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文檔簡介
1、2017年10月第45卷第19期機床與液壓MACHINETOOL&HYDRAULICSOct.2017Vol.45No.19DOI:103969/j.issn.1001-3881.2017.19.021收稿日期:2016-05-17基金項目:2014年度泰州學(xué)院重點教學(xué)改革研究課題(14JGA007);2014年江蘇省高校自然科學(xué)研究項目(14KJB460028)作者簡介:龔玉玲(1978—),女,碩士,講師,研究方向為船舶與機電工程技
2、術(shù),精密測量的教學(xué)與研究。E-mail:79043638@qq.com?;冢茫粒狞c云模型的CMM離線編程技術(shù)研究龔玉玲1,徐曉棟1,龔非2(1泰州學(xué)院船舶與機電工程學(xué)院,江蘇泰州225300;2中國航天科工集團8511研究所,江蘇南京210007)摘要:三坐標(biāo)測量機(CMM)的離線編程較復(fù)雜,尤其針對未知三維CAD模型的工件更加難于實現(xiàn)離線編程。為此提出基于CAD點云模型,針對工件中常見的平面和圓柱面等特征,通過編程方式完成特征異常點
3、刪除和提取特征點操作,編制DMIS自動測量程序,模擬仿真檢驗后進(jìn)行CMM在線測量。實例驗證:該方式較易編制CMM離線程序,實現(xiàn)了CMM的自動穩(wěn)定測量。關(guān)鍵詞:CMM;CAD點云模型;特征點;DMIS;離線編程中圖分類號:TB22文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1001-3881(2017)19-097-6StudyonOfflineProgrammingofCMMBasedonCADPointCloudModelGONGYuling1,XUXi
4、aodong1,GONGFei2(1SchoolofNavalArchitectureEngineeringandMechanical&ElectricalEngineering,TaizhouUniversity,TaizhouJiangsu225300,China;2No.8511ResearchInstituteofCASIC,NanjingJiangsu210007,China)Abstract:DesignofofflineP
5、rogrammingisquitecomplexbasedoncoordinatemeasuringmachine(CMM),especiallyaimingatpartswithoutthreedimensional(3D)digitalmodelThereforcomputeraideddesign(CAD)basedpointcloudmodelwaspresentedOfflineProgrammingwascompiledto
6、deletetheunusualpointsandtopickupfeaturepointsbyaccordingtothefeaturesofplaneandcylindercommonlyseeninparts,toeditdimensionalmeasuringinterfacespecification(DMIS)programforautomaticmeasurementandtosimulatetestforCMMonlin
7、emeasurementTheexampleverificationindicatesthatthismethodissimpletoCMMofflineprogram,andrealizesautomaticCMMmeasurementstablyKeywds:CMM;CADpointcloudmodel;Featurepoints;DMIS;Offlineprogramming0前言隨著數(shù)控加工技術(shù)日益擴大,加工精度不斷提高,對產(chǎn)品
8、質(zhì)量控制更加嚴(yán)格,傳統(tǒng)的二維方式已不能滿足需要,更多需要三維測量。根據(jù)目前三維測量方式主要分為接觸式測量、非接觸式測量和其它測量。三坐標(biāo)測量機(CoordinateMeasuringMachine,簡稱CMM)作為柔性接觸式測量設(shè)備的典型代表,其測量精度高、測量靈活而得到廣泛應(yīng)用,缺點是測量效率較低;非接觸式測量設(shè)備,以激光掃描儀為代表,優(yōu)點是測量速度快,缺點是測量精度不高,一般不能作為精密工具,常用于逆向測量和設(shè)計。因此三坐標(biāo)測量機C
9、MM在工件測量中發(fā)揮越來越重要的作用。對于有三維CAD模型的工件測量,可以將模型導(dǎo)入CMM的測量程序中,直接從模型中取點,實現(xiàn)CMM的智能自動測量,但是有時某些廠家由于技術(shù)保密,不提供原始設(shè)計模型,針對此類未知三維CAD模型的CMM測量[1],根據(jù)測量要求,常依靠人為經(jīng)驗,在線隨機采樣測量,人為影響因素較大,測量效率較低。如果采用逆向工程技術(shù),建立工件的三維CAD實體模型,工作量大,對于較復(fù)雜零件,實體建模本身就很復(fù)雜。如何提高CMM測
10、量效率和CMM的利用率,實現(xiàn)智能自動測量,眾多學(xué)者做了大量的研究工作。AINSWORTH[2]根據(jù)CAD模型與采樣點,開發(fā)軟件生成測量程序,但是未對路徑進(jìn)行優(yōu)化處理。韓鋒[3]研制智能三坐標(biāo)輔助測量系統(tǒng),通過激光跟蹤儀實時監(jiān)控,閉環(huán)控制,實現(xiàn)CMM自動化測量。王正明[4]采用自學(xué)習(xí)方式,提高了在線測量效率,但是零件變換后該自動測量不適用。在相關(guān)研究技術(shù)成果基礎(chǔ)上,針對未知三維CAD模型的CMM測量,提出采用構(gòu)建CAD點云模型代替復(fù)雜的三
11、維CAD實體建模[5],直接從點云模型中提取測量特征點,經(jīng)過測量路徑優(yōu)化后,編寫離線測量程序,模擬仿真檢驗確定離線程序萬方數(shù)據(jù)圖6圓柱面樣本空間令待測特征點集為Pi(xi,yi,zi),樣本區(qū)域點為Pj(xj,yj,zi),且Pj?Pi,樣本空間的矢量方向為:V=i→j→k→PXj-PXj+1PYj-PYj+1PZj-PZj+1PXj-PXj+2PYj-PYj+2PZj-PZj+2=ai→+bj→+ck→(1)其中:a=(PYj-PYj
12、+1)(PZj-PZj+2)-(PZj-PZj+1)(PYj-PYj+2)b=(PZj-PZj+1)(PXj-PXj+2)-(PXj-PXj+1)(PZj-PZj+2)c=(PXj-PXj+1)PYj-PYj+2)-(PYj-PYj+1)(PXj-PXj+2)令w=a2+b2+c2,單位化后矢量為:r→=awi→+bwj→+cwk→2.3特征空間轉(zhuǎn)換根據(jù)特征的矢量,對平面和圓柱面旋轉(zhuǎn),使得矢量方向與坐標(biāo)系某軸平行,則特征從空間轉(zhuǎn)換成平面
13、特征,便于后續(xù)提取異常點刪除和特征點提取,特征點提取后,通過逆向轉(zhuǎn)化,再轉(zhuǎn)換成原空間面的特征點,變換圖形見圖7所示。圖7三維空間矢量變換特征矢量方向為V(ai→,bj→,ck→),假定轉(zhuǎn)換與Z平行(與X或Y平行同理),則先繞X軸旋轉(zhuǎn)α角,使得V旋轉(zhuǎn)到XOZ平面,然后再繞Y旋轉(zhuǎn)β角,使得V′與Z平行,待測特征點Pi經(jīng)過轉(zhuǎn)換后點為P′i,則轉(zhuǎn)換方程為:P′i=Rx(α)Ry(β)Pi(2)其中:Rx(α)=1000cb2+c2bb2+c20
14、-bb2+c2cb2+c2Ry(β)=b2+c2a2+b2+c20aa2+b2+c2010-aa2+b2+c20b2+c2a2+b2+c2當(dāng)后續(xù)特征點提取完畢,將特征點通過如下方程,再還原到原來位置,轉(zhuǎn)換方程為:Pi=[Rx(α)]-1[Ry(β)]-1P′i(3)2.4特征異點刪除采用編程方式,分別對平面和圓柱面進(jìn)行異常點自動刪除。(1)平面異常點刪除平面異常點刪除程序步驟為:Step1:當(dāng)平面的法向矢量如果與某個軸(假定為Z軸)平行
15、,則直接進(jìn)入Step3;Step2:當(dāng)平面的法向矢量如果與某個軸(假定為Z軸)不平行時,按照公式(2),將平面旋轉(zhuǎn),直到與某個軸平行(假定與Z軸平行);Step3:判斷當(dāng)Z′i-Z′j<ε(ε為設(shè)定的閾值),則點Pi保留,否則該平面點刪除;Step4:所有平面點判斷結(jié)束,則異常點刪除程序結(jié)束。(2)圓柱面異常點刪除圓柱面異常點刪除程序步驟為:Step1:當(dāng)圓柱面的中心軸線矢量如果與某個軸(假定為Z軸)平行,則直接進(jìn)入Step3;Step
16、2:當(dāng)圓柱面的中心軸線矢量如果與某個軸(假定為Z軸)不平行,按照公式(2),將圓柱中心軸線旋轉(zhuǎn),直到與某個軸(假定為Z軸)平行;Step3:取Z方向最大值和最小值分為:Z′imax和Z′imin,令中間點為Z′imid=Z′imin+Z′imax2,則當(dāng)Z′i-Z′imid<ε時,該層點集合保留,否則刪除,保留的點集P′imid;Step4:對保留的點集P′imid上任取三點Pl,Pm,Pn,見圖8所示。令Pl,Pm,Pn三點擬合的圓心
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