1、河北工业大学硕士学位论文基于 CAD 的加工中心在线检测系统研究与开发摘 要目前机械加工过程中，工件的定位与检测大部分还要依靠人工来完成。人工测试不但工作量大，带有一定的人为因素，而且质量数据也不能采集。开发加工中心在线检测系统，既是企业生产实际中亟待解决的难题，也是开发 CIMS/QAS 系统中的关键技术。不解决好自动检测技术，产品质量信息就难以得到集成。本文在该技术原有发展的基础上，结合CAD/CAM 的最新发展，以提高加工中心的加工柔性、加工效率、加工精度为目的，对加工中心在线检测系统进行了深入的研究。本文介绍了基于 CAD 的加工中心在线检测系统的软件的总体分析与设计、功能及关键技术研
2、究。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。本文基于软件工程、结合自动编程技术的最新发展，进行了基于 CAD 的加工中心在线检测系统的需求分析、模块划分、软件总体设计等。并对各项关键技术进行了研究： 特征识别与数据提取技术。以 MDT 为开发平台，利用 ARX，VC+，MFC 类库三者相结合作为开发工具，对 MDT 进行二次开发，获取检测所需数据。 检测路径规划模块。路径规划作为 CAD 与在线检测系统集成的纽带,在加工中心
3、在线检测系统中具有举足轻重的作用。涉及到路径规划的控制参数、层次分类等问题。 自动编程和程序集成技术研究。最后，总结本文的工作并展望了进一步的研究方向。关键词：在线检测，ObjectARX ，二次开发，检测路径规划，数据提取，自动编程i基于 CAD 的加工中心在线检测系统研究与开发THE RESEARCH AND DEVELOPMENT OFMACHINE CENTERS ON-LINE INSPECTINGSYSTEM BASED ON CADABSTRACTDuring the process of machining，the orientation and inspection of w
4、orkpiece depend on manpower mostlyThe manual inspecting has some man-made factor and its work is great, some data of quality also cant be collectedThe exploitation of machine center on-line inspecting is an imperative problem in the production practice and the critical technology to develop the syst
5、em of CIMS/QASIf automatic inspecting technology cant be solved primely， the product quality information cant be integratedThis paper based on the recent development of on-line inspection for machine center and CAD/CAM，machine center on-line inspecting system is studied thoroughly to improve the fle
6、xility，efficiency and precision of machine centerThe on-line inspecting system on machining center based on CAD is introduced in this paper，include software schematic analysis and design，function and critical technologyIn the Visual C+6.0 environment of the ObjectARX and MFC class libraries, graphic
7、al data are obtained by secondary development of MDT, inspecting path planning is laid and the inspecting program is made automaticallyThe inspecting system can be applied for automatic setting up and on-line inspecting of workpiece, and so onBased on software engineering and the recent development
8、of automatic programming technology，The requirement analysis，module partition and software schematic design of machine centers on-line inspecting system based on CAD and the following criticalii河北工业大学硕士学位论文technologies are studied The technology of feature recognition and data abstractionWe take the
9、 MDT as development platform，and take ARX，VC+ and MFC class libraries as development tool, make secondary development on MDT，to abstract data that inspection requires Inspecting path planning moduleThe path planning is the ligament between CAD and on-line inspecting systemIt holds the balance in the
10、 machine centers on-line inspecting system and includes control parameter and hiberarchy of the path planning The technology of automatic programme and program integrationAt last，a simple prospect for the possible applications is givenKEY WORDS: on-line inspecting，ObjectARX ，second development， insp
11、ecting path planning，data abstraction ， automatic programmeiii基于 CAD 的加工中心在线检测系统研究与开发目 录摘要ABSTRACT目录第一章 绪论11-1 加工中心在线检测概述1 1-2 课题的研究背景及研究意义31-2-1 先进制造技术的发展趋势及存在的问题3 1-2-2 柔性制造系统概述4 1-2-3 柔性制造系统与在线检测的关系6 1-3 课题的提出及研究内容6 1-3-1 CAD 技术的发展71-3-2 CAD/CAM 集成技术71-3-3 课题的提出81-3-4 课题的研究内容8第二章 基于 CAD 的加工中心在线检测
12、系统软件总体设计102-1 从软件工程角度进行软件分析102-1-1 软件需求分析102-1-2 面向数据流的分析112-2 基于 CAD 的在线检测系统的总体框架分析与设计112-2-1 开发平台简介122-2-2 软件系统的功能模块122-2-3 坐标系设定模块132-2-4 特征识别与数据提取模块132-2-5 检测工艺规划142-3 菜单工具栏开发142-3-1 菜单定制语法142-3-2 菜单宏命令152-3-3 菜单、工具栏制作15iv河北工业大学硕士学位论文2-4 小结17第三章 特征识别与数据提取技术研究183-1 ObjectARX 简介18 3-2 基于二维图形的在线检测系
13、统特征识别与数据提取203-2-1 数据库对象的属性21 3-2-2 二维检测特征的数据结构及流程图22 3-3 基于三维实体的在线检测系统关键技术研究25 3-3-1 AcBr 类库及应用25 3-3-2 AcGe 类库及应用26 3-3-3 获取面的几何元素数据26 3-4 小结27第四章 检测路径规划284-1 检测路径规划的重要性28 4-2 检测路径规划的控制参数284-2-1 定位点和待测点、安全起测平面28 4-2-2 测量距离、测头移动速度29 4-3 检测路径规划的层次分类30 4-3-1 单个特征体的路径规划31 4-3-2 工件组合特征的路径规划32第五章 自动编程技术研
14、究355-1 自动编程技术的发展35 5-2 基于 MDT 的在线检测自动编程技术355-2-1 宏程序模板库36 5-2-2 检测主程序37 5-3 计算机辅助制造 CAM 的应用研究38 5-3-1 Mastercam 软件简介及应用38 5-3-2 Mastercam 的后置处理39 5-3-3 刀具路径与 NC 程序39 5-4 加工与检测程序的集成40 5-4-1 CAD/CAM 的接口技术与数据转换405-4-2 加工与检测程序集成模块41v基于 CAD 的加工中心在线检测系统研究与开发第六章 实例演示？436-1 基于二维图形的在线检测系统实例演示436-1 基于三维实体的在线检
15、测系统实例演示466-1 小结47第七章 结论48参考文献49致谢52vi河北工业大学硕士学位论文第一章 绪 论1-1 加工中心在线检测系统概述建立 CIMS 系统的一个重要的研究方向就是质量保证系统的集成，而快速、自动的在线检测，以及设计阶段检测工艺计划的生成，则是集成质量系统的重要环节 1。在 CIMS 环境下，开发在线检测系统，加强产品质量控制与信息的反馈具有十分重要的意义。目前国内机械加工过程中，工件的定位与检测工作，大部分还要依靠人工来完成。对工件进行检测时，通常要在不同的工位上检测不同的项目，致使人工测试工作量大，带有一定的人为因素，质量数据又不能采集。所以开发加工中心在线检测系统
16、，既是企业生产实际中亟待解决的难题，也是开发 CIMS/QAS 系统中的关键技术，不解决好自动检测技术，产品质量信息就难以得到集成。在整个制造系统中，根据加工过程和检测过程（本课题的检测是针对装卡在加工中心的工件而言）是否在同一台设备上进行，可以分为离线检测和在线检测。离线检测是在加工工序之间、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（如三坐标测量机）进行检测，为保证测量精度，通常是在三坐标测量机上进行的。60 年代出现的三坐标测量机，经过 30 余年的开发，其性能近趋完善，广泛用于机床仪表工业，汽车工业、航空航天工业等。三坐标测量机是一种精密的三维空间测量仪器，可配备各种性能的
17、测头，从而测量出其工作空间范围的各测量点的坐标位置。三坐标测量机属于离线测量设备，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。一般来讲，测量精度要求高的复杂工件，选用三坐标测量机进行测量。另外离线测量需要二次定位，会产生二次定位误差。在实际生产过程中还存在相当比重的手工测量，所谓的手工测量是指使用千分表、卡尺等常规量具人工校正、测量，其效率低下，精度容易受到人为因素的影响，从而影响机床的利用率及产品的加工质量。在线检测是通过为加工中心配备一触发式测头以及相应的在线检测系统软件，构成加工中心在线检测系统，如图 1.1 所示。该类测量系统在 CNC 数控
18、机床或加工中心上配备坐标轴测量装置（如测头）和计算机软件，构成简易的三坐标测量仪，投资少，见效快，事半功倍。有人把这种测量系统形象的称为“测头” 加“软件” 联机测量系统，它的突出特点是经济，硬件成本很低，一般只有一个标准的测头和几根电缆及必要的接口组成。其中电缆和接口用于数控伺服系统的位置检测单元相连，进行坐标数据的传输，有的甚至通过标准的 RS232 接口，实现数据的传输，该系统的功能主要体现在软件上。利用软件技术完成与 CNC 系统的连接、系统的伺服控制、位置测量控制、数据及检测程序的传输等。1基于 CAD 的加工中心在线检测系统研究与开发在线检测技术将加工和检测集成在一起，实现了加工过
19、程中的自动检测，是一项很有发展潜力的检测技术。在线检测技术的发展为数控加工过程的质量监控提供了一套行之有效的方法。数控机床目前广在线检测主 轴系统软件测头RS232 串口 信号传输CNC 控制器接口 工件工 作 台伺服系统图 1.1 加工中心在线检测系统Fig. 1.1 The online inspecting system of machine center泛应用的是触发式测头，具有价格低、可靠性强、自身精度高等特点。加工与检测在同一台设备上完成，避免了多次装夹、重复定位误差以及辅助时间长等问题。更为重要的是，其检测过程由数控程序来控制，实现了检测的自动化，是一种基于计算机自动控制的在线检
20、测技术。随着加工中心在生产中的广泛应用，在线检测技术将会成为一项很有发展前景的技术。提高产品的制造精度，使其达到精度协调要求，是突破传统协调工艺方法的有效途径，过去曾有人认为只要引进高精度的数控机床，便可解决这一问题，但实践证明这种说法是不全面的，因为影响产品制造精度的原因很多，如机床精度、环境影响误差、加工误差、找正误差、对刀误差、零件变形、检测误差等等。要保证产品的质量，不仅要提高产品加工精度、还必须控制其精度的稳定性，所以必须建立一套强有力的检测系统。在线检测技术可以使零件的加工与检测溶为一体，并把过去需要人为完成的工作由在线检测系统来承担，从而达到减少人工干预，降低人为误差，提高和稳定
21、加工精度的目的。测头是由一套高精度的敏感元件组成，它是由万向电子开关感应测头的触发力，并将感应信号输送给数控机床的控制系统，测头的工作原理如下图所示：触发力测 头 万向电子开关 电感接口 数控机床的控制系统图 1-2 测头工作原理Fig. 1.2 The principle of the probe2河北工业大学硕士学位论文测头系统最初是用在三坐标测量机 CMM 上，直到 20 世纪 80 年代初，触发式测头才被用在机床上。从历史上来说，机床使用者们不愿使用触发式测头在加工中心上进行测量，他们认为“增加了循环的时间”，“机床是用于切削而不是测量的”等，这些想法大部分是基于对测头的使用及优点的非
22、完全认识，甚至可以说是误解。随着测头测量精度的不断提高，配套软件的不断完善，使得使用者认识到在加工中心（包括数控机床）上安装触发式测头，进行在线检测，不但不会增加循环的时间，相反在线检测技术的应用，大大减少加工中心的待机时间，提高加工中心的工作效率，同时可以控制精度的稳定性。目前国内外对在线检测技术进行了不同程度的研究。国外以英国 Renishaw 公司为代表，开发了多种类型的测头，并开发了检测所需的宏程序，现在已经在许多数控机床上应用。在 1997 年北京国际机床工具展览会上，展出了以 Renishaw 为代表的包括触发式测头测量系统、非接触式与扫描式测头系统等多种类型的自动测量系统；国内北
23、京机床研究所、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，已可以实现简单的点、线、面等基本形体几何参数的测量。如西安理工大学罗钦跃硕士研制了一套数控加工中心联机测量设备，实现了一维测头测量二维工件表面的功能；天津大学陈明娟、章青等开发了加工中心在线检测软件，采用对话框输入数据的方式 2。加工中心在线检测技术尚未得到大规模应用，这既与我国企业目前的技术水平和经济条件有关，也与该技术在发展中所遇到的一些问题有关 3。我国企业目前面临的一些主要问题以及在线检测技术本身存在的问题包括如下：企业的技术管理水平较低，在设备的购置与使用上，缺乏系统的观点，如企
24、业花费了大量资金用于购置数控机床，但在一些附件上却不愿继续投资，例如对刀仪、在机测头等，结果导致高性能的数控设备在使用上极其不方便，现代化的设备却采用传统的操作方式，这是对资源的极大浪费。企业资金的匮乏削弱其采用先进技术的积极性，由于一些附属设备的昂贵价格，使企业在进行技术经济方面的分析时，企业宁可效率低一些、精度差一些，也不愿在这些附件上再进行投资。目前加工中心在线检测软件，在使用上不够方便，不易被使用者所掌握；检测功能较为薄弱，目前在机测头基本上都用于简单几何量检测方面，基本上停留于数控系统本身所提供的一些功能，相对于这套检测系统昂贵的价格，这一技术对于一般企业的确显得有些奢侈；现代的设计制造理论及先进的技术装备在在线检测方面没有得到应有的体现，致使在线检测技术在发展上处于落后阶段，同时在这方面研究的滞后，也会成为相关领域发展的瓶颈。当然挑战与机遇是并存的，挑战说明该技术正处于变革阶段，一旦在实质问题上能有所突破，将会极大促进该技术的应用范围，同时会促进相关领域技术的进步。1-2 课题的研究背景及研究意义1-2-1 先进制造技术的发展趋势以及存在的问题当今世界的竞争主要是综合国力的竞争，制造技术是直接创造财富的基础，对一个国家的技术经济发展起着至关重要的作用，所以世界各国都非常重视制造技术的发展。近年来，世界范围内出现了研究3
