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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 甘肅農業(yè)大學技術處  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)控加工與表面質量信息的獲取提供了技術支持。
  
      關鍵詞: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)絡化的發(fā)展,精密復雜零件“設計-加工-測量-補償加工”一體化制造成為了趨勢。近年來,國內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)的設計。 辛娜[6]研究了加工中心在線檢測編程技術。 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)技術相對成熟,價格非常昂貴。國內的在線檢測系統(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,并傳給轉換器,轉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。調用函數(shù) SPARF,取檢測點 U、V 參數(shù)值。調用函數(shù) SNORF, 求取檢測點相對于檢測曲面的法向矢量。調用函數(shù) SDDUF, 求取檢測曲面在 U 向的切向矢量。調用函數(shù) SDDVF, 求取檢測曲面在 V 向的切向矢量。調用函數(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 文件進行了調用,使 MATLAB 2016 與 UG10.0 在程序調用和數(shù)據(jù)信息轉換間實現(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 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 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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