CNC On-machine Measurement Quality Service Provider
復(fù)合式測量數(shù)據(jù)是通過無線傳感器傳遞給控制計算機的。測量數(shù)據(jù)分為激光點云掃描數(shù)據(jù)和探針點云探測數(shù)據(jù)兩種,其中探針點云探測數(shù)據(jù)由接觸式測量方式獲得,該測量方式的特點是測量精度較高,但是測量速度慢,因此點云數(shù)據(jù)稀疏;激光點云掃描數(shù)據(jù)采用非接觸的激光器和攝像機實現(xiàn),具有測量速度快的優(yōu)勢,測量信息較為稠密,但是測量數(shù)據(jù)精度相對較低。兩種測量數(shù)據(jù)分別在不同時段獲得,數(shù)據(jù)由測量系統(tǒng)無線發(fā)送器發(fā)出后,由控制計算機的無線接收端實時接收和自動存儲。在機測量系統(tǒng)依據(jù)測量型面的特征對測量點的數(shù)量、分布及測量進度進行動態(tài)規(guī)劃,并基于OpenGL三維引擎技術(shù)實現(xiàn)加工型面的三維繪制,從而為用戶提供直觀的測量交互界面。為實現(xiàn)數(shù)控機床加工工件在線測量任務(wù),在機檢測系統(tǒng)的基本操作步驟分為如下6個步驟:
(1)用戶通過控制計算機讀取待測工件的CAD標準數(shù)據(jù);
(2)機床檢測狀態(tài)初始化;
(3)控制計算機向機床發(fā)送檢測控制命令,完成整個工件測量任務(wù);
(4)讀取和顯示測量結(jié)果;
(5)數(shù)據(jù)后處理,根據(jù)不同工件特點實現(xiàn)曲面重建和模型驗證;
(6)生成數(shù)控加工修正G代碼。
此外,用戶也可以根據(jù)測量需要,通過交互干預(yù)修改測點位置、數(shù)量以及測量路徑,從而獲得特定的測量方案和結(jié)果??刂朴嬎銠C讀取的CAD標準數(shù)據(jù)主要是待測工件的三維模型信息,也就是工件加工所依據(jù)的設(shè)計尺寸。同時,標準數(shù)據(jù)還包括工件關(guān)鍵截面尺寸和各部分加工精度要求,便于測量方式、測量路徑規(guī)劃方法的選擇和后續(xù)測量結(jié)果的評價。
3.2 在機測量系統(tǒng)功能模塊組成
工件在機檢測系統(tǒng)采用獨立模塊化的開發(fā)方式,更有利于滿足用戶的選擇性需求。被測工件通常具有較多的圓孔、凹槽、凸臺或自由曲面等不規(guī)則特征,其檢測過程結(jié)合多種測量方法和多次重復(fù)分區(qū)域測量是十分必要的。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,控制計算機與數(shù)控加工設(shè)備的銜接是靠串口通訊實現(xiàn)的,并且通過無線收發(fā)器實時讀取檢測數(shù)據(jù)信息。從數(shù)據(jù)接口、坐標系映射、工藝流程指導(dǎo)3個環(huán)節(jié)建立完整的接口,保證檢測環(huán)節(jié)與加工環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)工作。數(shù)控加工在機檢測系統(tǒng)所涉及功能模塊。
系統(tǒng)功能模塊主要分為4個組成部分,其中接觸式測量、非接觸式測量及信息融合3個基本模塊構(gòu)成了工件測量信息獲取及與處理部分;系統(tǒng)標定、機械結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、測量包絡(luò)域分析和誤差補償構(gòu)成測量系統(tǒng)自校正部分;數(shù)控加工控制、路徑規(guī)劃及各接口模塊構(gòu)成測量系統(tǒng)的運動與信息傳輸部分;數(shù)據(jù)處理、表面品質(zhì)評估與加工路徑修正等模塊構(gòu)成測量系統(tǒng)的測量結(jié)果生成與顯示部分。上述測量系統(tǒng)的4個組成部分相互耦合連接,信息共享,成為實現(xiàn)數(shù)控加工在機檢測的基本構(gòu)成部分。
數(shù)控加工在機檢測系統(tǒng)模塊化設(shè)計不僅增加了用戶選擇產(chǎn)品的靈活性,滿足不同精度和要求產(chǎn)品質(zhì)量的評估需求,同時也為在機檢測系統(tǒng)的升級和改進提供了方便。
從軟件實現(xiàn)角度,將測量系統(tǒng)的功能模塊序列化和結(jié)構(gòu)化是十分必要的,它不僅能夠更好地體現(xiàn)測量軟件設(shè)計思路,而且使得各具體功能模塊的實現(xiàn)過程更加清晰。將軟件功能層次化,能夠根據(jù)操作流程理清軟件代碼編寫思路,提高軟件編寫質(zhì)量和速度。將工件在機檢測系統(tǒng)的軟件功能劃分為4個層次,其操作流程。
在機測量系統(tǒng)軟件共分為通訊層、算法層、處理層和接口層4個層次。其中算法層設(shè)計為測量軟件功能實現(xiàn)的重點,包括了曲面重構(gòu)、誤差補償、數(shù)據(jù)融合以及測頭姿態(tài)與檢測路徑規(guī)劃等重要核心算法的實現(xiàn);處理層和接口層為測量信息提供數(shù)據(jù)維護和顯示等操作;而通訊層實現(xiàn)數(shù)據(jù)或控制命令在各系統(tǒng)組成部分之間的傳遞。
為實現(xiàn)加工過程自動化,依據(jù)加工工件檢測評估結(jié)果,控制計算機檢測軟件會根據(jù)不同數(shù)控加工系統(tǒng)的需求,生成相應(yīng)的加工刀具位姿和加工路徑修正G代碼,并作為另一種檢測結(jié)果形式傳遞給機床。這種工件在機檢測與修正加工路徑相結(jié)合的一體化加工系統(tǒng),進一步提高了數(shù)控加工復(fù)雜工件的效率。
3.3 工件在機測量實現(xiàn)過程
測量數(shù)據(jù)融合處理是該測量系統(tǒng)的一個重要特點。工件測量方式的選擇需要綜合考慮很多因素,其中包括測量精度要求、測量時間、測量環(huán)境、待測工件的復(fù)雜程度、待測工件的表面粗糙度和材質(zhì)硬度等。文中提出的復(fù)合式測量方法根據(jù)上述具體情況采用不同的測量規(guī)劃方法。對于測量速度要求較高、而測量精度不高的粗加工件,通常主要由激光非接觸式測量完成。尤其是對于蠟?zāi):筒馁|(zhì)相對較軟的工件,激光非接觸式測量方法具有保護加工件不被測具破壞的優(yōu)點。對于大部分精密合金工件,其局部尺寸特征會影響到整個工件的工作性能,這些關(guān)鍵型面由測頭探針進行接觸式重復(fù)測量,保證加工精度。這樣,激光測量結(jié)果經(jīng)過信息濾波和平滑處理后,其邊緣特征、局部遮擋特征和關(guān)鍵型面特征都可以由探針測量數(shù)據(jù)進行補償和校正。工件在機測量實現(xiàn)過程。
數(shù)控加工工件在機測量系統(tǒng)按測量要求自動生成測量控制指令,并由控制計算機通過串行通訊方式傳遞給機床數(shù)控加工系統(tǒng)。一條測量控制指令的生成過程需要滿足系統(tǒng)規(guī)則,首先測量系統(tǒng)驅(qū)動加工主軸在刀庫中選擇復(fù)合式測頭,并在控制計算機與測頭間建立無線通訊連接;測量系統(tǒng)參數(shù)精確標定和激光自動掃描路徑規(guī)劃G代碼傳遞;機床驅(qū)動主軸,對工件進行非接觸式激光測量;手動進行探針接觸式測量點選取,生成接觸式測量路徑和G代碼傳遞;機床驅(qū)動主軸,對工件進行接觸式探針測量;最終進行工件測量信息完整性確認,對不滿足測量要求的區(qū)域進行測量方式調(diào)整和補測或重測。
4 工件測量三維模型重構(gòu)實驗結(jié)果
為實施文中提出的在機工件測量方案,基于FUNAC 0i數(shù)控系統(tǒng)和VMC0851型號數(shù)控加工中心平臺,加工制作了新型復(fù)合式在機測頭,并完成了典型具有孔、面和階梯塊基本特征工件的在機測量。控制計算機通過無線網(wǎng)絡(luò)接受來自測頭的測量信息,并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)預(yù)處理及工件三維模型重構(gòu),模型重構(gòu)結(jié)果與工件設(shè)計加工CAD標準型面尺寸做誤差比較分析后,生成加工誤差報告。
5 結(jié)論
本文研究了一種用于數(shù)控加工機床的工件在機檢測技術(shù)問題。本文的主要貢獻在于:提出了一種新型的工件表面尺寸在機測量方法,將檢測技術(shù)融于數(shù)控加工的過程之中,采用在機測量的方式,及時發(fā)現(xiàn)工件加工過程型面尺寸缺陷,并反饋給數(shù)控加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)能及時修正加工過程誤差和隨機誤差,以改變機床的運動參數(shù),更好地保證加工質(zhì)量,促進加工與測量一體化發(fā)展。研究不同特征型面的復(fù)合式測量運動路徑規(guī)劃合理性是下一步工作的重點。