基于示教的加工中心在線檢測(cè)研究---碩士論文

1、基于示教的加工中心在線檢測(cè)研究摘要加工中心在線檢測(cè)技術(shù)是提髙加工中心工作粘度和操作自動(dòng)化程度的關(guān)鍵技術(shù)之一，是cims屮質(zhì) 量保證系統(tǒng)不可分割的一部分。本文在該技術(shù)原有發(fā)展的基礎(chǔ)上，并結(jié)合計(jì)篦機(jī)輔助設(shè)計(jì)、零件特征模 型以及計(jì)算機(jī)仿真等一些領(lǐng)域的最新的進(jìn)展情況，以零件的特征模型為核心，對(duì)基于示教的加工中心在 線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。1. 對(duì)零件的兒何特征模型在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上將零件的兒何特征和零件 的檢測(cè)相結(jié)合，確定了冬件示教的基本思想。2. 對(duì)在生產(chǎn)過程中寥件進(jìn)行了分析，確定了待示教的零件最初分類原則，以及零件幾何特征的數(shù)據(jù)表 達(dá)方式，由此得到適合檢測(cè)的零件mfs

2、模型。3. 路徑規(guī)劃無論在加工還是在檢測(cè)中都占有很重要得地位，本文根據(jù)零件模型的特征，進(jìn)行檢測(cè)路徑 規(guī)劃，建立相應(yīng)的宏程序。4. 零件檢測(cè)前的仿真在牛產(chǎn)中可以驗(yàn)證檢測(cè)過程的安全性，這一技術(shù)在實(shí)際的生產(chǎn)過程中逐漸體現(xiàn)出 其重要性。5. 基于示教的加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)，并分析了非典型零件的示教檢測(cè)，建立了 示教、路徑規(guī)劃、仿真為一體的檢測(cè)系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：加工中心，在線檢測(cè)，特征，示教，mfs模型，路徑規(guī)劃research on the technology ofmachining center on-line inspectionbased on teachingabstracton

3、-line inspecting for machining center is one of the key technologies to improve precision and automation of machining center and one of the indiscerptible parts of the quality assurance system of cims. on the foundation of the current development of on-line inspecting technology and the new developm

4、ent of computer aided design n part feature model and computer simulation online inspect technology is studied here based on the teaching idea1 the application of part geometry feature model on the designing and production is analyzed synthetically and based on it, inspecting process is integrated w

5、ith the part geometry feature and the basic idea of part teaching is established2. the part in the manufacturing process is analyzed. the original labeling principle to parts and the dada expressing manner of part geometry model are established, by virtue of them, the mfs model of part suiting for i

6、nspecting is accomplished.3. path layout is very important whether in manufacturing or in inspecting according to the features of the part model in the paper, inspecting path layout and relevant macro program is accomplished.4. the simulation before the inspecting and manufacturing in the production

7、 can assure the security of inspecting process and the technology is more and more important in the practical production.5. the online inspecting for machining center is initially designed based on teaching the teaching andinspecting oftypical part is analyzed and the inspecting system integrated wi

8、th teaching> path layoutand simulation is establishedkey words: machining center, online inspecting, feature, teaching, mfs model, path layout目錄中文摘要英文摘要第一童緒論1§1-1加工中心在線檢測(cè)技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展1 §1-2課題研究的背景和意義第二章基于人工示教的加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng),”,”6§2-1加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng)組成§2-2在線檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)與通訊原理”§2-3基于人工不教的在線檢測(cè)方式&

9、#167;2-4小結(jié)第三章零件的幾何特征和零件模型11§3-1 零件的分類11 §3-2 基于特征的零件信息模型 ”卵初湘”麗呦訕切”怖12 3-2-1基于特征的零件信息描述方法3-2-2幾何特征的分及關(guān)系14 3 2 3 兒何彳廿息的持征表達(dá)，沙蘇 16§3-3 零件的 mfs 模型,”,”,”,16 3-3-1 基于 mfs 理論的零件基本描述方法研1 7 3 3 2彳牛 h勺 'ifs§3-4基本幾何特征示教方法”,”,”,”,19 3-4-1示教圓柱類幾何信息19 q-4-2 示劾引 舉f1如!信 自90 3j-4-3示教r11!臺(tái)舉j1

10、彳可信息”20 3-4-4 示教凹槽類幾何信息1 3-4-5 示教圓弧類兒 何信息”21 3-4-6 zk教角類幾何信息枷枷柿訕呦呦粧呦”枷”帕22 3-4-7不教自由曲面彳曰息卵22 §3 5件 zji 教兒何曰總、的數(shù)據(jù)處理 3-5t位置分割與零件占用范圍信息w”,233-5-2幾何特征的信息規(guī)劃”訕呦呦24§3-6小結(jié)呦”27第四章路徑規(guī)劃和幾何特征檢測(cè),28§4-12-1單個(gè)幾何元素檢測(cè)路徑工藝規(guī)劃4-2-1組合幾何元素檢測(cè)路徑工藝規(guī)劃n»h«»»»»»»»»

11、;»»»1 4 2 3 才:扌羊必各”乃乃,行行行”32§4 3 幾何持征檢測(cè)與擬 口 訂§4 4 'j'纟 | i »nnnm9hhn*»m9»9mm*9mmm mjj第五章檢測(cè)丿厶程序和仿真”卵” f f f f ”川”卵”"38§5 1 建用戶丿匸入禾王丿了；庫”卅”,”,”38 5 1 檢測(cè)龍無f序財(cái)”,忙”385-1-2宏程序編制的方法和原則，”，”,39 5-1-3建立和完善宏程序庫§5-2基于opengl的檢測(cè)過程仿真林林林林林刑卵湘”林林”40 5-2-

12、1 opengl簡介40 5-2-2測(cè)命路徑的插補(bǔ)技術(shù)41 5-2-3慮擬零件模羽的仿 zrtr5 2 4 在線測(cè)耒干仿1 5 3 小纟口第六章基于人工示教的在線檢測(cè)軟件編制”43§6-1軟件的奉締設(shè)計(jì)43§6-2各牛要功能模塊的實(shí)現(xiàn)44i i .x "zj ijl* it'c-vx. i i j/u99m9>mhlm9l9mhh91>9nn>9n>9»nn>9mmn>9h 丄 a6-2-1幾何信息示教模塊、數(shù)據(jù)處理模塊榊”44 6 2 2 *竝測(cè)仿 模塊nmm9999m999>mm9999hh99mm9

13、9»m9999hn9999m»6 2 3 結(jié)果輸lli 模塊”,4647參考文獻(xiàn)49致謝52第一章緒論§1-1加工中心在線檢測(cè)技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展在生產(chǎn)產(chǎn)品的工藝流程中，檢測(cè)階段占有很重要的地位，并且越來越受到重視當(dāng)一批零件將要 開始加工時(shí)，有大量的檢測(cè)工作需要完成，包括夾具和零件的裝卡、找正、零件編程原點(diǎn)的測(cè)定、首件 零件的檢測(cè)、工序間檢測(cè)及加工完畢檢測(cè)等，在某些情況下，還可能有未知零件的檢測(cè)（如未知模具 等）。目前，完成這些檢測(cè)工作的主要手段有：1 手工檢測(cè)手工檢測(cè)是由個(gè)別企業(yè)的生產(chǎn)及技術(shù)能力的低下所決定的，企業(yè)由于財(cái)力有限，沒有高精度高效 率的檢測(cè)設(shè)備（例如：三

14、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)），這就給企業(yè)帶來了許多的不便。還有，在加工過程中只能進(jìn) 行粗檢，一般都會(huì)采用手工檢測(cè)。手工檢測(cè)是使用千分表、卡尺等常規(guī)量具、量儀人工校正測(cè)量，英 效率低下，精度容易受到人為的影響，而且還導(dǎo)致了寶貴的機(jī)床機(jī)時(shí)的浪費(fèi)，影響了機(jī)床的利用率及 產(chǎn)品加丄質(zhì)量。2. 離線檢測(cè)在加工工序之間、加工完成后，將工件從加工中心上取下，利用其他檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，即加工與 檢測(cè)不在同一設(shè)備上進(jìn)行，且二者不同步，先加工，后測(cè)量。這種測(cè)量方法目前應(yīng)用較廣，典型的測(cè)量 設(shè)備是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。三坐標(biāo)測(cè)暈系統(tǒng)（cmms）是近三十年發(fā)展起來的一種高效率的精密測(cè)量儀器，其 分辨率在微米級(jí)，特別是配有計(jì)算機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)，使它

15、能夠在計(jì)算機(jī)控制下自動(dòng)完成許多髙精度測(cè)量。 離線測(cè)量可發(fā)揮測(cè)量系統(tǒng)的功能，測(cè)量精度高，同時(shí)對(duì)加工設(shè)備的專業(yè)程度要求不高。3. 在線檢測(cè)通過為加工中心配備一個(gè)觸發(fā)式測(cè)頭以及相應(yīng)的檢測(cè)宏程序，構(gòu)成加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng)。為了避 免手工檢測(cè)和離線檢測(cè)的弊端，很多廠商都希望在數(shù)控機(jī)床上配置各種加工精度的檢測(cè)設(shè)備，并在加工 屮心上應(yīng)用自動(dòng)測(cè)量技術(shù)，取得了很多的成果。目前，數(shù)控機(jī)床廣泛應(yīng)用觸發(fā)式測(cè)頭，其具有價(jià)格低、 可靠性強(qiáng)、自身精度高等特點(diǎn)。除此之外，觸發(fā)式測(cè)頭還有允許超程量大、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、工作安全性高、 抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。最初的觸發(fā)式測(cè)頭采用靜定原理的三點(diǎn)布置結(jié)構(gòu)，測(cè)量過程屮存在一定預(yù)行程誤 差。以英國

16、的renishao公司為代表的新一代采用應(yīng)變片技術(shù)的測(cè)頭（如renishawtp7和新型的tp200）, 大大減少了測(cè)量誤差。由檢測(cè)的發(fā)展過程可以看出，由于市場的需求和科技的發(fā)展，制造技術(shù)生產(chǎn)方式沿著“手工一機(jī)械 化單機(jī)自動(dòng)化剛性流水自動(dòng)化柔性制造自動(dòng)化智能自動(dòng)化”方向發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 特別是數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展應(yīng)用，使傳統(tǒng)的制造工藝產(chǎn)生顯著的變化，形成了 cad、cam、capp、 cat、fms、cims、fa等一系列具有劃時(shí)代意義的先進(jìn)制造技術(shù)。高效率為主的自動(dòng)化，即通過制造過程信息的處理與控制，提高自動(dòng)化程度，提高生產(chǎn)率，縮短產(chǎn) 品的制造周期。二是以計(jì)算機(jī)參與提高精度為主的精密

17、化，通過現(xiàn)代測(cè)控手段實(shí)現(xiàn)超精密加工及檢測(cè)。 fms、cims系統(tǒng)正是在利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息集成的基礎(chǔ)上，以縮短新產(chǎn)品研制周期及產(chǎn)品的交貨周期， 提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本為目標(biāo)的工廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。這是提高制造業(yè)競爭能力最有效的技術(shù)手段。 因此，對(duì)cims的關(guān)鍵設(shè)備一一數(shù)控加工中心高精度在線檢測(cè)技術(shù)的研究備受關(guān)注。加工中心作為更高性能的數(shù)控機(jī)床，配備了刀具和自動(dòng)換刀裝置，具有很強(qiáng)的加工能力，工件只需 一次安裝，加工中心便可完成多道工序的加工，大大提高了生產(chǎn)效率。但是由于其自身的缺陷及加工 過程中的不可避免的主客觀因素，還存在著精度和效率問題，質(zhì)量保證技術(shù)（quality assurance）也就 隨

18、之產(chǎn)生了，它是一門綜合技術(shù)，不僅涉及傳統(tǒng)的質(zhì)量統(tǒng)計(jì)控制技術(shù)和事后檢測(cè)技術(shù)，還融合了計(jì)算機(jī) 仿真技術(shù)、汁算機(jī)輔助測(cè)試技術(shù)、檢測(cè)控制技術(shù)和人工智能技術(shù)等新技術(shù)切。在諸如fms、cims這樣 的高集成化、高自動(dòng)化的無人化生產(chǎn)系統(tǒng)屮，建立基于數(shù)控系統(tǒng)（數(shù)控加工屮心）的可靠的質(zhì)量保證子 系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本前提。面對(duì)日趨激烈的國際市場競爭，各國的制造商越來越清楚的認(rèn)識(shí) 到，產(chǎn)品質(zhì)量保證技術(shù)是企業(yè)在為市場和利潤的所進(jìn)行的競爭中最有力的戰(zhàn)略武器。近兒年來，質(zhì)量保 證系統(tǒng)正在成為美國工業(yè)界的熱點(diǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量保證技術(shù)在cims中的重要性越來越明顯，為適應(yīng)市場競 爭的需要，目前徳國和美國的-些大型制造企業(yè)（

19、如徳國htv公司和美國的dec、gm、ford公司 等）均運(yùn)行著計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量保證系統(tǒng)?；跀?shù)控機(jī)床的質(zhì)量保證技術(shù)是質(zhì)量保證系統(tǒng)中的重要組成部 分，也是加工質(zhì)量保證技術(shù)的核心內(nèi)容。建立完善、可靠的基于數(shù)控機(jī)床的質(zhì)量保證系統(tǒng)，不僅是提高 數(shù)控機(jī)床的利用率的關(guān)鍵，也是保證質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本的保證卩引。1997年，在漢諾威歐洲機(jī)床展覽會(huì)上，展出了由英國ren1shaw公司研制的世界上的一套“循環(huán) 屮測(cè)量系統(tǒng)”renishaw系統(tǒng)。此后，這項(xiàng)技術(shù)的到了迅速的推廣。至80年代中期，在一些國外 先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床上兒乎都配有觸發(fā)式測(cè)頭檢測(cè)系統(tǒng)。并且系統(tǒng)的功能和用途也隨之不斷完善和擴(kuò)大。如 今數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)技

20、術(shù)已經(jīng)取得了不少成果。國外以英國renishaw為代表，開發(fā)了多種類型的測(cè) 頭，并已經(jīng)在許多數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用；國內(nèi)的北京機(jī)床研究所、航天部303所等單位也相繼研制出機(jī)床在 機(jī)測(cè)頭，其測(cè)量控制和數(shù)據(jù)處理都在數(shù)控宏程序屮完成，可以實(shí)現(xiàn)簡單的點(diǎn)、線、面等基本形體幾何 參數(shù)的測(cè)量。加工中心在線檢測(cè)技術(shù)將加工和檢測(cè)集成在一起，實(shí)現(xiàn)了加工過程中的自動(dòng)檢測(cè)。加工與檢測(cè)在同 一臺(tái)設(shè)備上完成，避免了多次裝夾、重復(fù)定位精度差及輔助時(shí)間長等問題。加工屮心在線檢測(cè)技術(shù)關(guān) 鍵是其檢測(cè)過程有數(shù)控程序來控制，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)的自動(dòng)化，是一種基于計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的在線檢測(cè)技術(shù)。 目前，為了是檢測(cè)過程更趨于人性化、智能化，人們開始關(guān)注人

21、工智能在檢測(cè)中的應(yīng)用，并取得了一定 的成果。隨著加工屮心在生產(chǎn)屮的廣泛應(yīng)用，并輔有人工智能的加工屮心在線檢測(cè)技術(shù)必將成為一項(xiàng)很 有發(fā)展前途的技術(shù)。§1-2課題研究的背景和意義就冃前加工中心在線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展水平與應(yīng)用程度來看，rh 丁種種原因還處于發(fā)展與普及的初級(jí) 階段，尚未得到大規(guī)模的應(yīng)用，不僅在觀念上述不能被更多的企業(yè)所接受，而且檢測(cè)系統(tǒng)自身還有待進(jìn) 一步的完善。由于企業(yè)的技術(shù)管理水平較低，觀念比較落后，在設(shè)備的購置與使用上，缺乏系統(tǒng)的觀點(diǎn)，如企業(yè) 雖然花費(fèi)了大量資金用于購置數(shù)控機(jī)床，但是在一些附件上卻不愿意繼續(xù)投資，例如対刀儀、在機(jī)測(cè)頭 等，結(jié)果導(dǎo)致高性能數(shù)控設(shè)備在使用上及其不

22、便，現(xiàn)代化的設(shè)備卻采用傳統(tǒng)的操作方式，造成資源的 極大浪費(fèi)問。加工屮心在線檢測(cè)技術(shù)存在的主要技術(shù)問題是測(cè)量程序的編制過于繁瑣。利用加工屮心在線檢測(cè) 系統(tǒng)檢測(cè)冬件，首先要編制零件的檢測(cè)程序，然后才能進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)編制的手段，程序編制通常分 為兩大類：手工編程和自動(dòng)編程。手工編程即整個(gè)編制過程由人工完成，即繁瑣費(fèi)時(shí)乂復(fù)雜。編程人 員必須對(duì)機(jī)床及數(shù)控系統(tǒng)的各種指令、代碼都非常熟悉，而且還必須具備機(jī)械加工知識(shí)和數(shù)值計(jì)算能 力。并且對(duì)于不同數(shù)控系統(tǒng)，所用指令代碼、程序格式及其他編程規(guī)定也不同，給編程工作帶來易于 混淆和岀錯(cuò)的麻煩，以導(dǎo)致在零件檢測(cè)屮出現(xiàn)測(cè)頭撞壞的情形，出現(xiàn)不必要的損失。對(duì)于復(fù)雜零件來 說

23、，有時(shí)手工編程是行不通的。自動(dòng)編程是指編程人員只盅根據(jù)零件圖樣的要求，按照自動(dòng)編程系統(tǒng) 的規(guī)定，編寫一個(gè)零件的源程序，送入編程計(jì)算機(jī)，即可進(jìn)行自動(dòng)編程。但自動(dòng)編程系統(tǒng)目前還不完 善，宏程序不夠豐富，還不足以應(yīng)付千變?nèi)f化的測(cè)量情況。目前，加工屮心在線檢測(cè)的技術(shù)水平還停留在在計(jì)算機(jī)屮進(jìn)行處理得到檢測(cè)宏程序，通過計(jì)算機(jī) 的rs232串行口把程序傳送到加工中心，然后再進(jìn)行檢測(cè)工作的發(fā)展階段。此過程嚴(yán)重浪費(fèi)了加工中 心的在機(jī)時(shí)間，在很大程度上阻礙了檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，還不能真正稱得上加工檢測(cè)自動(dòng)化。該技術(shù)的適用范圍也是阻礙加工中心在線檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要因素。由于在零件形面的模式 識(shí)別領(lǐng)域上還不成熟，還不

24、能建立完善的檢測(cè)路徑規(guī)劃方案及檢測(cè)仿真，所以加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng) 只能對(duì)單個(gè)兒何元素進(jìn)行檢測(cè)，比如，圓孔或圓柱等等。該技術(shù)目前的檢測(cè)對(duì)象是有具體尺寸要求的 幾何零件，對(duì)于未知零件來說，尤其是復(fù)雜零件，通常是通過手工檢測(cè)或者在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行檢 測(cè)，但對(duì)于一些企業(yè)來說，由于技術(shù)上或者財(cái)力上的不足，無力或無意購買cmms,仍采用一些效率低、 精度差的陳舊檢測(cè)設(shè)備，測(cè)量零件的精度還不能很好的滿足要求，技術(shù)水平較低，即使配置了坐標(biāo)測(cè) 量機(jī)，仍然存在多次裝夾、重復(fù)定位誤差大及輔助時(shí)間長等問題，制約了我國加工制造業(yè)的發(fā)展水平。 再有，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率等提11!了更

25、高的要求。所以根據(jù)我國現(xiàn)實(shí)情況，就要求在線檢測(cè)系統(tǒng)不僅能完成復(fù)雜零件的檢測(cè)而且要求能完成對(duì)未知 零件的測(cè)塑，這樣既保證了加工檢測(cè)的精度和效率，而且還大大的節(jié)約了固定投資，在中小型企業(yè)屮 很受歡迎，這也是提出在線檢測(cè)研究方向的原因所在。目前，基于加工中心的在線檢測(cè)技術(shù)有了很大的發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下兒個(gè)方面：1. 基于cad/cam的加工屮心在線檢測(cè)技術(shù)研究與開發(fā)。2. 基于工件實(shí)體的加工中心在線檢測(cè)技術(shù)研究與開發(fā)。3. 加工中心在線檢測(cè)誤差補(bǔ)償技術(shù)研究與開發(fā)?；赾ad/cam的加工屮心在線檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖形化自動(dòng)編程，通過開發(fā)cad系統(tǒng)的現(xiàn)有功能，并根 據(jù)零件在cad系統(tǒng)屮己有的兒何圖形信息，在

26、加工過程中實(shí)現(xiàn)序前、序中和序后檢測(cè)?；诠ぜ?shí)體的 加工屮心在線檢測(cè)技術(shù)主要是針對(duì)對(duì)舊件的基本兒何特征進(jìn)行分析和規(guī)劃，編制檢測(cè)程序，完成在線檢 測(cè)。加工中心在線檢測(cè)誤差補(bǔ)償技術(shù)主要研究機(jī)床在檢測(cè)過程中檢測(cè)系統(tǒng)及機(jī)床加工本體的檢測(cè)誤差， 雖然研究的內(nèi)容同以上兩個(gè)研究方向存在著差異，但是他們研究的目的是相同的，即在保證一定的精度 下，完成對(duì)零件的檢測(cè)。以上的研究能很好的完成相應(yīng)的檢測(cè)功能，但是對(duì)于未知的零件來說，即沒有任何參考數(shù)據(jù)的零件 （這主要體現(xiàn)在模具行業(yè)），以及復(fù)雜的零件來說，以上的技術(shù)還不能很好的實(shí)現(xiàn)所需的功能。針對(duì)上 述在線檢測(cè)的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了基于人工示教的加工中心在線檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)

27、是基于加工中心在線檢 測(cè)系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，是面向整個(gè)未知零件檢測(cè)的技術(shù)，是在線檢測(cè)技術(shù)的橫向擴(kuò)展，使在線檢測(cè)技 術(shù)更加完善。此技術(shù)可在多品種少批量的工件加工檢測(cè)屮發(fā)揮更大的作用。§1-3課題研究的主要內(nèi)容示教思想是計(jì)算機(jī)進(jìn)入示教狀態(tài)以后，根據(jù)接收零件基本信息的類型不斷接受加工中心傳出的示 教信息，并對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，經(jīng)過初步的數(shù)據(jù)處理，然后進(jìn)行代碼的轉(zhuǎn)換，形成標(biāo)準(zhǔn)的零件檢 測(cè)程序，檢測(cè)完成后根據(jù)需要確定表達(dá)各個(gè)兒何特征的參數(shù)，以及兒何特征z間的位置關(guān)系。據(jù)此思 想，本課題的研究內(nèi)容主要有以下幾部分組成：（1）模型規(guī)劃：針對(duì)課題的研究對(duì)象，需要對(duì)未知零件進(jìn)行模型規(guī)劃，確定幾何特征

28、的示教方案, 以利于示教過程的實(shí)現(xiàn)。（2）數(shù)據(jù)的釆集：數(shù)據(jù)的采集是完成人工示教的在線檢測(cè)的保證。加工中心和計(jì)算機(jī)之間應(yīng)能實(shí) 吋保持通訊，以保證加工中心得到的零件信息能及吋的傳送到計(jì)算機(jī)。在此包括示教信息的采集以及 檢測(cè)過程中數(shù)據(jù)的采集。（3）示教數(shù)據(jù)處理：由于手工操作進(jìn)行示教，不可避免的涉入了一些主觀因素，同時(shí)為了簡化示 教，降低占機(jī)時(shí)間，所以，必須將采集到的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成檢測(cè)宏程序，所以應(yīng)根據(jù)一定的規(guī)則，對(duì) 示教數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)以往的示教學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化，得到示教兒何特征的兒何參數(shù)。（4）檢測(cè)宏程序和仿真：根據(jù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)標(biāo)志，以及數(shù)據(jù)表示的各兒何信息z間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，調(diào) 用相應(yīng)零件基本

29、幾何信息的宏程序，組成完整零件的檢測(cè)程序。對(duì)于未知零件來說，由于人工示教的 局限性以及不可避免的系統(tǒng)誤差，可能在示教數(shù)據(jù)處理過程屮存在這樣那樣的討題，所以在系統(tǒng)進(jìn)行 檢測(cè)之前對(duì)檢測(cè)過程進(jìn)行仿真，確保檢測(cè)程序的無誤，保證不會(huì)在檢測(cè)過程中111現(xiàn)碰撞。（5）檢測(cè)信息數(shù)據(jù)處理檢測(cè)的最終目的是得到零件兒何特征的尺寸和兒何特征z間的位置關(guān)系， 所以檢測(cè)完成后應(yīng)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化得到需要的參數(shù)信息，為下一步的加工過程做數(shù) 據(jù)上的準(zhǔn)備。圖1 1反映了基于人工示教的加工屮心在線檢測(cè)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，其屮模型規(guī)劃和數(shù)據(jù)處理是本課題的主要研究內(nèi)容之一。根據(jù)人的思維習(xí)慣、操作的可能性及數(shù)據(jù)處理的方便將零

30、件按照兒何特征進(jìn)行劃分，這主要在第三 章模型規(guī)劃階段進(jìn)行分析。通過數(shù)控系統(tǒng)控制單元的rs232串口將測(cè)頭通過示教檢測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳 送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)幾何特征信息的類型、位置等相關(guān)信息送行分析和規(guī)劃，形成虛擬零件，即 零件屮的示教的幾何形體的數(shù)據(jù)是模糊的，是不確定的。圖1.1人工示教在線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖fig. 1.1 the frame map of teaching online inspecting由于示教過程的不確定性及示教的幾何特征信息的模糊性，這就決定了檢測(cè)路徑、檢測(cè)點(diǎn)的位置的 不確定性，為此，在對(duì)數(shù)據(jù)的處理過程中需對(duì)各幾何特征信息進(jìn)行虛擬規(guī)劃，生成零件虛擬數(shù)據(jù)庫，即 根據(jù)示教點(diǎn)

31、的幾何特征所組成的環(huán)境，估計(jì)各幾何特征的幾何參數(shù)，以確定測(cè)頭在測(cè)量幾何特征時(shí)的運(yùn) 動(dòng)范圍。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，基本兒何特征宏程序庫是預(yù)先編制好的孔、柱等基本形體的宏程序，在示教信息數(shù) 據(jù)處理得到模糊的幾何特征的基礎(chǔ)上調(diào)用，得到需要的檢測(cè)宏程序。零件模型是最終的零件幾何信息的 檢測(cè)結(jié)果，通過零件模型，不僅可以得到示教的幾何形體的幾何參數(shù)，而且可以得到幾何形體之間的形 位關(guān)系，通過零件模型的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行以后的加工檢測(cè)工作。第二章 基于人工示教的加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng)§2-1加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng)組成隨著數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，使數(shù)控機(jī)床具有了用八宏程序和存儲(chǔ)等功能，為實(shí)現(xiàn)其在線自動(dòng)檢測(cè)提供 了條件；測(cè)頭性

32、能的不斷完善，為在線檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用開辟了良好的前景。加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)引入加工中心數(shù)控系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算、存儲(chǔ)和開發(fā)能 力來彌補(bǔ)加工屮心數(shù)控系統(tǒng)的缺陷?？赏ㄟ^計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)提高測(cè)頭自動(dòng)監(jiān)測(cè)的精度、效率和可操作性, 實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程和測(cè)量結(jié)果的可視化，使數(shù)控加工中心在線檢測(cè)技術(shù)水平得以提高。通常加工屮心的關(guān)鍵部分由數(shù)控加工中心機(jī)械本體、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等部分組成，可以完成零 件的加工。加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng)即在加工中心上配備上檢測(cè)用測(cè)頭、檢測(cè)宏程序庫及數(shù)據(jù)傳輸用附件, 其結(jié)構(gòu)圖如圖2. 1所示：圖2.1加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng)）fig. 2.1 the system of online

33、 inspection on machining center其屮關(guān)鍵部分的結(jié)構(gòu)有：1. 數(shù)控加工中心機(jī)械本體加工中心的機(jī)械本體是實(shí)現(xiàn)加工、檢測(cè)的基礎(chǔ)，其工作部件是實(shí)現(xiàn)所需基本運(yùn)動(dòng)的部件，它的傳 動(dòng)部件的精度直接影響著加工、檢測(cè)的精度。2. 加工屮心數(shù)控系統(tǒng)加工中心一般都采用cnc數(shù)控系統(tǒng)，其主耍特點(diǎn)是輸入存儲(chǔ)、數(shù)控加工、插補(bǔ)運(yùn)算以及機(jī)床各種 控制功能都通過程序來是實(shí)現(xiàn)，能增加很多邏輯電路難以實(shí)現(xiàn)的功能。計(jì)算機(jī)與其他裝置之間可通過 接口設(shè)備聯(lián)接，當(dāng)控制對(duì)象或功能改變時(shí)，只需改變軟件和接口。cnc系統(tǒng)一般由屮央處理存儲(chǔ)器和 輸入輸出接口組成，中央處理器又由存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器和總線組成。3.

34、伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是加工屮心的重要組成部分，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給位置伺服控制和主軸轉(zhuǎn)速（或位置） 伺服控制。伺服系統(tǒng)的性能是決定機(jī)床加工精度、測(cè)量精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率的主要因素。4. 測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)有接觸觸發(fā)式測(cè)頭、信號(hào)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)組成，是數(shù)控加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng) 中的關(guān)鍵部分，直接影響著在線檢測(cè)的精度。其中關(guān)鍵部分為測(cè)頭，常用測(cè)頭一般有觸發(fā)式、掃描式、 和非接觸式三種類型。5. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括碩件和軟件。加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng)利用汁算機(jī)進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的采集和處理、檢測(cè) 數(shù)控程序的生成、檢測(cè)過程的仿真及與加工中心通訊等功能。由于數(shù)控機(jī)床自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)本身的局限性, 造成編程

35、繁瑣、檢測(cè)功能較少且精度較低。而微機(jī)加入數(shù)控加工中心在線檢測(cè)是對(duì)數(shù)控機(jī)床一測(cè)頭在線 檢測(cè)系統(tǒng)有益的和強(qiáng)大的補(bǔ)充，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算、存儲(chǔ)和開發(fā)能力，可通過軟件技術(shù)提高測(cè)頭自 動(dòng)檢測(cè)的精度、效率和可操作性，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過程和測(cè)量結(jié)果的可視性，使數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)技術(shù)提高到 新的水平。§2-2在線檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)與通訊原理由圖2.1可知測(cè)量系統(tǒng)主要由測(cè)頭、測(cè)頭接口、轉(zhuǎn)換器、光柵傳感器和光柵接口組成。在接觸式測(cè)量中，主要使用接觸式觸發(fā)測(cè)頭，又稱為開關(guān)發(fā)訊測(cè)頭。測(cè)頭像普通刀具一樣安裝在 機(jī)床刀庫中，由程序控制可自動(dòng)調(diào)出并安裝在機(jī)床主軸上，由程序控制進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量并將測(cè)量結(jié)果反 饋到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。早期的

36、觸發(fā)式測(cè)頭以英國rentshaw公司生產(chǎn)的mp3等為典型代表，這種測(cè)頭具有彈簧力作用下 的機(jī)械定位機(jī)構(gòu)，當(dāng)測(cè)桿同工件接觸受力偏轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，但不可避免的產(chǎn)生測(cè)頭預(yù)行程量的變 化。新一代的測(cè)頭以tp7m為代表，設(shè)計(jì)成三網(wǎng)式結(jié)構(gòu)，預(yù)行程變化小。相對(duì)于觸發(fā)式測(cè)頭而言，諸如 掃描式測(cè)頭和非接觸式測(cè)頭雖然有著精度較高等有點(diǎn)，但是，觸發(fā)式測(cè)頭結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉；堅(jiān)固耐 用，容許的超程量大，安全性高，抗干擾能力強(qiáng)，適合于在線檢測(cè)尤其是基于示教方式的檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng) 用，所以在本系統(tǒng)屮采用接觸式觸發(fā)測(cè)頭。轉(zhuǎn)換器是一個(gè)多功能通訊接口，作為加工中心和上位計(jì)算機(jī)的通訊接口，采集測(cè)頭碰到工件發(fā)出的信 息傳送給計(jì)算機(jī)

37、，計(jì)算機(jī)采集到后，根據(jù)需要采集光柵接口保持的當(dāng)前各個(gè)軸的位置信息。同時(shí)轉(zhuǎn)換 器根據(jù)控制計(jì)算機(jī)的指令，驅(qū)動(dòng)測(cè)頭運(yùn)動(dòng)，完成計(jì)算機(jī)與加工屮心zi'可的信號(hào)傳遞切。光柵接口和各個(gè)軸上的光柵傳感器相連。光柵傳感器能體現(xiàn)出各軸的當(dāng)前位置，通過光柵接口保 持光柵的位置信息，計(jì)算機(jī)根據(jù)需要讀取光柵接口的位置信息。根據(jù)產(chǎn)品兒何特征造型生成相關(guān)的測(cè)量驅(qū)動(dòng)程序，當(dāng)需要測(cè)暈時(shí)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)用測(cè)量程序，驅(qū) 動(dòng)測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)測(cè)頭移動(dòng)過程中遇到工件時(shí)，測(cè)頭就會(huì)發(fā)出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)傳遞給測(cè)頭接觸電路、 該電路通過rs主從觸發(fā)器濾掉機(jī)械抖動(dòng)噪聲信號(hào)，并將信號(hào)傳遞給專用通訊接口卡，通過該接口， 計(jì)算機(jī)收到測(cè)頭的觸發(fā)信號(hào)，并

38、立即從光柵傳感器讀取此刻坐標(biāo)（產(chǎn)品尺寸）信息。同時(shí)，測(cè)頭反向 運(yùn)動(dòng)一個(gè)微小距離，使測(cè)頭與工件分離，避免移動(dòng)測(cè)頭時(shí)劃傷測(cè)頭。其棊本實(shí)現(xiàn)功能如下圖所示：圖2.2測(cè)量功能流程圖fig. 2.2 the flow chart of inspecting function此測(cè)量系統(tǒng)不僅可完成加工過程中的序前、序中、序后測(cè)量，述能完成對(duì)零件的人工示教測(cè)量?；?本上可滿足加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng)的需要。§2-3基于人工示教的在線檢測(cè)23.1人工示教檢測(cè)方式示教再現(xiàn)（teaching/playback,簡稱t/p方式）方式最初體現(xiàn)于機(jī)器人領(lǐng)域，是一種特殊的程序 編制及實(shí)現(xiàn)過程。由于其編程過程以及適用范圍

39、的獨(dú)特性，在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。進(jìn)行示教時(shí)要考慮示教對(duì)象的結(jié)構(gòu)、工件的形狀、重量、材質(zhì)和加工工藝以及周邊設(shè)備等情況。示 教z后要先試運(yùn)行，并不斷修止軌跡和姿勢(shì)，以使作業(yè)狀況最佳，從而得到理想的作業(yè)效果并形成最 終的作業(yè)運(yùn)行程序問。作為加工制造業(yè)屮高精度、測(cè)量范圍廣的測(cè)量工具，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)不僅提高了測(cè)量精度，而且解決 了復(fù)雜形狀表面輪廓尺寸的測(cè)量，例如箱體零件的孔徑與孔位，葉片與齒輪、汽車與飛機(jī)等的外廓尺寸 檢測(cè)，同時(shí)還提高了測(cè)量效率。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量手段主要為探測(cè)模式和編程模式，市于本系統(tǒng)檢測(cè) 的對(duì)象主要為未知零件，基于人工示教的在線檢測(cè)技術(shù)主要采用了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的探測(cè)模式，在某個(gè)檢

40、測(cè)領(lǐng)域代替三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的功能。通過加工屮心一測(cè)量系統(tǒng)一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成的加工屮心在線檢測(cè)系統(tǒng)代替人工操作完成對(duì)未知零 件繁重、效率及精度低下的測(cè)量是實(shí)現(xiàn)高速、高效的cims的必要和有益的手段及補(bǔ)充。在加工系統(tǒng)作 業(yè)之前必須示教或編程，描述加工中心測(cè)頭要運(yùn)行的軌跡，賦予加工中心各軸所要達(dá)到的位置等信息。目前需要示教的任何系統(tǒng)的編程方式主要為在線示教和離線編程兩種，以加工中心作為核心設(shè) 備的cims系統(tǒng)組成的柔性制造系統(tǒng)，不僅耍求高質(zhì)量、高精度，高效率也是必不可少的。由于未知零 件的多樣性以及示教過程的復(fù)雜性單純釆用離線編程或者在線示教是行不通的，前者由于缺少零件不要 的尺寸，在特有的情況下不能編制

41、檢測(cè)程序，再有，即使能夠編程也存在現(xiàn)場編程適應(yīng)性差，修改不便 的弊端。后者雖然可以根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境靈活示教編程，但是示教內(nèi)容復(fù)雜，占用生長和調(diào)試的時(shí)間過 長，所以在cims系統(tǒng)中，有必要將兩種編程方式相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種在cims系統(tǒng)中適合未知零件測(cè)量 的示教/再現(xiàn)編程方法。2.3.2人工示教檢測(cè)的功能組成由以上可知基于人工示教的加工屮心在線檢測(cè)技術(shù)的核心為現(xiàn)場示教、離線編程過程，現(xiàn)場示教主 要完成以下功能：1）確定檢測(cè)的幾何特征及其檢測(cè)的所需的精度，幾何特征的分析在本章的模型規(guī)劃中分析；2）確定測(cè)頭運(yùn)動(dòng)軌跡點(diǎn)的位置；3）位置地標(biāo)點(diǎn)的存儲(chǔ)。離線編程主要完成：1）根據(jù)示教的幾何特征類型和示教的參數(shù)環(huán)

42、境計(jì)算零件的參數(shù)；2）規(guī)劃進(jìn)一步檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)軌跡；3）為了避免檢測(cè)過程碰撞的發(fā)生，在必要的情況下仿真檢測(cè)過程。根據(jù)示教對(duì)象的特點(diǎn)，即主要是未知的零件，沒有特定的尺寸可以參考，所以釆用了直接示教的方 式，與傳統(tǒng)的示教方式不同，在本系統(tǒng)中沒有采用示教編程器，采用了同手把手直接示教相似的方式， 手動(dòng)操作數(shù)控機(jī)床的主軸，使測(cè)頭運(yùn)動(dòng)到需要的位置同工件接觸，測(cè)頭發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，計(jì)算機(jī)采集到信 號(hào)后，根據(jù)需要采集光柵的位置信息，并存儲(chǔ)在開發(fā)平臺(tái)的數(shù)據(jù)區(qū)中，完成零件的一個(gè)人工示教循環(huán)。 根據(jù)檢測(cè)的需要，完成整個(gè)零件的示教過程。示教過程完成后，需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、解讀、計(jì)算。為了節(jié)省示教時(shí)間，又因?yàn)槭窘痰膬?

43、何信息是不完整的，所以有必要對(duì)采集到的幾何信息進(jìn)行識(shí)別。通過對(duì)釆集信息的位置分析，得到幾何 特征在坐標(biāo)系中的位置及其幾何參數(shù)。根據(jù)幾何特征的位置、幾何信息調(diào)用相應(yīng)的檢測(cè)宏程序生成應(yīng)用 于加工中心的檢測(cè)程序，經(jīng)過仿真，確認(rèn)無誤后，即可進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)環(huán)節(jié)。這個(gè)過程為離線編程，又稱 為翻譯過程。由此可知，由于示教過程中確定了兒何特征，所以只需示教待測(cè)兒何特征的有效點(diǎn)，即采用點(diǎn)到點(diǎn) （ptp）的示教方式，而有效點(diǎn)zi'可的軌跡則根據(jù)具體情況采用軌跡規(guī)劃原則而定，這種示教方式的優(yōu)點(diǎn) 主要體現(xiàn)在一下方面：1）僅需對(duì)待測(cè)零件的少數(shù)點(diǎn)進(jìn)行示教，示教時(shí)不必關(guān)注各個(gè)幾何特征之間的位置關(guān)系；2）現(xiàn)場示教不需要

44、特別的運(yùn)動(dòng)控制語言，簡單方便；3）示教過程占用的時(shí)間大大的減少。§2-4小結(jié)本章首先分析了加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，根據(jù)開發(fā)的難易程度，提出了種新的數(shù)據(jù)采 集方法，即通過轉(zhuǎn)換器來采集示教過程的數(shù)據(jù)，而不同于以往的通過數(shù)控系統(tǒng)來讀取數(shù)據(jù)。作為基于示 教的加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng)，從理論上和實(shí)際上分析了示教的原理及其組成部分，為以后的工作做了總 體上的規(guī)劃。第三章零件的幾何特征和零件模型在零件的檢測(cè)過程中，對(duì)其基本幾何信息進(jìn)行示教的同時(shí)，還必須進(jìn)行非檢測(cè)過程的測(cè)頭運(yùn)行路徑 的規(guī)劃，如果全部采用示教來完成，示教編程內(nèi)容比較復(fù)雜，工作量大，如果全部編程工作采用在線示 教方式，將占用大量的調(diào)

45、試和生產(chǎn)時(shí)間。針對(duì)上述狀況，為了減少示教編程的工作量，降低現(xiàn)場示教內(nèi)容的復(fù)雜性，在本課題中將在線檢測(cè) 的編程分為在線示教和離線示教兩部分。在線示教部分完成：1）通過手動(dòng)控制測(cè)頭，使測(cè)頭接觸待示教基本兒何元素，確定測(cè)頭示教軌跡點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。2） 計(jì)算機(jī)通過測(cè)頭和計(jì)算機(jī)之間的接口，采集示教的位置坐標(biāo)，并存儲(chǔ)記憶。2）離線編程完成：通過對(duì)示教兒何元素的位置關(guān)系分析，在宏觀上和微觀上進(jìn)行檢測(cè)過程的軌跡規(guī)劃。§3-1零件的分類一個(gè)車間加工的零件種類各種各樣，加工檢測(cè)信息復(fù)雜，信息量大，要在大量的數(shù)據(jù)中找到需要的 信息，首先必須對(duì)復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、去粗取精，將其分類才有可能進(jìn)行數(shù)字化，并進(jìn)一步

46、建立所需 要的統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。針對(duì)本系統(tǒng)主要的檢測(cè)對(duì)象是未知零件，所以在檢測(cè)前對(duì)未知零件有一 個(gè)超前的概括，或者零件幾何特征信息的超前確定，不僅可以簡化幾何特征信息的釆集，而且對(duì)于以后 的數(shù)據(jù)處理也是很方便的。所以對(duì)零件的分類是必需的；又由于對(duì)于某一生產(chǎn)企業(yè)來說，待加工的零件 形狀是有一定規(guī)律的，所以零件的分類也是可行的。通常對(duì)零件的分類主要根據(jù)其外部輪廓的形狀，對(duì)于本系統(tǒng)中的待檢測(cè)零件來說，按其結(jié)構(gòu)特征主 要分為冋轉(zhuǎn)類零件和非冋轉(zhuǎn)類零件。對(duì)于冋轉(zhuǎn)體零件來說，很容易定義區(qū)分其兒何特征。而對(duì)于非冋轉(zhuǎn) 體來說，相對(duì)來說就很難。但是不同類別的零件其包含的基本兒何結(jié)構(gòu)特征是相同的。從工程上來講，

47、一般零件大體上可分為規(guī)則體和自由曲面體，或者是兩者的結(jié)合，規(guī)則體是由簡單的點(diǎn)、線、面基本的 幾何元素組合而成的，自由曲面體是由復(fù)雜的自由曲面組成的，很難確定其幾何表達(dá)方式和在坐標(biāo)系中 的位置。以上兩種分類方式對(duì)于本系統(tǒng)來說，不能很方便的表達(dá)出待示教零件的結(jié)構(gòu)特征，在此，根據(jù)系統(tǒng) 的特點(diǎn)，以及采集數(shù)據(jù)的方便，系統(tǒng)主要將零件分為典型零件和非典型零件。典型零件：目前，國內(nèi)在cad標(biāo)準(zhǔn)件方面作了大量的工作，一般采用一類零件一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的 方法。若一些零件具有相似的幾何形狀，只是在尺寸或者局部特征方面有所差別，那么這一類零件就 構(gòu)成一個(gè)零件族。比如箱體類、軸類零件等，其外形相差不多，功能也一樣，因此可把

48、其所屬系列產(chǎn) 品定義為一個(gè)零件族。從零件族小抽取某一特定尺寸的零件，作為該零件族的類屬成員，其它尺寸的 零件作為家族成員，缺省的繼承類屬成員的所有屬性（包括尺寸參數(shù)、特征等）?？梢姡悓俪蓡T擁 有整個(gè)零件族的共同屬性，是所有家族成員的代表。但是這樣的零件表達(dá)方式又有很大的缺點(diǎn)，其數(shù)據(jù)表達(dá)的特性決定了有多少類零件就有多少種模 型結(jié)構(gòu)，而常用零件，最少就有上百種，因此對(duì)于典型零件庫的開發(fā)有很多缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：一， 開發(fā)的工作塑大，需要針對(duì)不同類型零件進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)；二，可擴(kuò)充性差，由于難以提供完備的零 件庫，因而在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的限制。所以在本系統(tǒng)中典型零件庫的設(shè)計(jì)及應(yīng)用主耍是作為輔助 功能

49、使用的，針對(duì)不同的生產(chǎn)廠家規(guī)劃不同的典型零件庫。雖然典型零件庫在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上存在著很多的聲端，但它的存在是對(duì)非典型零件的有益的和必耍 的補(bǔ)充，對(duì)于一些廠家來說，對(duì)以在很大程度上降低示教幾何特征的占機(jī)時(shí)間以及提高檢測(cè)路徑規(guī)劃 的有效性和可靠性，對(duì)于生產(chǎn)自動(dòng)化來說，也是必不可少的組成部分。非典型零件：常用零件種類繁多，而且各類零件參數(shù)關(guān)系不一樣，某些零件參數(shù)較為復(fù)雜沒有明 顯的規(guī)律可尋，所以很難定義一個(gè)通用的模型，而且以上介紹的典型零件所存在的設(shè)計(jì)和應(yīng)用上的種 種弊端。針對(duì)上述問題，在此利用了一個(gè)通用的零件模型，即基于特征的零件模型。通過特征零件模 型對(duì)示教的基本幾何特征元素進(jìn)行存儲(chǔ)，然后對(duì)其數(shù)據(jù)

50、進(jìn)行處理，通過基本幾何特征的位置分析、軌 跡規(guī)劃，得到其檢測(cè)宏程序?；編缀翁卣髟刂饕ㄖ愋畔?、孔類信息、臺(tái)類信息、槽類信息、圓弧類信息、角類信息 和曲面類信息，系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集部分將各個(gè)幾何特征的位置示教信息采集并存儲(chǔ)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理，其詳細(xì)處理過程見下一章。§3-2幾何信息的特征表達(dá)方式3.2.1基于特征的零件信息描述方法零件信息模型所采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)合理與否決定著示教信息的分類方式,關(guān)系到系統(tǒng)的運(yùn)行效率和性 能是否優(yōu)劣，同時(shí)，進(jìn)而影響示教的效率。所以一個(gè)完整的、可行的零件定義模型不僅應(yīng)能完整的表達(dá) 零件的兒何信息，還應(yīng)在結(jié)構(gòu)上反映這些信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。零件的幾何與工藝

51、信息的描述是國內(nèi)外專家學(xué)者長期關(guān)注的對(duì)象，推出了許多信息描述的新方法， 常見的信息描述方法主要有：零件分類編碼描述法。這種描述方法適合于對(duì)零件按其結(jié)構(gòu)工藝性進(jìn)行大的分類，但對(duì)零件的具體 形狀、尺寸及精度等無法準(zhǔn)確描述。語言描述法。采用類似自然語言的方法描述零件形狀、尺寸等幾何與工藝信息，但比較麻煩且不易 表達(dá)清楚。體素描述法。這種方法對(duì)描述回轉(zhuǎn)體零件較為實(shí)用，零件信息表達(dá)充分，但花費(fèi)時(shí)間長，編碼繁瑣， 對(duì)非回轉(zhuǎn)體零件的特征描述比較困難。cad直接獲取法。它是從cad系統(tǒng)屮直接獲取兒何、工藝的信息，其結(jié)果本身很少考慮材料、加 工精度等著類加工工藝信息，目前還是一種理想的方式。零件信息描述的這些方

52、法，都有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，但是也存在看各自的不足，如何能準(zhǔn)確有效地 將零件的兒何信息、工藝信息描述出來，能讓計(jì)算機(jī)有效的接受處理，生成標(biāo)準(zhǔn)的加工、檢測(cè)程序，這 正是近年來從事cad/cam集成技術(shù)與在線檢測(cè)的專家學(xué)者們不斷探索的目標(biāo)習(xí)。目前，在cad及其它的一些系統(tǒng)中，注重于零件的點(diǎn)、線、而等兒何信息，這種表達(dá)方式，通常 著眼于繪制圖形，與基于示教的在線檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方式及完成的功能不能很好的相附和。為了完 整的定義機(jī)械產(chǎn)品零件，方便的方法是把零件的結(jié)構(gòu)和工藝信息按它們的性質(zhì)分成一些信息的集合，這 些信息的集合就是特征。因?yàn)閷?duì)于加工人員來說，所關(guān)心的是零件上待檢測(cè)表面的信息，由此提出了以

53、特征為基礎(chǔ)的特征造型的基本設(shè)計(jì)方法。特征在不同的生產(chǎn)領(lǐng)域和具體應(yīng)用屮有不同的意義和表現(xiàn)形 式，從加工工藝方而來說，特征不僅包括基本體素的幾何信息，而且包含有體素的加工工藝信息，女口， 粗噪度、形位公差、定位尺寸公差等等。自80年代以來，基于特征的設(shè)計(jì)方法己被廣泛接受，同時(shí)也提出了不少特征的定義，最初的特征 定義僅包含了幾何意義，即主要是它的幾何形狀，但實(shí)際上特征應(yīng)該包含更多、更廣泛的含義和信息。 由于特征源于設(shè)計(jì)、分析和制造等生產(chǎn)過程的不同階段，因此對(duì)特征的認(rèn)識(shí)也不盡相同，至今尚無統(tǒng)一 的特征定義，目前，較為通用的是1992年brown所下的定義佝。特征就是任何己被接受的某一個(gè)對(duì) 象的幾何、功

54、能元素和屬性，通過他們，我們可以更好的理解該對(duì)象的功能、行為和操作。更為嚴(yán)格的 講，特征就是一個(gè)包含工程含義或意義的兒何原型外形。特征在此已不是普通的體素，而是一種封裝了 各種屬性（attribute）和功能（function）的要素。隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)的建立和發(fā)展，尤其是封裝和繼承 的概念的產(chǎn)生，解決了可擴(kuò)充性和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得特征可以只包含所需得信息，需要時(shí)可通過 繼承來添加所需要的信息。基于特征的零件信息描述方法不是按傳統(tǒng)的“純”幾何體素（如塊、體、圓柱體等）來描述零件，而是根 據(jù)零件的幾何特征（如孔、槽、相交平面等）或是加工檢測(cè)工藝特征（如平面和的加工檢測(cè)等）來描述零 件，不僅含有

55、零件的結(jié)構(gòu)和兒何信息，同時(shí)也含有制造信息hl。所以在cad/cam中，特征定義為一種參 數(shù)化的形狀單元，它具有幾何屬性和制造知識(shí)二方面的信息，它不是一個(gè)單純的幾何實(shí)體，而且有別于傳統(tǒng)造型中的體素，也有別于工藝過程中的型面，它是設(shè)計(jì)中的體素概念與制造加工中的 型面概念的綜合反映47】。在本系統(tǒng)屮特征定義為：特征：=幾何屬性幾何：二形狀名基本尺寸坐標(biāo)信息屬性：=尺寸精度幾何公差2?由上述可知，基于特征的零件信息描述模型是具有集成幾何和屬性信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是和在線檢 測(cè)相適應(yīng)的，具有以下的主要特點(diǎn)引：特征具有封閉性：特征是在設(shè)計(jì)、加工、裝配過程中進(jìn)行推理所需的關(guān)于零件形狀和其他屬性的信 息集合。我們

56、提到某一特征或某一類特征，是指特定的信息內(nèi)容。比如圓孔，它就是指用中心線、氏度、 直徑來表達(dá)的一個(gè)空的圓柱，從而使z與槽等其他特征區(qū)別開來。特征具有層次性：雖然孔與槽之間有明顯的界限，但是孔與螺紋孔之間有看聯(lián)系，可以說螺紋孔是 孔的派生。從此可知特征具有層次性。3.2.2幾何特征的分類及關(guān)系基于特征的基本思想認(rèn)為零件是rh完成某項(xiàng)功能，并且與具體加工檢測(cè)方法相聯(lián)系的形面等幾何特 征所構(gòu)成的。從圖形學(xué)的角度看，任何一個(gè)機(jī)械零件的圖形可以看成是由若干個(gè)基本幾何形體構(gòu)成 的組合體；從加工制造的角度看，零件的機(jī)械加工過程可以看作是對(duì)零件各組成的基本幾何形狀表血進(jìn) 行逐個(gè)加工的組合；同樣從檢測(cè)的角度來看

57、，零件的檢測(cè)過程可以看作對(duì)零件各組成的基本幾何形狀表 面的兒何要素位置進(jìn)行檢測(cè)的組合。由此可以看出，基本兒何形體是三者均能識(shí)別ii共享的要素，而這 些基本幾何形體便可稱為形狀特征。在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造過程屮涉及的形狀特征是很多的，為建立 有效的基于特征的零件定義，人們需要從眾多的形狀特征中選擇合適的形狀特征，若把形狀特征按它們 的形狀特點(diǎn)進(jìn)行分類，將為設(shè)計(jì)者、加工檢測(cè)操作者合理規(guī)范的選擇它們提供簡捷的路徑。由以上可知，形狀特征是一組與零件形狀相關(guān)的有意義的信息集合，不同的形狀特征對(duì)于構(gòu)成零件 的形狀、滿足零件的功能要求或制造要求所起的作用是不同的。根據(jù)其對(duì)功能要求和制造要求所起作用 的不同，

58、將形狀特征分為主形狀特征類和輔形狀特征類。圖3.1表明了形狀特征的具體分類：形狀特征主特征輔特征圓柱體 圓錐體 長方體 宏特征孑lffi盤圓孔 錐孔 階梯孔v型槽圖3.1形狀特征信息描述28)fig 3.1 the frame of shape features主形狀特征：用來構(gòu)造零件的基本兒何形狀，主要指圓柱體、圓錐體、長方體等簡單的基本兒何 形狀，還包括較復(fù)雜的宏特征。宏特征的定義可以簡化建模過程，避免各個(gè)外表面特征的分別描述，并且能反映出零件的整體結(jié) 構(gòu)、設(shè)計(jì)功能和檢測(cè)制造工藝。宏特征指具有相對(duì)固定的機(jī)構(gòu)形狀和加工方法的形狀特征，其兒何形 狀往往比較復(fù)雜，而又不便于進(jìn)一步細(xì)分為其他形狀特征的特征組合。如盤蓋類零件，基本上都是由 宏特征及附加在其上的輔助形狀特征（如孔、槽等）組合而成的。有些零件本身（如軸承端蓋）由一 個(gè)宏特征構(gòu)成。輔助形狀