數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)的開發(fā)與應用
2019-10-14 來源：甘肅機電職業(yè)學院 甘肅農(nóng)業(yè)大學技術(shù)處 作者：毛文亮 楊小平
摘 要：以 Unigraphics NX 10.0 軟件為開發(fā)平臺，應用 UG/Open GRIP 和 UG/Open Menu Script 二次開發(fā)工具，對 MATLAB 2016 和 VERICUT 8.0 軟件在 Unigraphics 平臺下進行了集成，開發(fā)了數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)。 為驗證這一系統(tǒng)的有效性，對在線檢測數(shù)據(jù)與三坐標測量機檢測數(shù)據(jù)進行了對比，結(jié)果顯示，兩者最大誤差僅為 0.05 mm。 數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)的開發(fā)，為精密復雜零件的高效數(shù)控加工與表面質(zhì)量信息的獲取提供了技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞：機床 在線檢測 軟件 應用
隨著現(xiàn)代制造業(yè)智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，精密復雜零件“設(shè)計－加工－測量－補償加工”一體化制造成為了趨勢。近年來，國內(nèi)外學者對此進行了深入研究。 Mou 等［1］開發(fā)了一種基于計算機輔助設(shè)計 CAD/CAM/CAI 的在機檢測系統(tǒng)。 Kramer 等［2］對基于零件表面特征的檢測系統(tǒng)進行了研究。 Yoon 等［3］對基于 PC-NC （Personal Computer based Numerical Control） 的 在機檢測系統(tǒng)進行了研究。 Kim 等［4］研發(fā)了一款將檢測路徑用 G 代碼格式傳送給數(shù)控機床的在機檢測系統(tǒng)。孫志海［5］介紹了基于 CAD 的加工中心在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計。 辛娜［6］研究了加工中心在線檢測編程技術(shù)。 陳歡等［7］開發(fā)了基本體在線檢測宏程序。陳明娟［8］研究了基本體在線檢測路徑。總之，國外的在線檢測系統(tǒng)技術(shù)相對成熟，價格非常昂貴。國內(nèi)的在線檢測系統(tǒng)檢測功能相對比較單一， 無法對復雜零件進行全面精確測量。 因此，開發(fā)一套功能全面、價格低廉的數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)，對精密復雜零件 “加工－檢測－補償加工”一體化制造具有重要意義。
1 、數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)組成及原理
數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)主要由測頭、數(shù)控機床、信號接收裝置和計算機組成。在線檢測時，在檢測系統(tǒng)中導入零件 CAD 模型，選取檢測點，生成檢測程序，進行仿真校驗。仿真校驗無誤后，計算機通過數(shù)控機床通信接口將檢測程序傳送給數(shù)控機床，數(shù)控機床驅(qū)動測頭按檢測路徑運動，當測頭接觸到零件后， 發(fā)出觸發(fā)信號，信號被接收裝置接收，并傳給轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器把信號處理后傳給數(shù)控機床控制系統(tǒng)，機床停止運動，測點坐標被保存下來。
然后進行下一點測量，等所有點測量完畢，測點坐標通過通信接口傳輸給計算機，計算機對檢測數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理，生成檢測報告。數(shù)控加工在線檢測原理如圖 1 所示。
2 、數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)開發(fā)
筆者開發(fā)的數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)是以配置FANUC 0i MC 數(shù)控系統(tǒng)的加工中心為執(zhí)行設(shè)備 ， 以UG NX10.0 三 維制圖軟件為平臺 ， 借 助 UG/OpenGRIP、 UG/Open Menu Scr［9］等 UG 二次開發(fā)工具，將矩陣工廠數(shù)學軟件 MATLAB 2016 和數(shù)控加工仿真系統(tǒng) VERICUT 8.0 集成于 UG 操作環(huán)境下， 進行在線檢測的一款數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)。
這一在線檢測系統(tǒng)具有檢測模型測點選取、檢測程序生成、檢測仿真、加工中心串口通信、 檢測誤差補償計算及數(shù)據(jù)處理等功能。 主要由 UG、MATLAB 和 VERICUT 三大模塊組成。
2.1 檢測點信息提取
檢測點信息是檢測系統(tǒng)獲取檢測零件表面數(shù)據(jù)信息的主要依據(jù)。主要指曲面檢測點的三維坐標、檢測點相對于檢測曲面的法向矢量、 檢測點相對于檢測曲面的切向矢量等［10］。 數(shù)控機床在線檢測時，首先要對檢測曲面檢測點的數(shù)據(jù)信息進行提取，為實現(xiàn)上述功能，在二次開發(fā)中， 筆者用 UG/Open GRIP 以 NURBS 曲面在 U、V 兩個方向的節(jié)點矢量， 均勻劃分采樣網(wǎng)格，設(shè)步長，生成節(jié)點，以節(jié)點作為曲面檢測點。 檢測點確定后，定義 surf 為曲面變量，pt（200）為測點變量，fxl（3）為檢測點相對檢測曲面的法向矢量 ，qxlu （3） 為檢測點相對檢測曲面的 U 向切向矢量，qxlv（3）為檢測點相對于檢測曲面的 V 向切向矢量。 編寫檢測點信息讀取程序，調(diào)用函數(shù) IDENT，選取檢測曲面和檢測點，保存變量，用 FETCH 和 READ 命令讀取檢測點三維坐標。調(diào)用函數(shù) SPARF，取檢測點 U、V 參數(shù)值。調(diào)用函數(shù) SNORF， 求取檢測點相對于檢測曲面的法向矢量。調(diào)用函數(shù) SDDUF， 求取檢測曲面在 U 向的切向矢量。調(diào)用函數(shù) SDDVF， 求取檢測曲面在 V 向的切向矢量。調(diào)用函數(shù) IF、JUMP 循環(huán)語句，重復上述操作，待檢測曲面所有檢測點的三維坐標、法向矢量、切向矢量信息獲取后，用 PRINT 語句以 *.txt 格式輸出到列表，
檢測曲面檢測點數(shù)據(jù)信息提取完畢。
2.2 檢測路徑規(guī)劃及 NC 代碼的生成
曲面檢測點數(shù)據(jù)信息提取后， 利用軟件 MATLAB2016 讀取檢測點信息 ，按照測頭沿檢測點法向矢量檢測的原則、規(guī)劃三軸聯(lián)動加工中心在線檢測路徑。在線檢測路徑規(guī)劃完成后， 根據(jù)建立的三軸聯(lián)動加工中心運動模型，編制后置處理程序，生成 NC 檢測代碼，并把 NC 檢測代碼傳輸給加工中心，加工中心驅(qū)動測頭按照規(guī)劃的檢測路徑運動， 就可以實現(xiàn)加工中心對零件的在線檢測。 為實現(xiàn)上述功能，在二次開發(fā)中，筆者對編制的 MATLAB 2016 源程序進行了打包處理，并以 *.dll 的文件格式進行了保存。
在 UG10.0 環(huán)境下，通過 UG/Open Menu Script 開放的端口函數(shù)， 用 *.men文件對編制的 MATLAB 2016 源程序 *.dll 文件進行了調(diào)用，使 MATLAB 2016 與 UG10.0 在程序調(diào)用和數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換間實現(xiàn)了對接［11］。
2.3 檢測仿真
為避免干涉， 在線檢測前需要調(diào)用 VERICUT8.0對檢測路徑進行仿真。為實現(xiàn)上述功能，通過新建系統(tǒng)環(huán)境變量， 增設(shè) VERICUT8.0 程序運行圖標， 實現(xiàn)了UG10.0 與VIRECUT8.0 的無縫連接 。 具體操作過程為：在電腦屬性中打開系統(tǒng)屬性對話框，選擇高級，新建 系 統(tǒng) 變 量 CGTECH_INSTALL， 輸 入 變 量 值 D：\Program Files\vericut 8.0\VERICUT， 點擊確定 ； 新建系統(tǒng)變量 CGTECH_PRODUCTS，輸入變量值 D：\ProgramFiles\vericut 8.0\VERICUT\windows64， 點擊確定 ； 新建系統(tǒng)變量 LSERVOPTS， 輸 入 變 量 值 -s "C\ProgramData\CGTech\license\cgtech.lf"，點擊確定 ； 新建系統(tǒng)變量 LSHOST， 輸入變量值 GYZX6-PC， 點擊確定； 新建變量UGII_VENDOR_DIR， 輸入變量值 D：\Program Files\vericut8.0\VERICUT\windows64\nx\NX10\english，點擊確定。 通過新建上述系統(tǒng)變量，并賦值，就使 UG10.0 與VIRECUT8.0 實現(xiàn)了對接。新建系統(tǒng)環(huán)境變量如圖 2 所示。
具體使用時，打開 UG10.0 進入加工環(huán) 境 ， 在工具條上單擊 VERICUT8.0 圖標 ， 進 入VERICUT8.0 界面 ， 就可以對檢測路徑進行仿真 、 優(yōu)化。
3 、試驗驗證
為驗證基于 UG NX 10.0 二次開發(fā)的數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)的可行性和有效性， 筆者在三軸數(shù)控機床上進行了試驗驗證。 具體過程為，在 UG NX 10.0 中創(chuàng)建檢測零件 CAD 模型，用 UG/Open GRIP 選取檢測曲面，確定檢測點，調(diào)用相應函數(shù)，提取檢測點坐標矢量信息，并保存。 檢測零件曲面測點分布如圖 3 所示。 檢測 點 信 息 提 取 后 ， 在 UG10.0 環(huán) 境 下 調(diào) 用 MATLAB2016 軟件，讀取檢測點三維坐標 、法向矢量、切向矢量信息，自動規(guī)劃檢測路徑，路徑規(guī)劃好后，設(shè)置測頭半徑、進給率、定位距離，后置處理程序生成在線檢測 NC代碼，保存到指定文件夾路徑位置。
在 UG NX 10.0 環(huán)境下啟動軟件 VERICUT8.0， 根據(jù)加工中心和檢測零件模型，讀取在線檢測 NC 代碼，在線檢測過程進行仿真， 仿真無誤后， 將在線檢測 NC 代碼導入加工中心，加工中心驅(qū)動測頭對零件進行在線檢測，加工中心接收到的檢測程序如圖 4 所示。
試驗中， 筆者對檢測零件曲面上五個測點的在線檢測數(shù)據(jù)與三坐標測量機檢測數(shù)據(jù)進行了對比， 結(jié)果顯示，基于 UG NX 10.0 二次開發(fā)的數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)與三坐標測量機檢測數(shù)據(jù)的最大誤差為0.05 mm。 考慮到檢測零件二次裝夾定位中產(chǎn)生的測量系統(tǒng)誤差的存在，筆者認為基于 UG NX 10.0 二次開發(fā)的數(shù)控機床在線檢測系統(tǒng)是可行有效的。
曲面零件在線檢測如圖 5 所示， 曲面零件三坐標測量機檢測如圖6 所示， 曲面零件五個測點的在線檢測數(shù)據(jù)與三坐標測量機檢測數(shù)據(jù)的比較見表 1。
4 、結(jié)束語
通 過 UG/Open GRIP、UG/Open Menu Script 等UG 二 次 開 發(fā) 工 具 ， 將 軟 件 MATLAB 2016 和VERICUT8.0 與 UG NX 10.0 軟件進行了有效集成 ，在UG NX 10.0 環(huán)境下，通過 MATLAB 2016、VERICUT8.0與 UG NX 10.0 之間的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了加工中心對加工零件的在線檢測， 有效提高了精密復雜零件數(shù)控加工質(zhì)量和效率，也為精密復雜零件“加工－檢測－補償加工”一體化制造提供了參考依據(jù)。
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