面向制造流程的檢測(cè)過(guò)程精確仿真技術(shù)研究

劉 靜 武 瓊 馬 飛

（成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，四川 成都 610073）

高質(zhì)量產(chǎn)品的制造不僅需要有高精度的制造加工設(shè)備，同時(shí)更需要高精度的檢測(cè)設(shè)備來(lái)保障，因此，坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）也逐漸成為機(jī)械制造業(yè)特別是自動(dòng)化生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制的主導(dǎo)檢測(cè)設(shè)備。但傳統(tǒng)的CMM自學(xué)習(xí)測(cè)量模式和人工編程測(cè)量模式已經(jīng)制約了CMM測(cè)量功能的發(fā)揮，研究能夠適應(yīng)現(xiàn)代化工廠的CMM自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)成為必然趨勢(shì)[1?2]，而測(cè)量過(guò)程精確仿真技術(shù)更是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)的核心內(nèi)容。

目前，國(guó)內(nèi)外在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)的研究仍處在發(fā)展階段，國(guó)內(nèi)外將大量精力投入于測(cè)量機(jī)的測(cè)量規(guī)劃系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[3?5]，現(xiàn)有的測(cè)量規(guī)劃系統(tǒng)一般都已具有圖形顯示與操作功能，在工件數(shù)模上按測(cè)量需求規(guī)劃出測(cè)量路徑，并按照規(guī)劃好的測(cè)量路徑模擬測(cè)頭運(yùn)動(dòng)，但對(duì)測(cè)量仿真研究較少。高國(guó)軍等[6]通過(guò)被測(cè)工件CAD模型生成測(cè)量軌跡APT文件，利用數(shù)控加工過(guò)程的NC驗(yàn)證環(huán)境對(duì)測(cè)量軌跡APT文件進(jìn)行驗(yàn)證，有效地對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行了仿真。潘金川等[7]利用虛擬裝配仿真技術(shù)快速地實(shí)現(xiàn)對(duì)軌跡規(guī)劃結(jié)果仿真。上述方法，側(cè)重于檢測(cè)軌跡規(guī)劃和碰撞檢查的基礎(chǔ)算法研究，且被測(cè)工件模型也只基于理論模型，只適用對(duì)工件的終檢，無(wú)法滿足制造企業(yè)為避免完工后再進(jìn)行大量返工而在制造流程中引入中間檢測(cè)的需求。另一方面，對(duì)制造過(guò)程中的工件進(jìn)行檢測(cè)往往需要考慮裝夾等因素，目前檢測(cè)仿真技術(shù)無(wú)法滿足對(duì)制造過(guò)程中的工件自動(dòng)化檢測(cè)時(shí)真實(shí)裝夾狀態(tài)模擬的需求。

因此，為發(fā)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量離線編程中的問(wèn)題，預(yù)先避免直接操作實(shí)體可能造成事故和不必要的損失，本文提出了面向制造過(guò)程的檢測(cè)過(guò)程精確仿真方法。首先，利用PC-DMIS軟件對(duì)工件CAD模型進(jìn)行測(cè)量程序離線編程，對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量軌跡規(guī)劃，生成待仿真DMIS程序；其次，通過(guò)建立測(cè)量機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型庫(kù)及測(cè)頭庫(kù)、配置控制系統(tǒng)、構(gòu)建DMIS語(yǔ)言與G代碼映射關(guān)系，建立起測(cè)量機(jī)仿真環(huán)境；最后，基于VERICUT在加工過(guò)程仿真工位后建立測(cè)量過(guò)程仿真，通過(guò)工位間毛坯的繼承關(guān)系，實(shí)現(xiàn)面向制造過(guò)程的自動(dòng)化檢測(cè)過(guò)程精確仿真。如圖1為本文內(nèi)容邏輯結(jié)構(gòu)圖。

圖1 本文內(nèi)容邏輯結(jié)構(gòu)圖

1 基于PC-DMIS的測(cè)量過(guò)程離線編程

利用PC-DMIS脫機(jī)軟件進(jìn)行測(cè)量程序離線編程是減少測(cè)量占機(jī)時(shí)間、提高測(cè)量效率和有效緩解測(cè)量壓力的有力手段，其基于被測(cè)工件CAD模型與測(cè)量點(diǎn)位數(shù)據(jù)在工藝前端完成測(cè)量程序編程，后端測(cè)量機(jī)直接調(diào)用測(cè)量程序完成測(cè)量任務(wù)，從而可實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)自動(dòng)化檢測(cè)。離線編程前，首先設(shè)計(jì)自動(dòng)化測(cè)量方案，包括測(cè)量基準(zhǔn)的選擇，測(cè)量點(diǎn)位設(shè)計(jì)，測(cè)頭及測(cè)量機(jī)選擇。

在基于被測(cè)工件CAD模型的CMM檢測(cè)中，檢測(cè)路徑的生成是在測(cè)量點(diǎn)位確定以后，導(dǎo)入測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)的位置、被測(cè)表面在被測(cè)點(diǎn)處的法矢、檢測(cè)次序生成檢測(cè)路徑。有關(guān)PC-DMIS離線編程可參考文獻(xiàn)[8?10]。PC-DMIS離線編程具體操作流程如圖2所示。

圖2 脫機(jī)編程流程

2 面向制造流程的檢測(cè)過(guò)程精確仿真

針對(duì)目前對(duì)數(shù)控加工過(guò)程N(yùn)C仿真的研究比較成熟，但專門(mén)針對(duì)CMM檢測(cè)過(guò)程仿真的軟件系統(tǒng)不多且不成熟的現(xiàn)狀，利用數(shù)控加工過(guò)程與CMM檢測(cè)過(guò)程在運(yùn)動(dòng)上的相似性，構(gòu)建基于VERICUT軟件的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)仿真環(huán)境，建立加工仿真工位和測(cè)量仿真工位對(duì)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)路徑進(jìn)行精確仿真。

2.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)仿真環(huán)境構(gòu)建

VERICUT仿真軟件（簡(jiǎn)稱：VT）能夠自定義與實(shí)際機(jī)床相匹配的仿真機(jī)床結(jié)構(gòu)、刀具結(jié)構(gòu)，定義刀具安裝位置，以及自定義控制系統(tǒng)，能夠模擬機(jī)床真實(shí)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。基于VT軟件的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)仿真環(huán)境構(gòu)建主要包括測(cè)量機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的配置、測(cè)量機(jī)控制系統(tǒng)配置及測(cè)頭庫(kù)的配置3部分內(nèi)容。

首先，搭建坐標(biāo)測(cè)量機(jī)模型。將測(cè)量機(jī)三維裝配模型的固定部件與各主要運(yùn)動(dòng)部件拆分并導(dǎo)出為.STL文件，固定部件包括：床身；運(yùn)動(dòng)部件包括：X驅(qū)動(dòng)軸、Y驅(qū)動(dòng)軸和Z驅(qū)動(dòng)軸；在VT機(jī)床樹(shù)中依次導(dǎo)入床身、Y軸、X軸和Z軸，并建立各部件間的關(guān)聯(lián)，從而建立起測(cè)量機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真機(jī)床模型，如圖3所示。

圖3 測(cè)量機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真機(jī)床模型建立

坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是通過(guò)測(cè)頭系統(tǒng)接觸工件來(lái)拾取信號(hào)，測(cè)頭系統(tǒng)主要包括：測(cè)座、測(cè)針。其中測(cè)座根據(jù)被測(cè)工件類型選擇適當(dāng)類型，以雷尼紹PH10M為例，A角旋轉(zhuǎn)范圍0～105°，B角旋轉(zhuǎn)范圍±180°。在Z軸樹(shù)中依次導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)部件A旋轉(zhuǎn)、C旋轉(zhuǎn)，從而在機(jī)床中配置了測(cè)座系統(tǒng)。

其次，在測(cè)量過(guò)程仿真中測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于數(shù)控加工NC仿真中的刀具運(yùn)動(dòng)，因此，利用VT刀具管理器對(duì)測(cè)頭庫(kù)進(jìn)行配置，根據(jù)實(shí)際情況建立不同測(cè)針型號(hào)的仿真模型，以便仿真中進(jìn)行測(cè)針調(diào)用。

最后，自定義仿真控制系統(tǒng)。VT軟件并不支持測(cè)量程序指令（DMIS語(yǔ)言），為實(shí)現(xiàn)仿真軟件支持測(cè)量程序，首先將DMIS語(yǔ)言進(jìn)行篩選分類為面向幾何結(jié)構(gòu)的定義語(yǔ)句和面向過(guò)程的命令語(yǔ)句，如圖4所示。

圖4 DMIS一般程序結(jié)構(gòu)

將對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡沒(méi)有直接影響的面向幾何結(jié)構(gòu)的定義語(yǔ)句隔離。對(duì)于直接影響運(yùn)行軌跡的面向過(guò)程的命令語(yǔ)句，通過(guò)自定義子程序建立DMIS語(yǔ)言與G代碼的映射關(guān)系，完成參數(shù)傳遞、運(yùn)動(dòng)過(guò)程重構(gòu)和檢測(cè)過(guò)程重構(gòu)。

測(cè)量軌跡運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括：安全平面、定位速度、觸測(cè)速度、逼近距離、回退距離、搜索距離及深入距離等。為了便于程序管理，將DMIS語(yǔ)句參數(shù)前的字通過(guò)VT字替換功能替換為對(duì)應(yīng)子程序名，參數(shù)提取后，將參數(shù)存入提前定義的變量中供重構(gòu)測(cè)量軌跡使用，如表1所示。

表1 運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳遞表

測(cè)量運(yùn)動(dòng)過(guò)程主要包括：定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、點(diǎn)測(cè)量和孔測(cè)量，這3種基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)組合能夠完成復(fù)雜的檢測(cè)項(xiàng)目，如圖5所示。

圖5 基礎(chǔ)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)機(jī)理

定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)即：測(cè)頭從某中間定位點(diǎn)（X1，Y1，Z1）到達(dá)另一中間定位點(diǎn)（X2，Y2，Z2）的過(guò)程。點(diǎn)測(cè)量過(guò)程即：測(cè)頭以“定位速度V1”移向特征，當(dāng)距離工件為“逼近距離Dis2”時(shí)更改為“觸測(cè)速度V2”觸測(cè)工件，觸測(cè)完畢后，以“觸測(cè)速度V2”回退一個(gè)“回退距離Dis3”，以“定位速度V1”移向下一個(gè)特征；孔測(cè)量過(guò)程即：測(cè)頭按角矢量對(duì)特征實(shí)施多次點(diǎn)測(cè)量的過(guò)程。深入分析運(yùn)動(dòng)規(guī)律，結(jié)合檢測(cè)點(diǎn)位和運(yùn)動(dòng)參數(shù)變量，利用G代碼指令重構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，如圖6為點(diǎn)測(cè)量G代碼映射程序。

圖6 點(diǎn)測(cè)量G代碼映射程序

在配置測(cè)量機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，將映射關(guān)系子程序納入待調(diào)用子程序列表。當(dāng)程序仿真運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)調(diào)用DMIS語(yǔ)言對(duì)應(yīng)G代碼解釋子程序，解決了VERICUT仿真時(shí)無(wú)法識(shí)別DMIS語(yǔ)言的問(wèn)題。

2.2 基于VERICUT的檢測(cè)過(guò)程精確仿真

本文以VT平臺(tái)對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行精確仿真，將NC加工程序仿真與測(cè)量程序仿真集成到同一平臺(tái)，通過(guò)加工毛坯在工位之間的繼承性，可以實(shí)現(xiàn)工件在加工過(guò)程中的測(cè)量仿真，打破了目前測(cè)量過(guò)程仿真只能在工件終檢進(jìn)行的局限，仿真過(guò)程搭建如圖7所示。

圖7 檢測(cè)過(guò)程仿真搭建

檢測(cè)過(guò)程仿真是實(shí)際三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)過(guò)程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)體現(xiàn)，完成測(cè)量程序編程后，需要保證程序路徑合理、可靠，即在測(cè)頭的移動(dòng)中不與工件或夾具發(fā)生碰撞、測(cè)量機(jī)運(yùn)行過(guò)程不超程。面向制造過(guò)程的自動(dòng)化檢測(cè)過(guò)程精確仿真具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。機(jī)加工位：

步驟1：設(shè)置加工仿真機(jī)床及控制文件；

步驟2：定義工件毛坯及夾具，調(diào)整裝夾狀態(tài)至合適位置；

步驟3：加載NC加工刀軌文件；

步驟4：配置加工刀庫(kù)；

步驟5：進(jìn)行切削仿真；檢測(cè)工位：

步驟6：設(shè)置測(cè)量仿真機(jī)床及控制文件；

步驟7：定義夾具，調(diào)整裝夾狀態(tài)至合適位置；

步驟8：加載測(cè)量過(guò)程程序文件；

步驟9：配置測(cè)頭庫(kù)；

步驟10：進(jìn)行測(cè)量過(guò)程仿真；

VT廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床加工仿真，并能得到精確的零件加工最終狀態(tài)模型。以VT平臺(tái)對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行精確仿真，其優(yōu)勢(shì)在于，在加工仿真之后，可直接對(duì)本加工工序工件過(guò)程狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量仿真，解決了目前測(cè)量過(guò)程仿真獲取工序過(guò)程狀態(tài)難從而無(wú)法較真實(shí)的模擬測(cè)量環(huán)境的問(wèn)題。

3 應(yīng)用驗(yàn)證與分析

采用本文提出的測(cè)量過(guò)程仿真方法，在某航空結(jié)構(gòu)件上進(jìn)行了驗(yàn)證，被測(cè)工件如圖8所示。利用工件模型與測(cè)量點(diǎn)位數(shù)據(jù)，由PC-DMIS規(guī)劃測(cè)量軌跡，直接生成測(cè)量程序?qū)ぜ庑翁卣鬟M(jìn)行檢測(cè)。表2所示列出的是某航空結(jié)構(gòu)件檢測(cè)軌跡上的部分測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)及其法矢，利用PC-DMIS軟件規(guī)劃生成的部分測(cè)量程序如表3所示。

表2 某測(cè)量部位測(cè)量點(diǎn)信息

表3 部分DMIS測(cè)量程序

圖8 被測(cè)工件

基于VT進(jìn)行NC加工過(guò)程仿真與測(cè)量過(guò)程仿真，加工共設(shè)4個(gè)仿真工位，JG-1和JG-2為粗加工工位，JG-3為精銑第一面工位，JG-4為精銑第二面工位，在第二面精銑JG-4工位后設(shè)置第一面檢測(cè)仿真工位JC-1。數(shù)控加工仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 VERICUT加工過(guò)程仿真與仿真結(jié)果

通過(guò)工件毛坯的繼承關(guān)系，對(duì)工件制造中間狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量過(guò)程仿真，測(cè)量過(guò)程仿真軌跡如圖10所示，測(cè)量仿真結(jié)果顯示測(cè)頭與余料有多處干涉，其中A處碰撞原因?yàn)闇y(cè)量點(diǎn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，測(cè)量點(diǎn)位置與凸臺(tái)位置干涉；B處碰撞原因?yàn)榛赝司嚯x太大，測(cè)量過(guò)程參數(shù)設(shè)置不合理。

通過(guò)VERICUT測(cè)量過(guò)程仿真結(jié)果，對(duì)測(cè)量點(diǎn)位設(shè)計(jì)及測(cè)量過(guò)程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，避免了直接操作實(shí)體可能造成的事故和不必要的損失，優(yōu)化后的測(cè)量過(guò)程仿真軌跡如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后測(cè)量過(guò)程仿真結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種面向制造過(guò)程的自動(dòng)化檢測(cè)過(guò)程精確仿真方法，全面考慮了真實(shí)測(cè)量環(huán)境，包括工件加工剩余狀態(tài)、裝夾及測(cè)量機(jī)配置，給出了仿真實(shí)現(xiàn)方法，并將其應(yīng)用于產(chǎn)品的檢測(cè)過(guò)程中。產(chǎn)品應(yīng)用結(jié)果表明，本文提出的仿真方法能夠利用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的虛擬原型在計(jì)算機(jī)上對(duì)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行模擬，讓測(cè)量的過(guò)程直觀化，考察在檢測(cè)方案設(shè)計(jì)及檢測(cè)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，以便對(duì)存在的問(wèn)題及早地加以修改，對(duì)提高坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)效率、降低檢測(cè)成本、減少工件和測(cè)量機(jī)的損失等具有重要意義。