services、Scene Graph、Nodes、Modifiers、Load Manager、Write Manager、Scheduler、Notification Manager、Modifier Chain 和Render Services 等類型庫讀寫U3D 文件。

基于數控加工工藝采用邊界表示法(B-rep)表示U3D 模型，遍歷模型的幾何拓撲信息構建測量特征，主要包括尺寸類、形狀類、輪廓類、定位位置類和定向位置類等五大類特征。可將零件的測量特征定義如下:

MF = Geo ∪Attr

式中:Geo 表示幾何拓撲信息;Attr 表示工藝特征屬性，包括測量特征類別、工序、加工方法、加工余量、公差、特征方位和特征特性點坐標等。Geo 可以表示為:

式中:fi為測量特征的組成表面;Rk為fi的約束關系，關系有垂直、凸連接、凹連接和相切等。

基于工藝模型構建特征，按照切削工序和測量需求，遵循“先大后小、先外后內、先上后下、同一特征一次測量、路徑最短”等原則形成檢測特征XML 文件。

2.2 測點規劃

根據測量特征樹，規劃測量特征順序和生成測量特征內采樣數據點。測量路線分為k 個子路線pi，每個子路線pi由r 個測量基特征形成的內區域組成，則整個測量點集路徑可以表示為:

針對測量路線的特征方位，將其投影到檢測主平面形成的特征特性點坐標作為內區域的中心，最后最佳檢測路線是所用時間最小的。此類問題為典型的TSP 問題，采用蟻群算法優化。

采樣分布以減少測量誤差為原則，考慮下列4 方面:(1)分布均勻，測點間距等距;(2)分布于被檢測元素表面;(3)避免接近表面邊緣、凸臺邊界和孔邊緣;(4)避免落入不可達區間。檢測數據點采樣利用基于工藝特征的混合采樣算法，對于采用鉆頭鉆孔、鉸刀鉸孔等一次成形法加工的圓柱表面，對于由圓柱立銑刀的側刃和底刃加工的平面采用簡單均勻采樣法;對于采用軌跡法行切加工的曲面采用基于曲率變化矩陣的采樣方法［3－4］，平均曲率為:

式中:kmin(u，v)和kmax(u，v)分別為曲面p(u，v)的主曲率。曲面的曲率變化矩陣為:

式中:Q 和W 為u 和v 項參數劃分數目;

2.3 測量程序生成

測量程序后置處理是將經過檢測規劃定義后，完成測量操作生成的采樣點的前置位置文件CLF(CLDATAFILE)轉化成數控機床可用的測量程序指令代碼的過程。測量后處理程序利用VC ++語言編程實現，程序由文件輸入輸出模塊、代碼翻譯模塊、幾何運動變換模塊等組成。代碼翻譯模塊建立測量前置CLF 文件和數控測量程序文件的映射關系，幾何變換模塊是將特征采樣點P0(x0，y0，z0，i，j，k)計算為在線測量的機床坐標系中的點P(x，y，z，A，B，C)。程序指令與數控機床的結構、測頭接口程序和數控系統有關。以典型的V1-2000.2T 機床為例，結構示意圖如圖2所示，機床為3 個線形移動坐標X、Y、Z 和2 個轉動坐標A、B 的5 坐標聯動，從機械結構上看A 轉軸安裝在B 軸上，B 為定軸，第4軸;A 為動軸，第5 軸，數控系統為MACS508。

圖2 V1-2000.2T 數控機床結構

則變換關系式如下:

式中:A∈［－30，30］，B∈［－100，100］，L 為轉心距值。

機床在線測量程序中使用宏變量編程和子程序等高級編程方法，在后置處理中需要定義子程序的事件處理程序，包括程序變量的初始化、測頭的裝卸、測頭校準和誤差補償、基本輸入輸出接口、測量點數據計算、測量位置處理、測量數據形位誤差計算、誤差補償和交互信息處理等功能指令。

3 應用實例

如圖3所示，以典型的框類結構件為例進行加工和在線測量驗證，以2－φ14H8 基準孔軸線為X 軸，左端孔中心為原點，框平面為XOY 平面建立測量坐標系，測量零件外形輪廓曲面和槽腔的位置及筋條厚度，曲面公差±0.2 mm，筋條厚度公差±0.15 mm，零件分別由DELTA4507 坐標測量機和數控機床在線檢測，測量機精度為0.005 mm/m，測量精度指標為0.020 mm。利用標準量塊在線檢測校驗，共進行10次檢測，每次選擇不同截面位置測量10 點，計算誤差，最大誤差為0.019 mm，最小誤差為0.008 mm，平均誤差為0.013 mm，標準差為0.004。

在線檢測與測量機檢測結果表明零件尺寸合格，滿足精度要求，兩者的測量誤差綜合誤差在0.1%的范圍內。

圖3 在線測量

4 結論

為解決數控加工的快速檢測問題，提出了基于U3D 的在線檢測框架體系結構并研究了關鍵技術，通過實例驗證了該方法的可行性，提高了零件的檢測和加工效率。

【1】LI Y G，FANG T L，CHENG S J，et al.Research on Feature-based Rapid Programming for Aircraft NC Parts［J］.Applied Mechanics and Materials，2008，10(12):682－687.

【2】隋少春，楚王偉，李衛東.數控加工在線測量技術應用探究［J］.航空制造技術，2010(22):44－46.

【3】丁永發，李迎光，崔雅文.基于曲率變化矩陣的飛機結構件在線檢測測量點自動生成［J］.機械科學與技術，2010，29(6):778－782.

【4】PONIATOWSKA Malgorzata.Deviation Model Based Method of Planning Accuracy Inspection of Free-form Surfaces Using CMMs［J］.Measurement，2012，45:927－937.

【5】李鐵鋼.基于UG Postbuilder 的五軸后置處理器設計［J］.機床與液壓，2009，37(10):72－74.