數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用
2019-10-14 來源：甘肅機(jī)電職業(yè)學(xué)院 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)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(tái)，應(yīng)用 UG/Open GRIP 和 UG/Open Menu Script 二次開發(fā)工具，對(duì) MATLAB 2016 和 VERICUT 8.0 軟件在 Unigraphics 平臺(tái)下進(jìn)行了集成，開發(fā)了數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)。 為驗(yàn)證這一系統(tǒng)的有效性，對(duì)在線檢測(cè)數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示，兩者最大誤差僅為 0.05 mm。 數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)，為精密復(fù)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(jī)床 在線檢測(cè) 軟件 應(yīng)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(fù)雜零件“設(shè)計(jì)－加工－測(cè)量－補(bǔ)償加工”一體化制造成為了趨勢(shì)。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究。 Mou 等［1］開發(fā)了一種基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD/CAM/CAI 的在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)。 Kramer 等［2］對(duì)基于零件表面特征的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。 Yoon 等［3］對(duì)基于 PC-NC （Personal Computer based Numerical Control） 的 在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。 Kim 等［4］研發(fā)了一款將檢測(cè)路徑用 G 代碼格式傳送給數(shù)控機(jī)床的在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)。孫志海［5］介紹了基于 CAD 的加工中心在線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 辛娜［6］研究了加工中心在線檢測(cè)編程技術(shù)。 陳歡等［7］開發(fā)了基本體在線檢測(cè)宏程序。陳明娟［8］研究了基本體在線檢測(cè)路徑。總之，國(guó)外的在線檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)相對(duì)成熟，價(jià)格非常昂貴。國(guó)內(nèi)的在線檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)功能相對(duì)比較單一， 無法對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行全面精確測(cè)量。 因此，開發(fā)一套功能全面、價(jià)格低廉的數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)精密復(fù)雜零件 “加工－檢測(cè)－補(bǔ)償加工”一體化制造具有重要意義。
1 、數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)組成及原理
數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)主要由測(cè)頭、數(shù)控機(jī)床、信號(hào)接收裝置和計(jì)算機(jī)組成。在線檢測(cè)時(shí)，在檢測(cè)系統(tǒng)中導(dǎo)入零件 CAD 模型，選取檢測(cè)點(diǎn)，生成檢測(cè)程序，進(jìn)行仿真校驗(yàn)。仿真校驗(yàn)無誤后，計(jì)算機(jī)通過數(shù)控機(jī)床通信接口將檢測(cè)程序傳送給數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)測(cè)頭按檢測(cè)路徑運(yùn)動(dòng)，當(dāng)測(cè)頭接觸到零件后， 發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，信號(hào)被接收裝置接收，并傳給轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器把信號(hào)處理后傳給數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)，機(jī)床停止運(yùn)動(dòng)，測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)被保存下來。
然后進(jìn)行下一點(diǎn)測(cè)量，等所有點(diǎn)測(cè)量完畢，測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)通過通信接口傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理，生成檢測(cè)報(bào)告。數(shù)控加工在線檢測(cè)原理如圖 1 所示。
2 、數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)
筆者開發(fā)的數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)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(tái) ， 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(xué)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(jìn)行在線檢測(cè)的一款數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)。
這一在線檢測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)模型測(cè)點(diǎn)選取、檢測(cè)程序生成、檢測(cè)仿真、加工中心串口通信、 檢測(cè)誤差補(bǔ)償計(jì)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(cè)點(diǎn)信息提取
檢測(cè)點(diǎn)信息是檢測(cè)系統(tǒng)獲取檢測(cè)零件表面數(shù)據(jù)信息的主要依據(jù)。主要指曲面檢測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)、檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)于檢測(cè)曲面的法向矢量、 檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)于檢測(cè)曲面的切向矢量等［10］。 數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)時(shí)，首先要對(duì)檢測(cè)曲面檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行提取，為實(shí)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(gè)方向的節(jié)點(diǎn)矢量， 均勻劃分采樣網(wǎng)格，設(shè)步長(zhǎng)，生成節(jié)點(diǎn)，以節(jié)點(diǎn)作為曲面檢測(cè)點(diǎn)。 檢測(cè)點(diǎn)確定后，定義 surf 為曲面變量，pt（200）為測(cè)點(diǎn)變量，fxl（3）為檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)檢測(cè)曲面的法向矢量 ，qxlu （3） 為檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)檢測(cè)曲面的 U 向切向矢量，qxlv（3）為檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)于檢測(cè)曲面的 V 向切向矢量。 編寫檢測(cè)點(diǎn)信息讀取程序，調(diào)用函數(shù) IDENT，選取檢測(cè)曲面和檢測(cè)點(diǎn)，保存變量，用 FETCH 和 READ 命令讀取檢測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)。調(diào)用函數(shù) SPARF，取檢測(cè)點(diǎn) U、V 參數(shù)值。調(diào)用函數(shù) SNORF， 求取檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)于檢測(cè)曲面的法向矢量。調(diào)用函數(shù) SDDUF， 求取檢測(cè)曲面在 U 向的切向矢量。調(diào)用函數(shù) SDDVF， 求取檢測(cè)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(fù)上述操作，待檢測(cè)曲面所有檢測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)、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(cè)曲面檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息提取完畢。
2.2 檢測(cè)路徑規(guī)劃及 NC 代碼的生成
曲面檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息提取后， 利用軟件 MATLAB2016 讀取檢測(cè)點(diǎn)信息 ，按照測(cè)頭沿檢測(cè)點(diǎn)法向矢量檢測(cè)的原則、規(guī)劃三軸聯(lián)動(dòng)加工中心在線檢測(cè)路徑。在線檢測(cè)路徑規(guī)劃完成后， 根據(jù)建立的三軸聯(lián)動(dòng)加工中心運(yùn)動(dòng)模型，編制后置處理程序，生成 NC 檢測(cè)代碼，并把 NC 檢測(cè)代碼傳輸給加工中心，加工中心驅(qū)動(dòng)測(cè)頭按照規(guī)劃的檢測(cè)路徑運(yùn)動(dòng)， 就可以實(shí)現(xiàn)加工中心對(duì)零件的在線檢測(cè)。 為實(shí)現(xiàn)上述功能，在二次開發(fā)中，筆者對(duì)編制的 MATLAB 2016 源程序進(jìn)行了打包處理，并以 *.dll 的文件格式進(jìn)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(duì)編制的 MATLAB 2016 源程序 *.dll 文件進(jìn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)接［11］。
2.3 檢測(cè)仿真
為避免干涉， 在線檢測(cè)前需要調(diào)用 VERICUT8.0對(duì)檢測(cè)路徑進(jìn)行仿真。為實(shí)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(yùn)行圖標(biāo)， 實(shí)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(duì)話框，選擇高級(jí)，新建 系 統(tǒng) 變 量 CGTECH_INSTALL， 輸 入 變 量 值 D：\Program Files\vericut 8.0\VERICUT， 點(diǎn)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(diǎn)擊確定 ； 新建系統(tǒng)變量 LSERVOPTS， 輸 入 變 量 值 -s "C\ProgramData\CGTech\license\cgtech.lf"，點(diǎn)擊確定 ； 新建系統(tǒng)變量 LSHOST， 輸入變量值 GYZX6-PC， 點(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)接。新建系統(tǒng)環(huán)境變量如圖 2 所示。
具體使用時(shí)，打開 UG10.0 進(jìn)入加工環(huán) 境 ， 在工具條上單擊 VERICUT8.0 圖標(biāo) ， 進(jìn) 入VERICUT8.0 界面 ， 就可以對(duì)檢測(cè)路徑進(jìn)行仿真 、 優(yōu)化。
3 、試驗(yàn)驗(yàn)證
為驗(yàn)證基于 UG NX 10.0 二次開發(fā)的數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)的可行性和有效性， 筆者在三軸數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。 具體過程為，在 UG NX 10.0 中創(chuàng)建檢測(cè)零件 CAD 模型，用 UG/Open GRIP 選取檢測(cè)曲面，確定檢測(cè)點(diǎn)，調(diào)用相應(yīng)函數(shù)，提取檢測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)矢量信息，并保存。 檢測(cè)零件曲面測(cè)點(diǎn)分布如圖 3 所示。 檢測(cè) 點(diǎn) 信 息 提 取 后 ， 在 UG10.0 環(huán) 境 下 調(diào) 用 MATLAB2016 軟件，讀取檢測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo) 、法向矢量、切向矢量信息，自動(dòng)規(guī)劃?rùn)z測(cè)路徑，路徑規(guī)劃好后，設(shè)置測(cè)頭半徑、進(jìn)給率、定位距離，后置處理程序生成在線檢測(cè) 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(dòng)軟件 VERICUT8.0， 根據(jù)加工中心和檢測(cè)零件模型，讀取在線檢測(cè) NC 代碼，在線檢測(cè)過程進(jìn)行仿真， 仿真無誤后， 將在線檢測(cè) NC 代碼導(dǎo)入加工中心，加工中心驅(qū)動(dòng)測(cè)頭對(duì)零件進(jìn)行在線檢測(cè)，加工中心接收到的檢測(cè)程序如圖 4 所示。
試驗(yàn)中， 筆者對(duì)檢測(cè)零件曲面上五個(gè)測(cè)點(diǎn)的在線檢測(cè)數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比， 結(jié)果顯示，基于 UG NX 10.0 二次開發(fā)的數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)的最大誤差為0.05 mm。 考慮到檢測(cè)零件二次裝夾定位中產(chǎn)生的測(cè)量系統(tǒng)誤差的存在，筆者認(rèn)為基于 UG NX 10.0 二次開發(fā)的數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)系統(tǒng)是可行有效的。
曲面零件在線檢測(cè)如圖 5 所示， 曲面零件三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)如圖6 所示， 曲面零件五個(gè)測(cè)點(diǎn)的在線檢測(cè)數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了加工中心對(duì)加工零件的在線檢測(cè)， 有效提高了精密復(fù)雜零件數(shù)控加工質(zhì)量和效率，也為精密復(fù)雜零件“加工－檢測(cè)－補(bǔ)償加工”一體化制造提供了參考依據(jù)。
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