虛擬測(cè)量技術(shù)在質(zhì)量在線檢測(cè)中的應(yīng)用

1、虛擬測(cè)量技術(shù)在質(zhì)量在線檢測(cè)中的應(yīng)用1 概述    隨著對(duì)現(xiàn)在制造技術(shù)對(duì)質(zhì)量控制要求的提高，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)作為一種高精度，高自動(dòng)化，大測(cè)量范圍的測(cè)量?jī)x器，開(kāi)始被用于完成質(zhì)量控制中的在線檢測(cè)(on-line Inspection)任務(wù)。例如圖1所示的是在DANA traction technologies Europe公司的生產(chǎn)線上，用于在線檢測(cè)的Carl Zeiss CenterMax三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)用于測(cè)量每個(gè)變速箱殼體的關(guān)鍵配合尺寸，保證殼體的兩部分能夠密封。這條生產(chǎn)線每周生產(chǎn)5000對(duì)變速箱殼體，即每小時(shí)生產(chǎn)超過(guò)120個(gè)殼體。三坐標(biāo)儀器在生產(chǎn)

2、線上能夠充分發(fā)揮其高效率。高自動(dòng)化的特點(diǎn)。但是，由于傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量準(zhǔn)備時(shí)間需要數(shù)小時(shí)，極大地影響了生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，因此，國(guó)外各個(gè)公司開(kāi)發(fā)了多種虛擬測(cè)量技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。圖1 在DANA公司生產(chǎn)線上的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)2 在線檢測(cè)對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的要求    三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種高精度，高自動(dòng)化的測(cè)量?jī)x器。其精度達(dá)到微米級(jí)，配合計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，它能夠自動(dòng)地完成許多復(fù)雜地高精度測(cè)量任務(wù)?；竟ぷ髟硎牵簩⒈粶y(cè)零件放入三坐標(biāo)的測(cè)量空間內(nèi)，通過(guò)測(cè)頭的檢測(cè)，獲得一系列與被測(cè)幾何元素有直接關(guān)系的測(cè)頭控制點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)這些空間點(diǎn)的坐標(biāo)值，通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算求出被測(cè)元素的幾何尺寸、相

3、互問(wèn)的位置尺寸以及存在的尺寸誤差與形位誤差。從三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)本身的性能特點(diǎn)方面來(lái)講，它的確是一種高精度、高效率的測(cè)量工具，但是要充分發(fā)揮這些特點(diǎn)，還需要將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)放到一定的數(shù)字化檢測(cè)環(huán)境中，組成計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)系統(tǒng)(CAT-Computer Aided Test)，并由此形成了以CMM為核心的計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量系統(tǒng)(CAQ-Computer Aided Quality system)。這套系統(tǒng)有助于企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率，對(duì)現(xiàn)代生產(chǎn)型企業(yè)具有重要意義。    隨著加工精度的提高，對(duì)于一些高精度的零件，傳統(tǒng)的在線檢測(cè)工具精度不能滿足要求，只能將工件送到測(cè)量室進(jìn)行離線

4、測(cè)量。在線撿測(cè)對(duì)CMM也提出了新的要求。傳統(tǒng)CMM主要的工作環(huán)境是測(cè)量實(shí)臉室，溫度恒定，時(shí)間充裕，CMM操作員有足夠的時(shí)間和資源來(lái)進(jìn)行編程和測(cè)量。然而，將CMM加入生產(chǎn)線用于在線測(cè)量，對(duì)CMM高速測(cè)量和耐環(huán)境性的要求將急劇提高。    高速性：主要體現(xiàn)在測(cè)量機(jī)驅(qū)動(dòng)的高速性以及測(cè)頭掃描高速性。例如：Carl Zeiss PRISMO navigator測(cè)量機(jī)在確保高精度的前提條件下，其單軸(X，Y，Z軸)的最大運(yùn)動(dòng)速度能夠達(dá)到300mm/s，這為高速測(cè)量提供了前提條件。測(cè)量速度另外一個(gè)重要的影響因素是測(cè)頭的掃描速度，因?yàn)樵趻呙韫r下，測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)路徑比較長(zhǎng)，是整個(gè)測(cè)量

5、任務(wù)中最耗時(shí)的部分，如果能夠提高掃描速度，就可以明顯縮減整個(gè)測(cè)量任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間。Renishaw公司最新推出的REVO測(cè)頭，能夠進(jìn)行500mm/s的超高速掃描測(cè)量，使得整個(gè)測(cè)量時(shí)間顯著減少，適合用于大體積，高精度的零部件在線測(cè)量，例如變速箱殼體等。    耐環(huán)境性：由于生產(chǎn)車(chē)間的環(huán)境比較惡劣，對(duì)CMM的耐環(huán)境性提出了更高的要求，最大的挑戰(zhàn)是溫度。傳統(tǒng)CMM的適用溫度范圍較小，一般為20°C±2°C，但是最新的Carl Zeiss PRISMO navigator測(cè)量機(jī)的測(cè)量范圍被擴(kuò)大到15°C-3Q°C，完全能夠在

6、車(chē)間環(huán)境下進(jìn)行高精度的測(cè)量。    目前在線檢測(cè)中的CMM應(yīng)用面臨的主要問(wèn)題是，傳統(tǒng)測(cè)量編程時(shí)間長(zhǎng)，即測(cè)量準(zhǔn)備時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，而且必須上機(jī)調(diào)試，必須暫停生產(chǎn)線的生產(chǎn)，進(jìn)行編程和調(diào)試。這必定使得產(chǎn)量下降，生產(chǎn)效率降低。下文所提到的虛擬測(cè)量技術(shù)，將是解決這個(gè)問(wèn)題的最佳辦法。圖2 用于在線檢測(cè)的CMM3 虛擬測(cè)量技術(shù)    虛擬三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，它是建立在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)之上，以個(gè)人計(jì)算機(jī)或工作站為母體，以軟件為主的一個(gè)機(jī)器空間。虛擬測(cè)量就是把三坐標(biāo)側(cè)量機(jī)、測(cè)頭和零件的三維實(shí)體模型放到計(jì)算機(jī)的圖形環(huán)境中，通過(guò)虛擬

7、測(cè)頭的移動(dòng)和觸測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)環(huán)境下坐標(biāo)側(cè)量機(jī)的零件測(cè)量過(guò)程的仿真。與真實(shí)環(huán)境下坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的零件測(cè)量不同，它產(chǎn)生的測(cè)量結(jié)果并不是零件的實(shí)際尺寸及誤差是否滿足要求，而是產(chǎn)生特定被測(cè)零件的測(cè)聳程序和測(cè)量方案。因此，它是一種圖形環(huán)境下的基于零件CAD三維模型的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的離線編程。圖3虛擬測(cè)量的工作流程3.1 數(shù)模離線編程(offline programming)    以往的測(cè)量軟件具有兩種編程方式：自學(xué)習(xí)聯(lián)機(jī)編程和脫機(jī)代碼編程.自學(xué)習(xí)聯(lián)機(jī)編程需要在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下在實(shí)際工件上完成：代碼編程雖然可以脫機(jī)進(jìn)行，但程序中可能存在的邏輯錯(cuò)誤則只有在實(shí)際側(cè)量時(shí)才能發(fā)現(xiàn)。測(cè)頭的配置差異

8、和路徑編程錯(cuò)誤會(huì)造成嚴(yán)重的事故。基于CAD數(shù)模編程大大提高了零件編程技術(shù)，它的極大優(yōu)勢(shì)是可以作仿真模擬，既可檢查測(cè)頭干涉，也驗(yàn)證了程序邏輯和測(cè)量流程的正確性。因?yàn)椴恍枰?lián)機(jī)和實(shí)際工件，極大的提高測(cè)量機(jī)的使用效率或有效利用時(shí)間。另外，編程中需要的理論數(shù)值，也將從數(shù)模上直接自動(dòng)得到，在提高效率的同時(shí)也避免了數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤的發(fā)生。    以數(shù)模離線編程為基礎(chǔ)的虛擬測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，不但能夠大大縮短上文中提到的側(cè)量準(zhǔn)備時(shí)間，還能夠?qū)⒃诰€測(cè)量以及質(zhì)量控制體系都將提高一個(gè)新的高度。4 基于虛擬測(cè)量技術(shù)的產(chǎn)品質(zhì)量保障體系    圖4是一套包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、

9、制造、在線檢測(cè)以及生產(chǎn)質(zhì)量控制的質(zhì)量保障體系。通過(guò)引入虛擬測(cè)量，能夠?qū)|(zhì)量在線檢測(cè)帶來(lái)如下的好處：圖4 虛擬空間下的測(cè)頭和工件將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)使用于在線檢測(cè)中，主要的問(wèn)題在于測(cè)量的準(zhǔn)備調(diào)試時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。通過(guò)虛擬測(cè)量技術(shù)的引入，能夠減少測(cè)量準(zhǔn)備時(shí)間，提高測(cè)量安全性以及優(yōu)化測(cè)量路徑。同時(shí)虛擬測(cè)量技術(shù)作為虛擬制造技術(shù)的一個(gè)組成部分，使得在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就能夠?qū)y(cè)量和質(zhì)量控制進(jìn)行規(guī)劃，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平。4.1 減少準(zhǔn)備時(shí)間，提高生產(chǎn)線效率    傳統(tǒng)的編程方式是在線編程(on-line programming)，將工件連同夾具置于CMM的測(cè)量空間內(nèi)，由

10、操作員根據(jù)工件放置的位置和現(xiàn)有探頭的組合，手動(dòng)進(jìn)行編程以及調(diào)試.這種方法可靠，但是準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于生產(chǎn)線上用于在線檢測(cè)的CMM,則必須暫停生產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行編程和調(diào)試。與之相比，使用虛擬測(cè)量技術(shù)，可以在虛擬的軟件環(huán)境下完成測(cè)頭組合，坐標(biāo)系定義，測(cè)量特征，測(cè)量路徑優(yōu)化和模擬等等測(cè)量步驟，即在離線狀態(tài)下編制整個(gè)測(cè)量程序，不用影響生產(chǎn)線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，僅僅需要幾分鐘時(shí)間用于程序的輸入和試運(yùn)行，從而達(dá)到縮短測(cè)量準(zhǔn)備時(shí)間的目的。圖5 基于虛擬測(cè)量技術(shù)的質(zhì)量保障體系4.2 防止事故和操作失誤，提高測(cè)量安全性    傳統(tǒng)的代碼離線編程，需要操作員手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)測(cè)試流程或者測(cè)

11、頭的參數(shù)錯(cuò)誤，很可能造成嚴(yán)重的事故。因此，對(duì)于傳統(tǒng)代碼離線編程，仍然需要終止生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行測(cè)量程序調(diào)試。但是，通過(guò)在虛擬測(cè)量機(jī)的三維模擬環(huán)境下基于數(shù)模進(jìn)行離線編程，可以直觀的看到測(cè)頭的運(yùn)行路徑和速度，由于工件的CAD模型已知，軟件能夠在編程中自動(dòng)計(jì)算是否發(fā)生測(cè)頭和工件的碰撞，或者路徑的干涉或者超出測(cè)量范圍等等信息。因此虛擬測(cè)量技術(shù)的使用，非常有利于測(cè)量速度的提高。4.3 優(yōu)化測(cè)量路徑和縮減測(cè)量時(shí)    對(duì)于在線檢測(cè)來(lái)說(shuō)，測(cè)量時(shí)間也是一個(gè)影響生產(chǎn)線效率的重要因素。例如：自動(dòng)變速箱殼體的加工過(guò)程中，通過(guò)加工中心或組合刀具的使用，使得一個(gè)變速箱殼體的加工時(shí)間僅為40秒

12、，這就要求在同一條生產(chǎn)線上的測(cè)量?jī)x器，必須在40秒之內(nèi)，完成重要的幾個(gè)控制尺寸的檢測(cè)。這對(duì)測(cè)量路徑的優(yōu)化提出了較高的要求。在目前情況下，測(cè)量路徑的安排充分依賴于操作員的經(jīng)驗(yàn)。但是，在基于CAD模型的虛擬測(cè)量環(huán)境下，可以借助于計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)規(guī)劃CAIP (Computer Aided Inspection Planning)對(duì)測(cè)頭運(yùn)動(dòng)路徑實(shí)行最優(yōu)化，從而達(dá)到路徑最優(yōu)化，測(cè)量時(shí)間的最小化。5 總結(jié)    虛擬測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，使得縮短在線檢測(cè)CMM的程序編制和調(diào)試時(shí)間成為可能，擺脫了CMM用于生產(chǎn)線的技術(shù)瓶頸，并且在測(cè)量安全性，測(cè)量路徑優(yōu)化等等方面都有所提高，一定程度上

13、擺脫了傳統(tǒng)編程形式對(duì)操作人員經(jīng)驗(yàn)的依賴；此外，虛擬測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，使得虛擬制造技術(shù)更加完善，設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，就能夠完全考慮到產(chǎn)品的測(cè)量過(guò)程和質(zhì)量控制，對(duì)降低測(cè)量成本和提高測(cè)量精度起到積極的作用。        通過(guò)引入虛擬測(cè)量技術(shù)，不僅僅提高了基于在線檢測(cè)質(zhì)量保障系統(tǒng)的檢測(cè)能力和可靠性，還將整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的范疇拓寬到檢測(cè)以及質(zhì)量保障。通常，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程中，CAD/CAM軟件己經(jīng)相當(dāng)成熟，無(wú)論對(duì)簡(jiǎn)單形體的加工還是復(fù)雜曲面的加工，其數(shù)控加工程序可以由軟件自動(dòng)生成。在設(shè)計(jì)時(shí)就能夠考慮到后續(xù)的可加工性，加工時(shí)間，加工步驟等等因素。但是，這還不是制造的全部，還有一部分加工的輔助工作沒(méi)有涉及，主要是大量的檢測(cè)工作。目前，CMM的主要依靠操作員的手動(dòng)編程，即使將自動(dòng)化的CMM運(yùn)用于在線檢測(cè)，也很難解決編程上的隨意性和穩(wěn)定性問(wèn)題。因此，虛擬測(cè)量技術(shù)的成熟，使得在設(shè)計(jì)階段就對(duì)測(cè)量進(jìn)行考慮和優(yōu)化成為可能。通過(guò)虛擬測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，使得設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品開(kāi)放階段，就能夠?qū)罄m(xù)的測(cè)量步驟，測(cè)量夾具，以及測(cè)量