曲面数控加工在线检测系统WHUT-OMIS
武汉理工大学机电工程学院  陈满意

摘要：曲面零件数控加工在线检测技术已成为趋势。开发了一套曲面数控加工在线检测软件WHUT-OMIS。软件功能包括曲面零件的可视化、曲面造型、测点采样规划、曲面匹配等。用实例对系统进行了验证。
关键词：在线检测，曲面，测点采样，曲面匹配

1、引言
随着数控技术的发展，型面零件己经基本实现了自动化加工。但型面加工质量检测技术却严重滞后于加工技术。型面数控加工完成后要么不经检测直接进入下道工序，要么采用传统的样板检测方法。不仅检测效率低，精度也难以保证。采用三座标测量机虽然检测精度和效率比较高，但存在如下缺点：(1)三坐标测量机设备成本高；(2)工作环境要求严苛；(3)工件必须离线检测，而且受检零件的尺寸也有限,仅限于中小型零件。故三坐标测量机目前还难以应用于车间级型面加工的质量控制。
在数控加工设备上对被加工工件进行在线检测是提高自动化加工水平和保证工件加工精度的有效方法之一，并且可以大大减少测量成本，缩短产品生产周期。在数控机床上配置在线检测系统逐步成为数控加工的趋势，其应用日益广泛。在线检测系统利用数控机床本身的运动执行机构，将测头安装在机床运动执行机构上，构成简易测量装置，不仅投资少、见效快，还扩大了机床的使用范围。相较而言在线检测系统具有如下优点：（1）零件加工后无需卸下工件，省去二次装夹，可缩短检测时间；（2）可以通过在线检测方式获取加工误差情况，及时调整加工方案，很好地控制产品的加工精度；（3）可通过调整工件坐标系，使工件余量均匀分布，特别对于大型工件加工找正定位具有重要意义。
该项技术可以广泛应用于汽车、模具、飞机、造船等具有复杂型面零件的制造业领域。

2、系统结构
硬件：数控机床、工件、触发式测头系统、上位机(PC)等；
软件：曲面在线检测系统测量软件WHUT-OMIS。
测量软件是整个系统的核心。在Visual C++6.0及OpenGL环境下，采用基于单文档的Windows应用程序框架，实现了整个测量软件的开发。其主要功能包括：零件的可视化、待测区域的特征提取及造型、测点规划、检测代码生成、串口通信、曲面加工误差评定等。基本上可以满足一个在线检测系统对于上位机控制软件的需求。其中工具栏部分，主要负责零件模型文件读取、零件的旋转、平移、缩放、视图换向、等功能，视图区域通过窗口分割技术，分为两个区域：左侧是测量功能区，控制整个测量过程，从上至下的操作流程简单明了，检测过程无需较多的人工干预。右侧是对测量功能区各操作的一个可视化环境，能清楚的看到操作的结果，较好地实现了人机交互的功能。在程序主窗口的右下角，则是屏幕坐标及时间显示区域。

3、软件功能
1 模具型面造型及三维显示
我们将零件表面分为两种情形：规则表面（非待测曲面）与复杂曲面（待测曲面）。前者在实际测量时不是我们关注的重点，由其他通用检具进行处理，我们采用STL格式的三维零件模型进行处理；对于复杂曲面，STL格式并不能实现精确描述，因此需对待检曲面区域进行提取并数字化。因此本研究运用基于NURBS的造型技术，对该区域进行造型并显示，以精确表达待测区域。
2 测点生成、编辑及路径规划
针对单一的采样方案往往会出现适应性差的问题，提出一种基于形状特征的自由曲面采样策略。首先根据微分几何分析零件的形状特征信息，包括曲率特征及曲面片特征，由二者判断采用何种采样方式进行采样，可充分发挥各采样算法的优越性。
3 测量NC程序的自动生成
 数控代码的生成即把规划好的检测路径翻译为数控机床能识别的G代码的过程。该G代码驱动坐标轴的运动，并在测头触发时，将测头球心的坐标存入机床相应内存中。主要用到的指令是：高速跳步指令、外部输出宏指令。
4 通讯功能。
上位机与CNC之间的数据传输纽带是基于RS232通信标准的一套信息传输标准。完成主程序与被调用宏程序的发送及测量点坐标信息的接收。即主要负责把上位机翻译的测量NC代码传输到CNC中。同时，在线监控数控机床的动作，当#5061～#5064中的信息有变化时，则将该存储信息保存到上位机中。
5 型面数控加工质量评定
测量数据与CAD模型的最佳匹配是测量数据处理的一个重要环节，在工件毛坯余量均化和曲面加工质量评定过程中有重要意义。某些重型或找正定位困难的工件往往需要花费大量的时间进行找正定位，此时采用最佳曲面匹配算法替代难度很高的人工找正则可大大提高效率及减少成本；对于自由曲面的轮廓度误差评定，实现测量坐标系与理论坐标系的精确匹配，测量数据与相应CAD模型的匹配是关键步骤。
6 检测结果输出
检测数据处理后的测量结果以一定的格式显示打印，形成检测报告。

4、应用实例
硬件系统包括：
OTM700型立式数控铣床，数控系统为FANUC 0i-MC；
TP6L-Z20触发式测头系统。
软件系统：曲面数控加工在线检测系统WHUT-OMIS。
 
  在线检测系统试验装置如图4所示。硬件连接好后，需对机床进行相关系统参数设置。参数包括与高速跳转有关的参数及与串口通信的参数设置，使机床便具有测量与通信功能。
虽然在线检测的不确定度与CMM相比有一定的差距，但基本上能控制在±0.01mm范围内。影响曲面在线检测不确定度的因素很多，譬如曲面加工误差、机床定位精度、测头等因素。关于曲面在线检测的不确定度传播是一个复杂的问题，这个问题的分析与解决是曲面在线检测领域尚待研究的主要工作。