姜闊豐，陳岳坪

（廣西科技大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

1 引言

自由曲面的加工精度是以其曲面工件的曲面輪廓度來(lái)評(píng)定的，檢測(cè)是質(zhì)量最有力的保障。自由曲面的檢測(cè)一般涉及采樣樣本、采樣點(diǎn)分布、路徑規(guī)劃和檢測(cè)仿真等方面的問(wèn)題，由檢測(cè)結(jié)果對(duì)加工的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定。

在三坐標(biāo)接觸式測(cè)量中，均勻分布的曲面測(cè)點(diǎn)信息可以通過(guò)UG軟件來(lái)生成，但通過(guò)UG軟件生成的曲面工件的曲面測(cè)點(diǎn)的默認(rèn)的檢測(cè)路徑是每一行的曲面測(cè)點(diǎn)都是從頭到尾的順序。當(dāng)進(jìn)行曲面工件的檢測(cè)時(shí)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)讀取曲面工件的曲面測(cè)點(diǎn)信息，測(cè)頭在兩行間曲面測(cè)量點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)路徑是：第一行曲面測(cè)點(diǎn)的最后一個(gè)的尾曲面測(cè)點(diǎn)移動(dòng)到下一行曲面測(cè)點(diǎn)的第一個(gè)的首曲面測(cè)點(diǎn)，其兩行間的測(cè)頭運(yùn)動(dòng)基本跨越了被測(cè)曲面的兩端的距離，但曲面工件是有曲率的，曲面工件表面可以說(shuō)是起伏不定的，若曲面測(cè)點(diǎn)的測(cè)頭回退距離設(shè)置過(guò)短，測(cè)頭在基本跨越了工件兩端距離的兩行曲面測(cè)點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)就有極大的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)碰撞到曲面工件。但若曲面測(cè)點(diǎn)的回退距離設(shè)置較長(zhǎng)，由于所有曲面測(cè)點(diǎn)都需設(shè)置相同的回退距離，那么測(cè)量時(shí)間會(huì)變得更長(zhǎng)，尤其是當(dāng)曲面測(cè)量點(diǎn)數(shù)非常多時(shí)，將嚴(yán)重影響曲面測(cè)量效率。

在曲面檢測(cè)方面的研究中，文獻(xiàn)[2]借用了Mastercam軟件，規(guī)劃仿真在機(jī)檢測(cè)路徑來(lái)提高檢測(cè)速度，降低成本；文獻(xiàn)[3]指出曲面檢測(cè)中，提高工件裝夾方法提高曲面檢測(cè)精度與穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[4]針對(duì)復(fù)雜曲面的全局干涉問(wèn)題，提出了一種基于參數(shù)曲面網(wǎng)格劃分與刀具包圍盒的全局干涉檢測(cè)算法來(lái)避免干涉，提高了檢測(cè)效率；文獻(xiàn)[5]通過(guò)視覺(jué)補(bǔ)償，修正CMM坐標(biāo)系偏移量，達(dá)到提高CMM檢測(cè)安全性的目的。

本文通過(guò)MATLAB對(duì)曲面測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的快速處理，優(yōu)化等參數(shù)自由曲面測(cè)點(diǎn)的順序，從而達(dá)到提高測(cè)量安全性與檢測(cè)效率的雙重目的。

2 研究與方法

2.1 曲面測(cè)量的路徑規(guī)劃

若用UG等3D軟件設(shè)計(jì)好自由曲面的型面，根據(jù)3D數(shù)模加工出自由曲面工件，檢測(cè)判斷加工出來(lái)的曲面工件的型面和3D數(shù)模的型面是否一致時(shí)，需要用到各曲面測(cè)點(diǎn)的T值（點(diǎn)沿法矢方向偏差）來(lái)判斷。測(cè)量點(diǎn)沿法矢方向到理論曲面的最大距離的2倍即為曲面輪廓度誤差。

曲面工件在檢測(cè)時(shí)，若檢測(cè)路徑不合理，不僅影響檢測(cè)效率，甚至?xí)l(fā)生測(cè)頭與曲面工件碰撞，無(wú)法完成檢測(cè)工作。自由曲面工件在檢測(cè)過(guò)程中，測(cè)頭運(yùn)動(dòng)沿曲面測(cè)點(diǎn)的法向逼近、回退，其中測(cè)頭包括觸測(cè)速度、回退速度，快速移動(dòng)速度等變化過(guò)程，測(cè)頭從上一個(gè)曲面測(cè)點(diǎn)到下一個(gè)曲面測(cè)點(diǎn)的移動(dòng)路線如圖1所示，圖中顯示了曲面工件上曲面測(cè)點(diǎn)彼此間的路徑規(guī)劃過(guò)程，其他曲面測(cè)點(diǎn)以此類推。其中，2段的逼近，3段的回退，4段的移動(dòng)，都可以設(shè)定其參數(shù)。

圖1 測(cè)頭在曲面上運(yùn)動(dòng)的路徑示意圖

曲面測(cè)點(diǎn)測(cè)量的總路徑為

2.2 S型首尾相連路徑的自由曲面點(diǎn)數(shù)模的生成

通過(guò)UG、MATLAB軟件與Excel和記事本等來(lái)生成所需要的S型首尾相連路徑的曲面測(cè)量點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)模。曲面點(diǎn)數(shù)模的生成的詳細(xì)過(guò)程如下。

步驟1：UG軟件里，在曲面工件上通過(guò)“點(diǎn)集”功能生成曲面基本點(diǎn)，并導(dǎo)出原始默認(rèn)順序的常規(guī)型路徑的曲面測(cè)點(diǎn)的 IGES 數(shù)模。

步驟2：IGES文件通過(guò)文本方式打開，復(fù)制導(dǎo)出含原始曲面測(cè)點(diǎn)信息的 TXT 文件。

步驟3：在Excel中，導(dǎo)入數(shù)據(jù)，將無(wú)用信息刪除，只保存曲面測(cè)點(diǎn)的，，三列信息。

步驟4：通過(guò)MATLAB程序處理.xls文件，得到S型路徑曲面測(cè)點(diǎn)信息的TXT文件。

步驟5：UG中打開數(shù)模并導(dǎo)入“文件中的點(diǎn)”，選擇TXT格式，生成S型路徑的曲面測(cè)點(diǎn)信息，并導(dǎo)出S型路徑曲面測(cè)點(diǎn)的曲面點(diǎn)iges數(shù)模。

為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，特設(shè)計(jì)了如圖2所示的自由曲面工件，工件底座長(zhǎng)寬為100 mm×100 mm，曲面部分的長(zhǎng)寬為 80 mm×80 mm，生成的256曲面測(cè)點(diǎn)的曲面點(diǎn)數(shù)模如圖3所示。

圖2 原始自由曲面數(shù)模

圖3 256 曲面測(cè)點(diǎn)的曲面點(diǎn)數(shù)模

其中，用于優(yōu)化檢測(cè)路徑，更改曲面測(cè)點(diǎn)信息所使用的MATLAB的關(guān)鍵程序代碼如下：

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

根據(jù)式(3)，借助MATLAB和Excel等軟件對(duì)自由曲面進(jìn)行檢測(cè)路徑的仿真，其中常規(guī)型路徑曲面測(cè)點(diǎn)的回退距離設(shè)置為10 mm，S型路徑曲面測(cè)點(diǎn)的回退距離設(shè)置為3 mm，計(jì)算得出的路徑長(zhǎng)度及其彼此間的比值關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 路徑長(zhǎng)度計(jì)算表

實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，等參數(shù)曲面檢測(cè)實(shí)驗(yàn)在?？怂箍礚eitz Reference HP三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) (PC-DMIS軟件，MPEE =0.9+/400 μm)下進(jìn)行，選擇測(cè)球直徑為5 mm，默認(rèn)定位和回退距離為2.54 mm，移動(dòng)速度為20 mm/s，觸測(cè)和回退速度為2 mm/s。PC-DMIS軟件部分檢測(cè)參數(shù)設(shè)置的情況如圖4所示。

圖4 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的部分參數(shù)圖

為了保證是在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行多次不同點(diǎn)數(shù)、路徑的曲面測(cè)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)，有效避免因坐標(biāo)系的建立所帶來(lái)的影響，特設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟如下。

步驟1：導(dǎo)入原始曲面數(shù)模，校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)球、建系。

步驟2：導(dǎo)入第一個(gè)曲面點(diǎn)數(shù)模，插入矢量點(diǎn)，生成曲面測(cè)點(diǎn)信息，其中常規(guī)型路徑曲面測(cè)點(diǎn)設(shè)置回退距離為 10 mm，S型路徑曲面測(cè)點(diǎn)設(shè)置回退距離為3 mm。

步驟3：運(yùn)行 PC-DMIS 測(cè)量程序。

步驟4：對(duì)曲面測(cè)點(diǎn)信息進(jìn)行評(píng)價(jià)。

步驟5：保存測(cè)量文件，導(dǎo)出Excel報(bào)告文件。

步驟6：另存為新文件，先刪除測(cè)量點(diǎn)的程序，再選擇刪除CAD信息，選擇“點(diǎn)”刪除，重新導(dǎo)入新的曲面測(cè)點(diǎn)數(shù)模。繼續(xù)測(cè)量。

步驟7：重復(fù)步驟2~步驟6。

以等參數(shù)的256個(gè)曲面測(cè)量點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)為例，原始曲面數(shù)模，加上在UG軟件里生成的256個(gè)曲面測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)模合并為一個(gè)新的工件數(shù)模，如圖5所示。

圖5 合成的256個(gè)曲面測(cè)點(diǎn)檢測(cè)數(shù)模

常規(guī)型路徑的256個(gè)曲面測(cè)量點(diǎn)的仿真路徑如圖6所示，為了有效避免發(fā)生測(cè)頭與曲面工件的碰撞，將曲面測(cè)點(diǎn)的回退距離設(shè)定為10 mm。

圖6 常規(guī)路徑的256個(gè)曲面測(cè)點(diǎn)的測(cè)量路徑

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的S型路徑的256個(gè)曲面測(cè)量點(diǎn)的仿真路徑如圖7所示，因?yàn)閮?yōu)化了曲面測(cè)點(diǎn)的路徑，所以曲面測(cè)點(diǎn)的回退距離可以縮短為3 mm。

圖7 S 型路徑的256個(gè)曲面測(cè)點(diǎn)的測(cè)量路徑

根據(jù)其他曲面測(cè)點(diǎn)的常規(guī)型路徑的數(shù)模與S型路徑的數(shù)模，對(duì)曲面零件也進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)圖如圖8所示。

圖8 自由曲面三坐標(biāo)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

4 結(jié)果與討論

經(jīng)過(guò)多次的自由曲面的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，得到的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 2。

表2 各曲面測(cè)量點(diǎn)在不同路徑下的測(cè)量時(shí)間

以S型路徑的256個(gè)曲面測(cè)點(diǎn)的工件為例，借助MATLAB對(duì)自由曲面上各位置的曲面測(cè)點(diǎn)的矢量方向的偏向誤差值進(jìn)行三維分析，得到如圖9~11的曲面誤差分布圖。

圖9 256個(gè)曲面測(cè)點(diǎn)誤差

圖10 256個(gè)曲面測(cè)點(diǎn)誤差的等高線圖

圖11 256個(gè)曲面測(cè)點(diǎn)誤差的散點(diǎn)圖

通過(guò)S型首尾相連的自由曲面檢測(cè)路徑，可以減小測(cè)量中回退距離的設(shè)置，能有效降低測(cè)量時(shí)間；同時(shí)，自由曲面測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)MATLAB的數(shù)據(jù)分析，能有效發(fā)現(xiàn)自由曲面上曲面測(cè)點(diǎn)矢量誤差較大的區(qū)域所在。通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)分析，S型的曲面路徑長(zhǎng)度能縮短到50%以下，測(cè)量時(shí)間能縮短大約25%。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)MATLAB軟件，快速將自由曲面測(cè)點(diǎn)的默認(rèn)常規(guī)路徑改為S型首尾相連的路徑，能有效減少檢測(cè)時(shí)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭與曲面工件碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，提高曲面檢測(cè)的安全性。通過(guò)降低對(duì)回退距離的要求，提高了測(cè)量效率，自由曲面測(cè)量點(diǎn)數(shù)越多，S型首尾相連的自由曲面測(cè)量路徑就越有價(jià)值。同時(shí)通過(guò)均勻分布等參數(shù)測(cè)點(diǎn)，也可觀測(cè)曲面測(cè)點(diǎn)誤差的分布情況，分析主要誤差所在區(qū)域，通過(guò)MATLAB等軟件快速生成S型首尾相連的曲面檢測(cè)路徑的檢測(cè)方式，對(duì)自由曲面檢測(cè)的研究具有重要意義。