1、河北工业大学硕士学位论文分类号： TH701 密级：U D C： 编号： 学 位 论 文加工中心在线检测路径规划模型及仿真研究指导教师姓名： 教 授 河北工业大学申请学位级别：硕 士 学科、专业名称： 测试计量技术及仪器论文提交日期： 年 月 论文答辩日期: 年 3 月学位授予单位： 河北工业大学答辩委员会主席：评 阅 人：年 月i加工中心在线检测路径规划模型及仿真研究Thesis Submitted toHebei University of TechnologyforThe Master Degree ofMeasuring and Testing Technologies and Ins
2、trumentsRESEARCH ON ERROR COMPENSATION FOR NC MACHINE TOOLSii河北工业大学硕士学位论文摘 要随着信息技术、计算机技术、现代电子技术等高新技术不断发展，特别是计算机技术的普及和应用，加工中心在线检测技术随之发展起来。加工中心在线检测技术是提高加工中心加工精度和自动化程度的关键技术之一，是计算机集成制造系统（CISM）中计算机辅助质量监控（CAQC）的关键技术。本论文研究了加工中心在线检测中的关键技术路径规划和仿真技术。加工中心在线检测路径规划是决定在线检测效率和精度的关键所在，仿真是验证检测路径的有效途径。在深入研究零件检测特征的基础上
3、，提出了基于特征的检测路径规划方法和检测路径规划模型，并对检测路径进行了检测过程仿真。利用面向对象的在线检测编程技术，以VC+6.0 和 Access 平台开发了一套编程合理、方便、功能强大的加工中心在线检测及仿真系统，可以满足不同零件的多检测要求。本论文的研究内容如下：1 国内外加工中心在线检测技术的研究现状分析及成果研究。2 针对加工中心在线检测技术，提出了零件的检测特征，并对检测特征进行分类和表达。3 根据检测特征的分类，提出了基于特征的检测路径规划方法及检测路径规划模型。4 深入研究了加工中心在线检测路径规划的基础上，建立了加工中心在线检测的检测数据库。5 对加工中心在线检测及仿真系统
4、进行总体设计，开发了集参数式赋值编程、图形编程的自动编程及仿真系统，实现了针对不同的加工中心、不同的测头类型和不同的零件的自动编程和检测过程仿真。关键词：加工中心，在线检测，检测特征，路径规划，仿真iii加工中心在线检测路径规划模型及仿真研究RESEARCH ON THE PATH PLANNING MODEL AND THE SIMULATION TECHNOLOGY OF MACHININGCENTER ON-LINE INSPECTIONABSTRACTWith the development of new and high technologies, such as informati
5、on technology, computer technology, modern electronic technology, etc., especially the popularization and application of the computer technology, the on-line inspection technique of the machining center is being developed thereupon. The on-line inspection technique of the machining center is one of
6、the key technologies of improving the machining accuracy and the automatic degree of the machining center, and it is the key technology of the computer aided quality control (CAQC) in the CIMS.The path planning and the simulation technologies of machining center on-line inspection are studied in the
7、 thesis. The path planning of machining center on-line inspection is the crucial point that determines to inspect efficiency and precision, the simulation can verify the inspecting path. On the basic of studying on inspecting features of parts thoroughly, the inspecting path planning method and the
8、model based on the inspecting features are brought forward and the simulation of inspecting process is carried on in the thesis. Utilize object oriented on-line inspection programming technology, with VC +6.0 and Access platform, a set of programming rational, convenient, powerful on-line inspection
9、 and simulation system for machining center has been developed, which can meet various inspecting demands for different parts.The research contents of this thesis are as follows：1. The current situation analysis and achievements of the domestic and international machining center on-line inspection t
10、echnique are studied.2. Aimed at the machining center on-line inspection technique, the inspecting features of parts are proposed, classified and expressed.3. According to the classification of the inspecting features, the inspecting path planning method and model based on the inspecting features ar
11、e brought forward.4. On the basic of further investigation path planning of the machining center on-line inspection, the inspection database of machining center on-line inspection is set up.5. The system of the machining center on-line inspection and simulation is designedoverallly. The automatic pr
12、ogramming and simulation system integrating with parameter typeiv河北工业大学硕士学位论文assignment programming and figure programming is developed, the system has realized to automatic programming for different machining centers, different probes and different parts and simulation of inspecting process.KEY WOR
13、DS: machining center, on-line inspection, inspecting feature, path planning, simulationv加工中心在线检测路径规划模型及仿真研究目录第一章 绪论 1 1-1 引言 1 1-2 加工中心在线检测技术概述 1 1-2-1 加工中心在线检测技术的产生和发展 1 1-2-2 加工中心在线检测系统组成、工作原理及特点 3 1-3 课题的提出和意义 4 1-4 本学位论文的主要工作 5 第二章 检测特征6 2-1 引言 6 2-2 检测特征的定义 6 2-2-1 特征技术概述 6 2-2-2 特征定义 7 2-2-3 面
14、向检测特征的定义 8 2-3 检测特征的分类 8 2-3-1 特征分类概述 8 2-3-2 检测特征分类 9 2-3-3 检测特征间的关系 11 2-4 检测特征的表达 12 2-4-1 MBS 理论的系统基本描述方法研究 12 2-4-2 基于 MBS 的 MFS 的检测特征的表达 13 2-4-3 检测特征表达实例 15 第三章 基于特征的检测路径规划 18 3-1 引言 18 3-2 检测路径规划中的关键技术 18 3-2-1 测头检测参数的确定 18 3-2-2 测量点数的确定及其分布 21 3-2-3 碰撞检查及避障点的选择 22 3-3 坐标系和路径规划及规划模型 22 3-3-1
15、 坐标系的建立 22 3-3-2 基于检测特征的路径规划 22 3-3-3 基于特征的基本检测特征的路径规划 23 3-3-4 检测特征间的过渡路径分析 26vi河北工业大学硕士学位论文3-3-5 基于特征的复杂检测特征检测路径分析 273-3-6 基于特征的复杂检测特征检测路径规划模型 303-3-7 面向对象的检测路径自动规划 30 第四章 检测数据库 32 4-1 引言 32 4-2 检测数据库的组织结构 32 4-3 检测数据库的数据结构 33 4-4 检测数据库管理 36 第五章 自动编程技术研究 37 5-1 引言 37 5-2 在线检测程序编制基础 37 5-2-1 检测宏程序
16、37 5-2-2 检测宏程序编制的方法和原则 38 5-2-3 建立和完善检测数据库 38 5-3 加工中心在线检测自动编程技术 39 5-3-1 面向过程的加工中心在线检测自动编程系统 39 5-3-2 面向对象的加工中心在线检测自动编程系统 40第六章 加工中心在线检测及仿真系统开发 416-1 引言 41 6-2 软件系统特点 41 6-3 在线检测及仿真系统开发 42 6-3-1 软件开发平台的选择 42 6-3-2 软件的总体结构 42 6-3-3 系统功能设计及实现 43 6-4 实例验证 53第七章 结论 56 参考文献 57致谢 60 攻读学位期间所取得的相关科研成果 61vi
17、i河北工业大学硕士学位论文第一章 绪 论1-1 引言随着经济发展和市场的全球化趋势，用户对产品的质量、更新换代的速度以及产品从设计、制造到投放市场的周期都提出了越来越高的要求。要满足这一需求，不仅要采用先进的设计与制造技术以进一步提高产品质量，而且也需要采用先进的检测技术提高产品检测水平，实现检测过程的高精度、自动化、柔性化、智能化和 100%在线检测等目标 1,2。传统的使用坐标测量机在计量室进行质量抽检已不能适应现代生产的需要。随着数控系统的发展，使数控机床具有了用户宏程序和存储等功能，为实现其在线自动检测提供了条件；测头性能的不断完善，为在线检测技术应用开辟了良好的前景。近年来，在线检测
18、技术发展很快，并且成为衡量数控机床技术水平的重要特征之一 3。1-2 加工中心在线检测技术概述1-2-1 加工中心在线检测技术的产生和发展加工中心作为高技术产物和 CIMS 的基础设备，应用范围越来越广。为充分发挥加工中心的作用，必须减少设备的停机时间，提高设备利用率。每当一批零件要加工时，需要大量的检测工作，包括加工前检测（找正、确定工件坐标系和获取工件基本几何特征信息等）、工序间检测（及时调整加工基准）和加工完后工件关键尺寸的检测等。传统的检测手段主要包括手工检测和离线检测。手工检测是使用千分表、卡尺等常规量具进行测量，检测效率低，检测精度差，精度容易受人为影响，并且导致了加工中心机时的浪
19、费，耗时长，占用人员较多，影响了机床的利用率和产品的加工质量。离线检测是在加工工序之间或加工完成之后，将工件从加工中心上取下，利用其它检测设备（如最典型的是三坐标测量机）进行检测，加工和检测不在同一设备上进行，且两者不同步。三坐标测量机测量精度高，测量速度快，测量功能完善，测量范围较大；但三坐标测量机价格昂贵，测量成本高。通常情况下，测量精度要求高的复杂工件，选用三坐标测量机进行测量。而且离线测量需要二次定位，会产生二次定位误差。由此可见，传统的检测手段检测效率低，不仅影响了加工效率及机床的自动化程度，还导致了设备利用率和产品加工质量降低，检测设备耗资太大，这就大大影响了加工中心强大功能的正常
20、发挥。70 年代后期数控机床上才开始使用测头系统，以 RENISHAW 为代表的自动测量系统包括多种类1加工中心在线检测路径规划模型及仿真研究型，触发式测头系统、非接触式与扫描式测头系统等等。1977 年在汉诺威欧洲机床展览会上，展出了由英国 RENISHAW 公司研制的世界上第一套“循环中测量系统”RENISHAW 系统。此后，这项技术得到了迅速推广。1981 年在汉诺威展览会上，有 32 种机床采用了 RENISHAW 系统。国内，北京机床所、航天部 303 所等单位也相继研制出机床在机测头，其测量控制和数据处理都在数控宏程序中完成，可以实现简单的点、线、面等基本形体几何参数的测量。由于触
21、发式测头造价低、可靠性好在数控机床在线检测中应用普遍 4 。在加工中心上配备一触发式测头和相应的检测宏程序就构成了加工中心在线检测系统，这就在不改变加工中心原有软硬件系统的基础上，将工业三坐标测量机的主要功能移植到了加工中心上，实现了在线检测和反馈控制。加工中心在线检测技术将加工和检测集成在一起，实现了加工过程中的自动检测。加工与检测在同一台设备上完成，避免了多次装夹、重复定位精度差及辅助时间长等问题 5。近年来国内外学者在数控机床在线检测技术领域开展了多方面的探索和研究工作，美国 Ng，Hung等人研究了坐标测量机中的自动编程技术，它属于离线检测，工件的多次装卡降低了生产率，增加了重复定位误
22、差和辅助时间 6。Mou,J.等人基于 CAD/CAM/CAI 集成技术对雕刻面在机检测过程进行路径规划 7。Hollingum, Jack 等人报道了触发式测头及其它计量产品的制造厂商雷尼绍公司开发的雷尼绍自动铣削/车削检测中心，可以实现加工生产线没有任何加工后检测的情况下连续将车削或铣削加工误差降低到 6 m8。Handschuh, Robert F 等人用坐标测量机完成了螺旋伞齿轮加工的自动测量 9。Merat 等人对质量控制检测进行自动规划 10。英国雷尼绍公司主要针对雷尼绍测头的特点及其在数控机床上的应用进行了研究 11。英国 Anon 研究了雷尼绍触发测头可以完成的基本功能和为企业
23、和社会创造的经济效益 12。德国 Iriguchi 发明了一种自动编程的设备与方法，它主要用于数控机床，能够很容易的建立加工程序 13。韩国 Pahk,H.J.开发了模具制造中的集成精度检测系统，它在 CAD 环境中选定检测特征，进行孔、槽、圆柱等一些基础特征的检测 14。南韩 Kim, Kyung-Don 等人用触发式测头和测量 G 代码实现两轴半机床的尺寸测量，直接在机床上生成检测程序，导致编程灵活性下降，造成内存负担过重 15。南京晨光集团有限责任公司李航、李永铜等人主要研究了在线检测系统的组成、特点、工作原理及测头系统自带检测宏程序库在实际生产中的应用范围，给出了测头的具体使用方法和校
24、准的基本应用程序 16。哈尔滨工业大学马云辉，陶崇德等人主要利用数控机床和加工中心上的位置检测系统实现工件测量、还对无线测头的研制以及控制系统的组成、测量范围及方法进行研究，可进行线性尺寸、孔、柱的测量 17。天津大学刘又午教授、章青教授等深入研究了多坐标数控机床的误差分析和补偿方法 18。河北科技大学刘利剑等人研究了加工中心在线测量的意义、基本方法，着重于测头的选取、系统的连接以及数据的处理，用 VB6.0 编制了测量软件，可完成长度、角度、位置度、形状度的自动测量 19。河北工业大学教授主要研究了三轴加工中心在线检测系统的构成，提出了系统的总体构成方案，研究和探讨了数控加工中心在线检测误差建模方法，提出了单轴测量、综合辨识的新方法，并利用多体系统误差分析方法，建立了机床单轴测量几何误差综合辨识模型，提出了九线误差测量和综合辨识方法 4。河北工业大学硕士孙志海研究了基于 CAD 的加工中心在线检测系统，在 ObjectARX 的开发环境 Visual C+ 6.0 下，结合 MFC 类库，对 MDT 二次开发，提取图形数据，制定检测路径规划，自动生成检测程序。该系统可用于工件的装夹找正，对工件进行自动在线测量等 20。2
