劉 靜 武 瓊 馬 飛

（成都飛機工業(yè)(集團)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，同時更需要高精度的檢測設(shè)備來保障，因此，坐標(biāo)測量機（CMM）也逐漸成為機械制造業(yè)特別是自動化生產(chǎn)中實現(xiàn)質(zhì)量控制的主導(dǎo)檢測設(shè)備。但傳統(tǒng)的CMM自學(xué)習(xí)測量模式和人工編程測量模式已經(jīng)制約了CMM測量功能的發(fā)揮，研究能夠適應(yīng)現(xiàn)代化工廠的CMM自動化檢測技術(shù)成為必然趨勢[1?2]，而測量過程精確仿真技術(shù)更是實現(xiàn)自動化檢測技術(shù)的核心內(nèi)容。

目前，國內(nèi)外在三坐標(biāo)測量機自動化檢測技術(shù)的研究仍處在發(fā)展階段，國內(nèi)外將大量精力投入于測量機的測量規(guī)劃系統(tǒng)的開發(fā)[3?5]，現(xiàn)有的測量規(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)模上按測量需求規(guī)劃出測量路徑，并按照規(guī)劃好的測量路徑模擬測頭運動，但對測量仿真研究較少。高國軍等[6]通過被測工件CAD模型生成測量軌跡APT文件，利用數(shù)控加工過程的NC驗證環(huán)境對測量軌跡APT文件進(jìn)行驗證，有效地對測量過程進(jìn)行了仿真。潘金川等[7]利用虛擬裝配仿真技術(shù)快速地實現(xiàn)對軌跡規(guī)劃結(jié)果仿真。上述方法，側(cè)重于檢測軌跡規(guī)劃和碰撞檢查的基礎(chǔ)算法研究，且被測工件模型也只基于理論模型，只適用對工件的終檢，無法滿足制造企業(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的需求。另一方面，對制造過程中的工件進(jìn)行檢測往往需要考慮裝夾等因素，目前檢測仿真技術(shù)無法滿足對制造過程中的工件自動化檢測時真實裝夾狀態(tài)模擬的需求。

因此，為發(fā)現(xiàn)自動化測量離線編程中的問題，預(yù)先避免直接操作實體可能造成事故和不必要的損失，本文提出了面向制造過程的檢測過程精確仿真方法。首先，利用PC-DMIS軟件對工件CAD模型進(jìn)行測量程序離線編程，對工件進(jìn)行測量軌跡規(guī)劃，生成待仿真DMIS程序；其次，通過建立測量機運動學(xué)模型庫及測頭庫、配置控制系統(tǒng)、構(gòu)建DMIS語言與G代碼映射關(guān)系，建立起測量機仿真環(huán)境；最后，基于VERICUT在加工過程仿真工位后建立測量過程仿真，通過工位間毛坯的繼承關(guān)系，實現(xiàn)面向制造過程的自動化檢測過程精確仿真。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的測量過程離線編程

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

在基于被測工件CAD模型的CMM檢測中，檢測路徑的生成是在測量點位確定以后，導(dǎo)入測量點數(shù)據(jù)，根據(jù)檢測點的位置、被測表面在被測點處的法矢、檢測次序生成檢測路徑。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 脫機編程流程

2 面向制造流程的檢測過程精確仿真

針對目前對數(shù)控加工過程NC仿真的研究比較成熟，但專門針對CMM檢測過程仿真的軟件系統(tǒng)不多且不成熟的現(xiàn)狀，利用數(shù)控加工過程與CMM檢測過程在運動上的相似性，構(gòu)建基于VERICUT軟件的坐標(biāo)測量機仿真環(huán)境，建立加工仿真工位和測量仿真工位對坐標(biāo)測量機檢測路徑進(jìn)行精確仿真。

2.1 三坐標(biāo)測量機仿真環(huán)境構(gòu)建

VERICUT仿真軟件（簡稱：VT）能夠自定義與實際機床相匹配的仿真機床結(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)，能夠模擬機床真實的運動過程?；赩T軟件的坐標(biāo)測量機仿真環(huán)境構(gòu)建主要包括測量機運動學(xué)模型的配置、測量機控制系統(tǒng)配置及測頭庫的配置3部分內(nèi)容。

首先，搭建坐標(biāo)測量機模型。將測量機三維裝配模型的固定部件與各主要運動部件拆分并導(dǎo)出為.STL文件，固定部件包括：床身；運動部件包括：X驅(qū)動軸、Y驅(qū)動軸和Z驅(qū)動軸；在VT機床樹中依次導(dǎo)入床身、Y軸、X軸和Z軸，并建立各部件間的關(guān)聯(lián)，從而建立起測量機運動學(xué)仿真機床模型，如圖3所示。

圖3 測量機運動學(xué)仿真機床模型建立

坐標(biāo)測量機是通過測頭系統(tǒng)接觸工件來拾取信號，測頭系統(tǒng)主要包括：測座、測針。其中測座根據(jù)被測工件類型選擇適當(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軸樹中依次導(dǎo)入運動部件A旋轉(zhuǎn)、C旋轉(zhuǎn)，從而在機床中配置了測座系統(tǒng)。

其次，在測量過程仿真中測頭的運動相當(dāng)于數(shù)控加工NC仿真中的刀具運動，因此，利用VT刀具管理器對測頭庫進(jìn)行配置，根據(jù)實際情況建立不同測針型號的仿真模型，以便仿真中進(jìn)行測針調(diào)用。

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

圖4 DMIS一般程序結(jié)構(gòu)

將對運動軌跡沒有直接影響的面向幾何結(jié)構(gòu)的定義語句隔離。對于直接影響運行軌跡的面向過程的命令語句，通過自定義子程序建立DMIS語言與G代碼的映射關(guān)系，完成參數(shù)傳遞、運動過程重構(gòu)和檢測過程重構(gòu)。

測量軌跡運動參數(shù)包括：安全平面、定位速度、觸測速度、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語句參數(shù)前的字通過VT字替換功能替換為對應(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)測量軌跡使用，如表1所示。

表1 運動參數(shù)傳遞表

測量運動過程主要包括：定點運動、點測量和孔測量，這3種基礎(chǔ)運動組合能夠完成復(fù)雜的檢測項目，如圖5所示。

圖5 基礎(chǔ)檢測運動機理

定點運動即：測頭從某中間定位點（X1，Y1，Z1）到達(dá)另一中間定位點（X2，Y2，Z2）的過程。點測量過程即：測頭以“定位速度V1”移向特征，當(dāng)距離工件為“逼近距離Dis2”時更改為“觸測速度V2”觸測工件，觸測完畢后，以“觸測速度V2”回退一個“回退距離Dis3”，以“定位速度V1”移向下一個特征；孔測量過程即：測頭按角矢量對特征實施多次點測量的過程。深入分析運動規(guī)律，結(jié)合檢測點位和運動參數(shù)變量，利用G代碼指令重構(gòu)運動過程，如圖6為點測量G代碼映射程序。

圖6 點測量G代碼映射程序

在配置測量機控制系統(tǒng)時，將映射關(guān)系子程序納入待調(diào)用子程序列表。當(dāng)程序仿真運行時，自動調(diào)用DMIS語言對應(yīng)G代碼解釋子程序，解決了VERICUT仿真時無法識別DMIS語言的問題。

2.2 基于VERICUT的檢測過程精確仿真

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

圖7 檢測過程仿真搭建

檢測過程仿真是實際三坐標(biāo)測量機運動檢測過程在計算機上的本質(zhì)體現(xiàn)，完成測量程序編程后，需要保證程序路徑合理、可靠，即在測頭的移動中不與工件或夾具發(fā)生碰撞、測量機運行過程不超程。面向制造過程的自動化檢測過程精確仿真具體實現(xiàn)步驟如下。機加工位：

步驟1：設(shè)置加工仿真機床及控制文件；

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；

步驟5：進(jìn)行切削仿真；檢測工位：

步驟6：設(shè)置測量仿真機床及控制文件；

步驟7：定義夾具，調(diào)整裝夾狀態(tài)至合適位置；

步驟8：加載測量過程程序文件；

步驟9：配置測頭庫；

步驟10：進(jìn)行測量過程仿真；

VT廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床加工仿真，并能得到精確的零件加工最終狀態(tài)模型。以VT平臺對測量過程進(jìn)行精確仿真，其優(yōu)勢在于，在加工仿真之后，可直接對本加工工序工件過程狀態(tài)進(jìn)行測量仿真，解決了目前測量過程仿真獲取工序過程狀態(tài)難從而無法較真實的模擬測量環(huán)境的問題。

3 應(yīng)用驗證與分析

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

表2 某測量部位測量點信息

表3 部分DMIS測量程序

圖8 被測工件

基于VT進(jìn)行NC加工過程仿真與測量過程仿真，加工共設(shè)4個仿真工位，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加工過程仿真與仿真結(jié)果

通過工件毛坯的繼承關(guān)系，對工件制造中間狀態(tài)進(jìn)行測量過程仿真，測量過程仿真軌跡如圖10所示，測量仿真結(jié)果顯示測頭與余料有多處干涉，其中A處碰撞原因為測量點設(shè)計問題，測量點位置與凸臺位置干涉；B處碰撞原因為回退距離太大，測量過程參數(shù)設(shè)置不合理。

通過VERICUT測量過程仿真結(jié)果，對測量點位設(shè)計及測量過程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，避免了直接操作實體可能造成的事故和不必要的損失，優(yōu)化后的測量過程仿真軌跡如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后測量過程仿真結(jié)果

4 結(jié)語

本文提出了一種面向制造過程的自動化檢測過程精確仿真方法，全面考慮了真實測量環(huán)境，包括工件加工剩余狀態(tài)、裝夾及測量機配置，給出了仿真實現(xiàn)方法，并將其應(yīng)用于產(chǎn)品的檢測過程中。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)測量機的虛擬原型在計算機上對檢測過程進(jìn)行模擬，讓測量的過程直觀化，考察在檢測方案設(shè)計及檢測過程中可能出現(xiàn)的問題，以便對存在的問題及早地加以修改，對提高坐標(biāo)測量機檢測效率、降低檢測成本、減少工件和測量機的損失等具有重要意義。