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數控機床在線檢測係統（tǒng）的開發與應用

2019-10-14 來源：甘肅機電職業學院甘肅農業大學（xué）技術處作者：毛文亮楊小平

摘要：以 Unigraphics NX 10.0 軟件為開發平台，應用 UG/Open GRIP 和 UG/Open Menu Script 二次開發工具，對 MATLAB 2016 和 VERICUT 8.0 軟件在（zài） Unigraphics 平台下進行了集成，開（kāi）發了數控機床在線檢測係（xì）統。為驗證這一係統的有效性（xìng），對（duì）在線檢測數據與三坐標測量機檢測數據進行了對（duì）比，結果顯示，兩者最大（dà）誤差僅為 0.05 mm。數控機床在線檢測係統的開發，為精密複雜零件的高效數控加工與表麵質（zhì）量信息的（de）獲取提供（gòng）了技術支持。

關鍵詞：機床在線檢（jiǎn）測軟件應用

隨著現代製造業智能化、數字化（huà）、網絡（luò）化的發（fā）展，精密複雜零（líng）件“設計－加工－測量－補償加工”一體化製造成（chéng）為了趨勢。近年來，國（guó）內外學（xué）者對此進行了深入研究。 Mou 等［1］開發了一（yī）種基於計算機輔助（zhù）設計 CAD/CAM/CAI 的在機檢測係統。 Kramer 等［2］對基於零件（jiàn）表（biǎo）麵特征的檢測係統進行了（le）研究。 Yoon 等［3］對基於 PC-NC （Personal Computer based Numerical Control）的在機檢（jiǎn）測係統進行了研究。 Kim 等［4］研發了一款將檢測路徑用 G 代碼格式傳送給數（shù）控機床的（de）在機檢測係統。孫誌海［5］介紹了基於 CAD 的加工中心在（zài）線檢（jiǎn）測係統的設計。辛娜［6］研究了加工中（zhōng）心在線檢測編程技術。陳歡等（děng）［7］開發了基本體在線檢測宏程序。陳明娟（juān）［8］研究了基本體在線（xiàn）檢測路徑。總之，國外的在線檢測係統技術相（xiàng）對成熟，價格非（fēi）常昂貴。國內的在線檢測係統檢測功能相對比（bǐ）較單一，無法對複雜零件進行全麵精確測量。因此，開（kāi）發一套功能全麵、價格低廉的（de）數控機床在（zài）線檢測係統，對精密複雜零件 “加工－檢測－補償加工”一體化製造具有（yǒu）重要意義（yì）。

1 、數控機床在線檢測係統組成及原理

數控機床在線檢測係（xì）統主要由測頭、數控機床、信號接收裝置和計（jì）算機組成。在線檢測時，在檢測係統中導入零件（jiàn） CAD 模型（xíng），選取檢測點（diǎn），生成檢測程序，進行（háng）仿真（zhēn）校驗。仿真校（xiào）驗無誤後，計算機通（tōng）過數控機床通信接口（kǒu）將檢（jiǎn）測程序傳送給數控機（jī）床，數控機床驅動測頭（tóu）按檢測路徑運動，當測頭接觸到零件後，發出觸發信號，信號被接收裝置接（jiē）收，並傳給轉換器，轉（zhuǎn）換器把（bǎ）信號處理後（hòu）傳給（gěi）數控機床控製係統，機床（chuáng）停止運動，測點坐標被保存下來。

然後進行下一（yī）點測量（liàng），等所有點測量完畢（bì），測點坐標通過通信接口傳輸給計算機，計算機對檢測數（shù）據進行後續處理，生成檢測報告。數（shù）控加工在（zài）線檢（jiǎn）測原理如圖 1 所（suǒ）示。

2 、數（shù）控機床（chuáng）在線檢測（cè）係統開發

筆者開發的數控機床在線檢測係統是以配置FANUC 0i MC 數控係統的加工中心為執行設備，以UG NX10.0 三維製圖軟件為平台，借助 UG/OpenGRIP、 UG/Open Menu Scr［9］等 UG 二次開發工具，將矩陣工廠（chǎng）數學軟件 MATLAB 2016 和數控加工仿真係統 VERICUT 8.0 集成於（yú） UG 操作環境下（xià），進行在線檢測的（de）一款數（shù）控機床在線檢測係（xì）統。

這一在線檢測係統（tǒng）具有檢測模型測點選取、檢測程序（xù）生成、檢測仿真、加工中心串口通信、檢測誤差補償（cháng）計算及數據處理等功能。主要由 UG、MATLAB 和 VERICUT 三大模塊組成。

2.1 檢測點信息提（tí）取

檢測點信息（xī）是檢測係統獲取檢測零件（jiàn）表麵數據信息的主要依據。主要指曲麵檢測點的三維坐標、檢測點（diǎn）相對於檢（jiǎn）測曲麵（miàn）的法向矢量、檢測點相對於檢測曲麵的切向矢量等［10］。數控機床在線檢測時，首先要對檢測曲麵檢測點的數（shù）據信息進（jìn）行提取，為實現上述功能，在二次開發中，筆者（zhě）用 UG/Open GRIP 以 NURBS 曲（qǔ）麵在 U、V 兩個方向的節點矢量，均勻劃分采樣（yàng）網格，設步長，生成節點，以節點作為（wéi）曲麵檢測點。檢測點確定後，定義 surf 為曲麵變量，pt（200）為測點變量，fxl（3）為檢測點相對檢測曲麵的（de）法向矢量，qxlu （3）為（wéi）檢測點相（xiàng）對檢測曲麵的 U 向（xiàng）切向矢量，qxlv（3）為檢測點相對於檢測曲麵的 V 向切向矢量。編寫檢測點信息（xī）讀取程序，調用函數 IDENT，選取檢測曲麵和檢測點，保存變量，用 FETCH 和 READ 命令讀（dú）取檢測點三維坐標。調用函數 SPARF，取（qǔ）檢測點 U、V 參數值（zhí）。調用函數 SNORF，求取檢測點相對於檢測曲麵的法向矢量。調（diào）用函數 SDDUF，求取檢測曲麵在 U 向的切向矢量。調用函數 SDDVF，求取檢測（cè）曲麵在（zài） V 向的切（qiē）向（xiàng）矢量。調用函數 IF、JUMP 循環語句，重（chóng）複上述操作（zuò），待檢測曲麵所有檢測（cè）點的三維坐標、法向矢量、切向矢量信息獲取後，用 PRINT 語句以 *.txt 格式輸出到列表，

檢測曲（qǔ）麵檢測點數據信息提取完畢。

2.2 檢測路徑（jìng）規劃及 NC 代碼（mǎ）的生成

曲麵檢測點數據信息提取後，利用軟（ruǎn）件 MATLAB2016 讀取檢測點信息，按照測（cè）頭沿檢測點法向矢量檢測的原（yuán）則、規劃三軸聯動加工中（zhōng）心在線（xiàn）檢測路徑。在（zài）線檢測路徑規劃完成後（hòu），根據（jù）建立的（de）三軸聯動加工中心運動模（mó）型，編製後置處理程序，生成 NC 檢測代碼，並把 NC 檢測代碼傳輸給加工中心，加工（gōng）中心驅動測頭按照規劃的檢測路徑運動，就可以實現加工中心對零件的在線檢測。為（wéi）實現上述功能，在二次開發中，筆者對編製的 MATLAB 2016 源程序（xù）進（jìn）行了打包處理（lǐ），並（bìng）以 *.dll 的文件格式進行了保存。

在 UG10.0 環境下，通（tōng）過 UG/Open Menu Script 開放的端口函數，用 *.men文件對編製的 MATLAB 2016 源程序 *.dll 文件進行了調用（yòng），使 MATLAB 2016 與 UG10.0 在程序調用和數據信息轉換間實現了對接［11］。

2.3 檢（jiǎn）測仿真

為避免幹涉，在（zài）線檢測前需（xū）要調用 VERICUT8.0對檢測路徑（jìng）進行仿真。為實現上述功能，通過新建係統（tǒng）環境變量，增設 VERICUT8.0 程序運行圖標，實現了UG10.0 與VIRECUT8.0 的無縫連接。具（jù）體操作過程為：在電腦屬性中打開係統屬性對話框，選擇高級，新建係統變量 CGTECH_INSTALL，輸入變量值 D：\Program Files\vericut 8.0\VERICUT，點擊確（què）定；新建係統變量（liàng） CGTECH_PRODUCTS，輸入變量值（zhí） D：\ProgramFiles\vericut 8.0\VERICUT\windows64，點擊確定（dìng）；新建係（xì）統變量（liàng） LSERVOPTS，輸入變（biàn）量值 -s "C\ProgramData\CGTech\license\cgtech.lf"，點擊確定；新（xīn）建係統變量 LSHOST，輸入變量值 GYZX6-PC，點擊確定；新建變量UGII_VENDOR_DIR，輸（shū）入變量值 D：\Program Files\vericut8.0\VERICUT\windows64\nx\NX10\english，點擊確定。通過新建上述係統變（biàn）量，並賦（fù）值，就使 UG10.0 與VIRECUT8.0 實現（xiàn）了對接。新建係統環境變量（liàng）如圖 2 所（suǒ）示。

具體使用時，打開 UG10.0 進（jìn）入加工（gōng）環境，在（zài）工（gōng）具條上單擊 VERICUT8.0 圖標，進入VERICUT8.0 界麵，就（jiù）可以（yǐ）對檢測路徑進行仿真、優化。

3 、試驗驗證

為驗證基於 UG NX 10.0 二次開發的數控（kòng）機床在線檢（jiǎn）測係統的可行（háng）性和有效（xiào）性，筆（bǐ）者在三軸數控（kòng）機床（chuáng）上進行了試驗驗證。具體過程為，在 UG NX 10.0 中創建檢測零件 CAD 模型，用 UG/Open GRIP 選取檢測曲麵，確定檢測點（diǎn），調用相應函數（shù），提取檢測點坐標矢量信息，並保存。檢測（cè）零件曲麵測點分布如圖 3 所示（shì）。檢測點信息提取後，在 UG10.0 環境下調用 MATLAB2016 軟件，讀取檢測點三維坐標、法向矢量、切向矢量信息，自動規劃檢測路徑，路徑規劃好後，設（shè）置測（cè）頭半徑、進給率、定位距離，後置處理程（chéng）序生成在線檢測 NC代碼，保存到指定文件夾路徑（jìng）位置。

在 UG NX 10.0 環（huán）境下啟動軟件 VERICUT8.0，根據加工中心和檢測零件（jiàn）模型（xíng），讀取在線檢測 NC 代碼，在線檢測過程進行仿真，仿真無誤後，將在線檢測（cè） 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（gōng）中心接（jiē）收到的（de）檢測程序如圖 4 所示。

試（shì）驗中，筆者對檢測零件曲麵上（shàng）五個測點的在（zài）線檢測數據與三坐標測量機檢測數據進行了對比，結（jié）果（guǒ）顯示，基於 UG NX 10.0 二次開發的數控（kòng）機床在線檢測係統檢測數據與三坐（zuò）標測量機（jī）檢測數據的最大誤差為0.05 mm。考慮到檢測零件二次裝夾定位（wèi）中產（chǎn）生的測量係統誤差的存在，筆者認為（wéi）基（jī）於 UG NX 10.0 二（èr）次開發的數控機床在線檢（jiǎn）測係統是可行有效的。

曲麵零件（jiàn）在線檢測如圖 5 所示，曲麵零件三坐標測量機檢測如圖6 所示，曲麵零件五個測點的在（zài）線檢（jiǎn）測數據與三坐標測量機檢測數據的比較見表 1。

4 、結束語

通過 UG/Open GRIP、UG/Open Menu Script 等UG 二次（cì）開（kāi）發工具，將軟件 MATLAB 2016 和VERICUT8.0 與 UG NX 10.0 軟（ruǎn）件進行了有效集成，在UG NX 10.0 環境下，通過 MATLAB 2016、VERICUT8.0與 UG NX 10.0 之（zhī）間的數據信息轉換，實現了加工中心對加工零件（jiàn）的在線檢測，有（yǒu）效提高（gāo）了精密複雜零（líng）件數控加工質量和效率，也為精密複雜（zá）零件“加工－檢測－補償加工”一體化製造（zào）提（tí）供（gòng）了參（cān）考依據。

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