面向航空結構件的自動化測量技術研究及應用*

曹文軍 隋少春 段桂江 韓 雄 黃明聰

(①中航工業成都飛機工業(集團)有限責任公司數控加工廠， 四川 成都 610092；②北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191)

面向航空結構件的自動化測量技術研究及應用*

曹文軍①隋少春①段桂江②韓 雄①黃明聰①

(①中航工業成都飛機工業(集團)有限責任公司數控加工廠， 四川 成都 610092；②北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191)

為實現檢測過程自動化從而提升檢測效率，針對航空結構件，提出一種坐標測量機檢測軌跡的自動規劃方法，開發了一套檢測軌跡自動規劃系統。依據測量點的法矢及測量機的擺角分度特性計算測頭對應的位姿；以航空結構件的幾何特征為驅動，對檢測軌跡進行規劃；基于VERICUT對檢測軌跡進行仿真，避免測量過程的干涉碰撞；構建檢測軌跡與DMIS語句的映射關系模型，實現測量程序的自動生成。應用驗證表明，該系統能直接依據三維模型進行檢測軌跡的規劃，減少了測量過程的人工干預，檢測效率較傳統檢測模式提升22%～34.6%。

自動化測量；路徑規劃；測量仿真；航空結構件

檢測規劃是產品設計及制造活動中的重要環節[1]。通過檢測規劃的執行可以獲得產品的合格狀態。航空結構件結構復雜、精度要求高，具有檢測任務量大、檢測難度高的特點。其檢測任務的執行大量依賴于三坐標測量機(coordinate measuring machine, CMM)等高精密檢測設備來完成。但由于對測量路徑、測量仿真及自動編程等關鍵技術的規劃與優化的手段不足，難以充分發揮CMM在效率、自動化方面的優勢，使當前測量過程仍主要依靠于操作人員的人工干預。航空結構件在CMM上占用機時多，測量執行效率難以滿足生產進度需求。可以說，CMM檢測能力與效率的不足，已成為制約數控產能提升的瓶頸問題。需要在航空制造領域結合CMM對計算機輔助檢測規劃(computer-aid inspection planning, CAIP)進行研究應用。

一般地，CAIP包含以下內容：確定最佳的檢測順序，分解每一個特征的具體檢測方案，檢測路徑規劃及碰撞檢查，測量數據的統計與分析[2]。根據檢測順序的不同，可將CAIP歸為以下2類[1]：(a)公差驅動的檢測規劃；(b)幾何驅動的檢測規劃。前者在規劃時側重將具有特定公差要求的特征作為一個集合。后者的規劃重點在于追求幾何特征的完整描述，即將幾何特征作為一個集合。Yau 和 Menq等[3-5]基于知識規則將工件公差信息、功能需求、CMM約束信息轉換為CAIP系統的輸入信息，實現了公差驅動的檢測工藝的自動規劃；Zhang等[6]提出并研發一套直接利用CAD模型特征實現CAIP的原型系統，并將公差及特征信息作為共同約束實現了特征驅動的檢測工藝的自動規劃。張江等[7]基于CATIA融合公差及特征信息研發了一套適用于MBD環境下的檢測規劃系統。上述方法，側重于對檢測規劃基礎算法的研究，對規劃結果的仿真及生成末端可執行的程序上關注不足，且多是面向通用領域對航空結構件的特征、特性考慮不足，無法直接應用于航空結構件的檢測過程。

因此，為實現對航空結構件檢測過程的自動化并提升檢測效率，提出一種坐標測量機檢測軌跡的自動規劃方法，并開發一套檢測軌跡自動規劃系統。首先依據測量點的法矢及測量機的擺角分度特性計算測頭對應每一測點的位姿；在此基礎上，以航空結構件的幾何特征為驅動，對檢測軌跡進行規劃；然后基于VERICUT對檢測軌跡進行仿真，避免測量過程的干涉；最后通過構建檢測軌跡與尺寸測量接口標準(dimensional measuring interface standard，DMIS)語句的映射關系模型，實現測量程序的自動生成。如圖1為本文內容邏輯結構圖。

1 基于CATIA的檢測軌跡自動規劃

1.1 檢測軌跡自動規劃

檢測軌跡規劃是依據既定測量點位集合，融合測量機特性及工藝約束信息，生成合理的檢測軌跡的過程。首先讀取測量點位信息，依據測點的法矢計算測頭的擺角位姿；然后依據不同的檢測特征生成對應特征集的檢測軌跡；最后通過干涉碰撞檢查完成檢測軌跡的優化，避免測頭與待測工件碰撞，同時保證測點均被測量。

1.1.1 測頭擺角計算

測量機測頭的位姿通常由2個角度確定，上下擺動的A角度和回轉B角度。采用雷尼紹觸發式PH10M型號測座，其A角度的變化范圍是[0, 105°]，B角度的范圍是[-180°, 180°]。A和B均只能間隔7.5°變換一個角度值。因此，每一個檢測點在理論上具有673個可選擺動角度。但為避免干涉，并非每一擺動角度在均可用。

一般地，假設測桿的起始位姿與Z軸平行且測頭指向Z負向。則根據測頭特點及測點的法矢信息，可快速計算出測桿擺到與測點法矢方向一致所需的A、B角。

(1)A擺角計算

根據圖2，測頭A擺角的計算公式如下：

受測頭硬件約束，因擺角只能為[0, 105°]，且以確定的常量分度=7.5分布。因此，還應對根據分度值進行圓整。則最終的A擺角的計算公式如下：

(2)B擺角計算

根據圖3，測頭B擺角的計算公式如下：

同樣地，B擺角只能為[-180°, 180°]，最終也應對根據分度值進行圓整。因此，B擺角的計算公式如下：

實際測量過程中，由于零件型面測量空間有限，同時為保證測量的可達成性，一般以該A、B擺角為軸心，選取其偏置60°的錐度角范圍內的擺角作為參考擺角。基于經驗，在生成測頭最終的擺角時，在現有計算值的A擺角偏置15°作為測量的A擺角[7]。

1.1.2 測量路徑生成

使用CMM測量目標點位時，要求測頭從測量起始點沿法向靠近目標點。本文將測量起始點稱為觸測點，如圖4的點1和點3；觸測點與目標點之間的距離稱為觸測距離，如圖4中的l12和l34；觸發測頭擺角變換的定位點為測頭轉換定位點，如圖4中的點p和點q。

則CMM測量過程可以簡化描述如下：

Step1：將CMM原點作為起始觸測點，并根據下一觸測點的法矢確定擺角；

Step2：測頭從起始觸測點位置快速移動到下一個觸測點；

Step3：測頭沿測點法矢的反向從觸測點以較慢的速度靠近工件的待測點；

Step4：測頭接觸工件后返回至觸測點，完成一個點位的測量；

Step5：將該觸測點作為起始觸測點，重復上述步驟，直至測點集中無待測點。

則圖4中所示的檢測軌跡為：p-1-2-1-p-q(擺角變換點)-3-4-3-q。

(1)輔助定位點生成

測量路徑生成過程中，觸測點、安全平面高度等輔助定位點的生成過程可以描述如下。

首先，選擇一個測點集，設置觸測距離為ls，每一個測點生成一個與之對應的觸測定位點，確定當前測點的法矢方向(指向零件外側)，沿著法矢方向將測點平移ls的距離得到的位置就是該測點對應的觸測點位置。

若當前測點和下一測點分屬于不同的檢測特征，即測量過程出現跨區域、跨特征時，根據當前相鄰兩個觸測定位置，分別沿Z向(或Y、Z方向)抬高至安全平面形成兩個定位點作為避障定位點，此時這兩個相鄰的測點分別有2個定位點。如圖4所示，圖中測點2對應的定位點有點1及點p。

同樣，如果在檢測下一個測點前測頭擺角需要改變，那么在當前測點采點結束后，需要將測頭抬到安全平面高度處的測頭轉換定位點，變換擺角，接著進行下一個測量過程。如圖4所示，點q即為點4對應的測頭轉換定位點。

(2)基于檢測特征的測量路徑生成

在生成測量路徑前，首先需對測點及定位點歸類存儲，然后對測點根據其所屬特征進行歸類，之后對測量特征測量點集依據測點數量進行排序，最后根據測點集的排序結果對相應測量定位點集進行排序。則測量路徑生成的過程就是依據測點和定位點的特征標識依次將測點、測量定位點連線的過程，具體過程可描述如下。

Step1. 讀取排序后的測點集、定位集；

Step2. 讀入測點集中的第一個測量點p1，及下一測量點p2；

Step3. 讀入定位集中與當前測點p1、p2關聯的觸測點p1a、p2a及避障定位點(測頭轉換定位點)p1b、p2b；

Step4.以點p1b起始點，點p1a為終點，生成快速測量路徑；

Step5.以點p1a為起始點，點p1為終點，生成當前點的觸測接近路徑；

Step6.以點p1起始點，點p1a為終點，生成觸測回退路徑；

Step7.判斷下一測量點是否存在避障定位點(測頭轉換定位點)p2b：

Step7.1. 若存在，以點p1a為起始點，點p1b為終點，生成快速回退路徑；然后，以點p1b起始點，點p2b為終點，生成測點間的快速移動路徑；最后以p2b為起點，點p2a為終點，生成測點p2的快速接近路徑；跳轉Step7.3；

Step7.2. 若不存在，以點p1a為起始點，點p2a為終點，生成下一測量點的快速接近路徑；跳轉Step7.3；

Step7.3. 以點p2a為起始點，點p2為終點，生成當前點的觸測接近路徑；

Step8. 從測點集及定位集中，刪除點p1及關聯的點p1a、點p1b，更新測點集及定位集；

Step9. 重復Step2～Step8，直至測點集中無測量點，即完成測量路徑的生成。

基于上述算法，開發了面向CATIA平臺的檢測軌跡規劃系統。其自動規劃的檢測軌跡如圖5所示。

2 測量仿真與測量程序的后置處理

完成檢測軌跡規劃后，為使其能直接指導現場的測量機自動、可靠運行，需對生成的檢測軌跡文件進行仿真，消除可能出現的碰撞。在此基礎上，為實現測量前置文件與測量機可識別語言的轉換，需根據檢測軌跡自動生成測量機可執行的程序，從而驅動測量機自動運行，減少測量過程中的人工干預。

2.1 基于VERICUT的測量過程仿真

檢測軌跡的規劃是進行仿真的基礎。但由于運動的復雜性，僅憑計算出的檢測軌跡還難以直觀、準確地判斷測頭的位置和姿態。因此，本文以VERICUT平臺對測量過程的精確仿真。整個仿真環境的實現包括測量機的配置，測頭庫的配置及測量程序的運行3部分內容。

首先，對測量機的關鍵尺寸進行測量并通過CATIA將測量機的主要運動部件進行逆向建模。然后，將建模出的各部件導出為STL文件，通過VERICUT進行各部件的關聯及運動軸的建立，如圖6a所示。其次，對測頭庫進行配置，根據實際情況建立不同測針長度及測球的直徑，以便仿真過程中進行測頭的調用。最后，通過導入測量工件模型及生成的檢測規劃結果文件，調整測量坐標系，則可以在VERICUT中自動運行測量程序，實現測量過程的仿真，如圖6b所示。

2.2 基于DMIS的測量程序自動生成

在實際測量過程中，測頭校準和工件找正部分通常是由檢測人員利用三坐標測量機軟件手動交互完成的。因此，在自動生成DMIS語句時，不需要包含測頭校準和工件找正程序塊部分，僅需包含參數設定、測頭定義與選擇、測量語句程序塊三部分。因此，在CATIA平臺上完成測量路徑生成后，可將DMIS程序的生成過程轉換為構建測量路徑與DMIS語句建立映射關系的過程。

由于在生成檢測軌跡前置文件的時候，已經把測量特征與公差要求、運動測點進行了耦合關聯。因此，測量程序的自動生成可以根據前置文件中測點(包含輔助測點)及運動擺角數據，調用DMIS定義中的運動語句與測量語句，從而控制測頭的運動與測量過程與前置規劃過程一致。這樣就完成了DMIS文件與測量前置文件的映射，實現測量程序的自動生成。通過運行生成的DMIS程序，就可以在實際測量過程中，控制測量機按照規劃的路徑對待測工件進行測量。

表1列出的是某航空結構件檢測軌跡上的部分理論測量點坐標及其法矢，利用本文方法生成的描述測量路徑的DMIS文件如圖7所示。

表1 某測量部位測量點信息

序號理論測量點坐標理論測量點法矢XYZIJK166.8987-0.058948.5476-0.0000-1.0000-0.0012296.7304-0.028423.3982-0.0000-1.0000-0.00123125.8484-0.059949.3705-0.0000-1.0000-0.0012……………………………………

3 應用驗證與分析

采用本文開發的自動測量系統與傳統的人工測量方法，在典型航空結構件上進行了4組對比實驗。在每一組實驗中保持相同的測量零件不變，分別記錄了2種測量方法所需的時間及對應測頭擺角角度的數量，結果如表2所示。圖8為實驗驗證效果圖。

表2 測量效率對比試驗結果

序號模型結構測點數測量方法擺角數測量時間/min1112傳統368本文6462104傳統366本文6463146傳統380本文6624160傳統381本文453

(注：測量時間包含測量過程的準備時間，如建立坐標系、更換測頭等)

從實驗結果可以出，雖然本文提出的自動測量方案在測頭擺角上較人工操作方案存在偏多的現象，但測量過程中均達到了0碰撞干涉；且在測量時間對比上，由于不需要人工干預與防錯，在測量時間上較傳統方式最低提升約22%，最大提升約34.6%，為解決航空結構件在CMM上占機時間長，測量執行效率低的問題提供了新的思路。

4 結語

提出的一種面向數控機加結構件的自動測量技術，給出了檢測軌跡自動規劃、測量過程仿真的實現方法，并將其應用于產品的檢測過程中。工程應用結果表明，所提出的測量方案能夠直接依據三維模型進行測量方案的規劃與優化，并生成可供CMM執行的自動測量程序，從而降低測量過程對操作人員的依賴度，對實現三維數字化檢測系統從檢測規劃到底層執行設備的集成，提升檢測效率與檢測過程的自動化具有重要意義。

[1] Zhao F, Xu X, Xie S Q. Computer-aided inspection planning—the state of the art[J]. Computers in Industry, 2009, 60(7): 453-466.

[2]Lin Y J, Mahabaleshwarkar R, Massina E. CAD-based CMM dimensional inspection path planning-a generic algorithm[J]. Robotica, 2001, 19(2): 137-148.

[3]Yau H T, Menq C H. Path planning for automated dimensional inspection using coordinate measuring machines[C].Robotics and Automation, 1991. Proceedings., 1991 IEEE International Conference on. IEEE, 1991: 1934-1939.

[4]Menq C H, Yau H T, Wong C L. An intelligent planning environment for automated dimensional inspection using coordinate measuring machines[J]. Journal of Engineering for Industry, 1992, 114(2): 222-230.

[5]Yau H T, Menq C H. An automated dimensional inspection environment for manufactured parts using coordinate measuring machines[J]. The International Journal of Production Research, 1992, 30(7): 1517-1536.

[6]Zhang S G, Ajmal A, Wootton J, et al. A feature-based inspection process planning system for co-ordinate measuring machine (CMM)[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2000, 107(1): 111-118.

[7]張江, 段桂江. 面向飛機結構件的三維檢測規劃系統研究與開發[J]. 航空精密制造技術, 2012 (5): 30-32.

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An automated inspection planning technology for aeronautical structural components

CAO Wenjun①, SUI Shaochun①, DUAN Guijiang②, HAN Xiong①, HUANG Mingcong①

(①AVIC ChengDu Aircraft Industrial (Group) Co., Ltd., Chengdu 610091，CHN；②School of Mechanical Engineering and Automation, BUAA，Beijing 100191，CHN)

To enhance the efficiency and automation in inspection, a method of inspection path planning for coordinate measuring machines is develop and applied in this study. At first, the position and orientation of the probe was calculated based on the measurement point normal and measuring machine indexing characteristic. After that, a geometry-based inspection process was carried out. Then, in order to avoid the interference in the process, the process was simulated in VERICUT. Finally, by constructing the mapping model between inspection paths and the DMIS, the inspection program was automatic generated. The application results show that, by applying the proposed method, the inspection path is planned based on the three-dimensional model directly. And the inspection efficiency increase of 22%～34.6% than the traditional way with manual intervention.

automated inspection;inspection path planning;inspection process simulation;aeronautical structural component

TP391

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.09.023

曹文軍，男，1978年生，碩士，高級工程師，科室主任，研究方向為數字化制造技術，已發表論文6篇。

(編輯 譚弘穎)

2016-07-13)

160928

*國家科技重大專項(2015ZX04001-002)