1、河北工业大学硕士学位论文基于 CAD 的加工中心在线检测系统研究与开发摘 要目前机械加工过程中，工件的定位与检测大部分还要依靠人工来完成。人工测试不但工作量大，带有一定的人为因素，而且质量数据也不能采集。开发加工中心在线检测系统，既是企业生产实际中亟待解决的难题，也是开发 CIMS/QAS 系统中的关键技术。不解决好自动检测技术，产品质量信息就难以得到集成。本文在该技术原有发展的基础上，结合CAD/CAM 的最新发展，以提高加工中心的加工柔性、加工效率、加工精度为目的，对加工中心在线检测系统进行了深入的研究。本文介绍了基于 CAD 的加工中心在线检测系统的软件的总体分析与设计、功能及关键技术研
2、究。在 ObjectARX 的开发环境 Visual C+ 6.0下，结合 MFC 类库，对 MDT 二次开发，提取图形数据，制定检测路径规划，自动生成检测程序。该系统可用于工件的装夹找正，对工件进行自动在线测量等。本文基于软件工程、结合自动编程技术的最新发展，进行了基于 CAD 的加工中心在线检测系统的需求分析、模块划分、软件总体设计等。并对各项关键技术进行了研究： 特征识别与数据提取技术。以 MDT 为开发平台，利用 ARX，VC+，MFC 类库三者相结合作为开发工具，对 MDT 进行二次开发，获取检测所需数据。 检测路径规划模块。路径规划作为 CAD 与在线检测系统集成的纽带,在加工中心
3、在线检测系统中具有举足轻重的作用。涉及到路径规划的控制参数、层次分类等问题。 自动编程和程序集成技术研究。最后，总结本文的工作并展望了进一步的研究方向。关键词：在线检测，ObjectARX ，二次开发，检测路径规划，数据提取，自动编程i基于 CAD 的加工中心在线检测系统研究与开发THE RESEARCH AND DEVELOPMENT OFMACHINE CENTERS ON-LINE INSPECTINGSYSTEM BASED ON CADABSTRACTDuring the process of machining，the orientation and inspection of w
4、orkpiece depend on manpower mostlyThe manual inspecting has some man-made factor and its work is great, some data of quality also cant be collectedThe exploitation of machine center on-line inspecting is an imperative problem in the production practice and the critical technology to develop the syst
5、em of CIMS/QASIf automatic inspecting technology cant be solved primely， the product quality information cant be integratedThis paper based on the recent development of on-line inspection for machine center and CAD/CAM，machine center on-line inspecting system is studied thoroughly to improve the fle
6、xility，efficiency and precision of machine centerThe on-line inspecting system on machining center based on CAD is introduced in this paper，include software schematic analysis and design，function and critical technologyIn the Visual C+6.0 environment of the ObjectARX and MFC class libraries, graphic
7、al data are obtained by secondary development of MDT, inspecting path planning is laid and the inspecting program is made automaticallyThe inspecting system can be applied for automatic setting up and on-line inspecting of workpiece, and so onBased on software engineering and the recent development
8、of automatic programming technology，The requirement analysis，module partition and software schematic design of machine centers on-line inspecting system based on CAD and the following criticalii河北工业大学硕士学位论文technologies are studied The technology of feature recognition and data abstractionWe take the
9、 MDT as development platform，and take ARX，VC+ and MFC class libraries as development tool, make secondary development on MDT，to abstract data that inspection requires Inspecting path planning moduleThe path planning is the ligament between CAD and on-line inspecting systemIt holds the balance in the
10、 machine centers on-line inspecting system and includes control parameter and hiberarchy of the path planning The technology of automatic programme and program integrationAt last，a simple prospect for the possible applications is givenKEY WORDS: on-line inspecting，ObjectARX ，second development， insp
11、ecting path planning，data abstraction ， automatic programmeiii基于 CAD 的加工中心在线检测系统研究与开发目 录摘要ABSTRACT目录第一章 绪论11-1 加工中心在线检测概述1 1-2 课题的研究背景及研究意义31-2-1 先进制造技术的发展趋势及存在的问题3 1-2-2 柔性制造系统概述4 1-2-3 柔性制造系统与在线检测的关系6 1-3 课题的提出及研究内容6 1-3-1 CAD 技术的发展71-3-2 CAD/CAM 集成技术71-3-3 课题的提出81-3-4 课题的研究内容8第二章 基于 CAD 的加工中心在线检测
12、系统软件总体设计102-1 从软件工程角度进行软件分析102-1-1 软件需求分析102-1-2 面向数据流的分析112-2 基于 CAD 的在线检测系统的总体框架分析与设计112-2-1 开发平台简介122-2-2 软件系统的功能模块122-2-3 坐标系设定模块132-2-4 特征识别与数据提取模块132-2-5 检测工艺规划142-3 菜单工具栏开发142-3-1 菜单定制语法142-3-2 菜单宏命令152-3-3 菜单、工具栏制作15iv河北工业大学硕士学位论文2-4 小结17第三章 特征识别与数据提取技术研究183-1 ObjectARX 简介18 3-2 基于二维图形的在线检测系
13、统特征识别与数据提取203-2-1 数据库对象的属性21 3-2-2 二维检测特征的数据结构及流程图22 3-3 基于三维实体的在线检测系统关键技术研究25 3-3-1 AcBr 类库及应用25 3-3-2 AcGe 类库及应用26 3-3-3 获取面的几何元素数据26 3-4 小结27第四章 检测路径规划284-1 检测路径规划的重要性28 4-2 检测路径规划的控制参数284-2-1 定位点和待测点、安全起测平面28 4-2-2 测量距离、测头移动速度29 4-3 检测路径规划的层次分类30 4-3-1 单个特征体的路径规划31 4-3-2 工件组合特征的路径规划32第五章 自动编程技术研
14、究355-1 自动编程技术的发展35 5-2 基于 MDT 的在线检测自动编程技术355-2-1 宏程序模板库36 5-2-2 检测主程序37 5-3 计算机辅助制造 CAM 的应用研究38 5-3-1 Mastercam 软件简介及应用38 5-3-2 Mastercam 的后置处理39 5-3-3 刀具路径与 NC 程序39 5-4 加工与检测程序的集成40 5-4-1 CAD/CAM 的接口技术与数据转换405-4-2 加工与检测程序集成模块41v基于 CAD 的加工中心在线检测系统研究与开发第六章 实例演示？436-1 基于二维图形的在线检测系统实例演示436-1 基于三维实体的在线检
15、测系统实例演示466-1 小结47第七章 结论48参考文献49致谢52vi河北工业大学硕士学位论文第一章 绪 论1-1 加工中心在线检测系统概述建立 CIMS 系统的一个重要的研究方向就是质量保证系统的集成，而快速、自动的在线检测，以及设计阶段检测工艺计划的生成，则是集成质量系统的重要环节 1。在 CIMS 环境下，开发在线检测系统，加强产品质量控制与信息的反馈具有十分重要的意义。目前国内机械加工过程中，工件的定位与检测工作，大部分还要依靠人工来完成。对工件进行检测时，通常要在不同的工位上检测不同的项目，致使人工测试工作量大，带有一定的人为因素，质量数据又不能采集。所以开发加工中心在线检测系统
16、，既是企业生产实际中亟待解决的难题，也是开发 CIMS/QAS 系统中的关键技术，不解决好自动检测技术，产品质量信息就难以得到集成。在整个制造系统中，根据加工过程和检测过程（本课题的检测是针对装卡在加工中心的工件而言）是否在同一台设备上进行，可以分为离线检测和在线检测。离线检测是在加工工序之间、加工完成之后，将工件从加工中心上取下，利用其它检测设备（如三坐标测量机）进行检测，为保证测量精度，通常是在三坐标测量机上进行的。60 年代出现的三坐标测量机，经过 30 余年的开发，其性能近趋完善，广泛用于机床仪表工业，汽车工业、航空航天工业等。三坐标测量机是一种精密的三维空间测量仪器，可配备各种性能的
17、测头，从而测量出其工作空间范围的各测量点的坐标位置。三坐标测量机属于离线测量设备，测量精度高，测量速度快，测量功能完善，测量范围较大；但三坐标测量机价格昂贵，测量成本高。一般来讲，测量精度要求高的复杂工件，选用三坐标测量机进行测量。另外离线测量需要二次定位，会产生二次定位误差。在实际生产过程中还存在相当比重的手工测量，所谓的手工测量是指使用千分表、卡尺等常规量具人工校正、测量，其效率低下，精度容易受到人为因素的影响，从而影响机床的利用率及产品的加工质量。在线检测是通过为加工中心配备一触发式测头以及相应的在线检测系统软件，构成加工中心在线检测系统，如图 1.1 所示。该类测量系统在 CNC 数控
18、机床或加工中心上配备坐标轴测量装置（如测头）和计算机软件，构成简易的三坐标测量仪，投资少，见效快，事半功倍。有人把这种测量系统形象的称为“测头” 加“软件” 联机测量系统，它的突出特点是经济，硬件成本很低，一般只有一个标准的测头和几根电缆及必要的接口组成。其中电缆和接口用于数控伺服系统的位置检测单元相连，进行坐标数据的传输，有的甚至通过标准的 RS232 接口，实现数据的传输，该系统的功能主要体现在软件上。利用软件技术完成与 CNC 系统的连接、系统的伺服控制、位置测量控制、数据及检测程序的传输等。1基于 CAD 的加工中心在线检测系统研究与开发在线检测技术将加工和检测集成在一起，实现了加工过
19、程中的自动检测，是一项很有发展潜力的检测技术。在线检测技术的发展为数控加工过程的质量监控提供了一套行之有效的方法。数控机床目前广在线检测主 轴系统软件测头RS232 串口 信号传输CNC 控制器接口 工件工 作 台伺服系统图 1.1 加工中心在线检测系统Fig. 1.1 The online inspecting system of machine center泛应用的是触发式测头，具有价格低、可靠性强、自身精度高等特点。加工与检测在同一台设备上完成，避免了多次装夹、重复定位误差以及辅助时间长等问题。更为重要的是，其检测过程由数控程序来控制，实现了检测的自动化，是一种基于计算机自动控制的在线检
20、测技术。随着加工中心在生产中的广泛应用，在线检测技术将会成为一项很有发展前景的技术。提高产品的制造精度，使其达到精度协调要求，是突破传统协调工艺方法的有效途径，过去曾有人认为只要引进高精度的数控机床，便可解决这一问题，但实践证明这种说法是不全面的，因为影响产品制造精度的原因很多，如机床精度、环境影响误差、加工误差、找正误差、对刀误差、零件变形、检测误差等等。要保证产品的质量，不仅要提高产品加工精度、还必须控制其精度的稳定性，所以必须建立一套强有力的检测系统。在线检测技术可以使零件的加工与检测溶为一体，并把过去需要人为完成的工作由在线检测系统来承担，从而达到减少人工干预，降低人为误差，提高和稳定
21、加工精度的目的。测头是由一套高精度的敏感元件组成，它是由万向电子开关感应测头的触发力，并将感应信号输送给数控机床的控制系统，测头的工作原理如下图所示：触发力测 头 万向电子开关 电感接口 数控机床的控制系统图 1-2 测头工作原理Fig. 1.2 The principle of the probe2河北工业大学硕士学位论文测头系统最初是用在三坐标测量机 CMM 上，直到 20 世纪 80 年代初，触发式测头才被用在机床上。从历史上来说，机床使用者们不愿使用触发式测头在加工中心上进行测量，他们认为“增加了循环的时间”，“机床是用于切削而不是测量的”等，这些想法大部分是基于对测头的使用及优点的非
22、完全认识，甚至可以说是误解。随着测头测量精度的不断提高，配套软件的不断完善，使得使用者认识到在加工中心（包括数控机床）上安装触发式测头，进行在线检测，不但不会增加循环的时间，相反在线检测技术的应用，大大减少加工中心的待机时间，提高加工中心的工作效率，同时可以控制精度的稳定性。目前国内外对在线检测技术进行了不同程度的研究。国外以英国 Renishaw 公司为代表，开发了多种类型的测头，并开发了检测所需的宏程序，现在已经在许多数控机床上应用。在 1997 年北京国际机床工具展览会上，展出了以 Renishaw 为代表的包括触发式测头测量系统、非接触式与扫描式测头系统等多种类型的自动测量系统；国内北
23、京机床研究所、航天部 303 所等单位也相继研制出机床在机测头，其测量控制和数据处理都在数控宏程序中完成，已可以实现简单的点、线、面等基本形体几何参数的测量。如西安理工大学罗钦跃硕士研制了一套数控加工中心联机测量设备，实现了一维测头测量二维工件表面的功能；天津大学陈明娟、章青等开发了加工中心在线检测软件，采用对话框输入数据的方式 2。加工中心在线检测技术尚未得到大规模应用，这既与我国企业目前的技术水平和经济条件有关，也与该技术在发展中所遇到的一些问题有关 3。我国企业目前面临的一些主要问题以及在线检测技术本身存在的问题包括如下：企业的技术管理水平较低，在设备的购置与使用上，缺乏系统的观点，如企
24、业花费了大量资金用于购置数控机床，但在一些附件上却不愿继续投资，例如对刀仪、在机测头等，结果导致高性能的数控设备在使用上极其不方便，现代化的设备却采用传统的操作方式，这是对资源的极大浪费。企业资金的匮乏削弱其采用先进技术的积极性，由于一些附属设备的昂贵价格，使企业在进行技术经济方面的分析时，企业宁可效率低一些、精度差一些，也不愿在这些附件上再进行投资。目前加工中心在线检测软件，在使用上不够方便，不易被使用者所掌握；检测功能较为薄弱，目前在机测头基本上都用于简单几何量检测方面，基本上停留于数控系统本身所提供的一些功能，相对于这套检测系统昂贵的价格，这一技术对于一般企业的确显得有些奢侈；现代的设计
25、制造理论及先进的技术装备在在线检测方面没有得到应有的体现，致使在线检测技术在发展上处于落后阶段，同时在这方面研究的滞后，也会成为相关领域发展的瓶颈。当然挑战与机遇是并存的，挑战说明该技术正处于变革阶段，一旦在实质问题上能有所突破，将会极大促进该技术的应用范围，同时会促进相关领域技术的进步。1-2 课题的研究背景及研究意义1-2-1 先进制造技术的发展趋势以及存在的问题当今世界的竞争主要是综合国力的竞争，制造技术是直接创造财富的基础，对一个国家的技术经济发展起着至关重要的作用，所以世界各国都非常重视制造技术的发展。近年来，世界范围内出现了研究3基于 CAD 的加工中心在线检测系统研究与开发应用先
26、进制造技术的浪潮，以机械制造为代表的先进制造技术已成为当代国际间科技竞争的重点。在我国先进制造技术的重要性已引起各界人士的高度重视，被列为“九五” 计划和 2010 年长期科研发展规划中的主要关键技术和重要发展方向 4。先进制造技术的形成和发展同科技进步及市场需求密切相关，在科技高速发展的推动下，制造业的资源配置沿着“劳动密集 设备密集信息密集知识密集” 的方向发展，先进制造技术的发展趋势可归纳为两方面：一方面是以提高效率为主的自动化，即通过计算机参与整个制造过程的信息处理与控制，提高自动化程度，提高生产率，缩短产品的制造周期；另一方面是以提高精度为主的精密化，通过现代测控手段实现超精密加工与
27、检测 5。制造自动化技术的发展经历了刚性自动化阶段、数控加工阶段、柔性制造系统 FMS 阶段和计算机集成系统 CIMS 阶段。面对日趋激烈的国际市场竞争，各国的制造商越来越清楚的认识到：产品质量是企业在国际市场竞争中取胜的关键。80 年代以来，随着国际市场的发展，市场竞争越来越激烈。竞争推动着社会发展，也给企业的生存带来威胁。国内外许多企业家深知，目前企业所追求的是 F(Function功能品种 )、T(Time To Market 交货期 )、Q (Quality 质量 )、C(Cost price 成本，价格 )、S(Service服务 )的整体最优化。在 F、T、Q、C、S 竞争五要素中
28、，质量起着举足轻重的作用。数控机床作为 CIMS 的基础设备，应用范围越来越广泛。先进制造技术的两个发展方向，自动化和精密化，都和产品加工前的定位，加工过程、加工后的检测分不开的。当一批零件开始加工时，有大量的检测工作需要完成。其中包括加工前夹具和零件的装卡、找正，零件编程原点的测定，加工中首件加工零件的检测、工序间测量，以及加工后工件关键尺寸的检测等。 而目前，这些检测工作大部分是由操作人员，利用千分表、卡尺、电感测微仪等手工进行检测。还有一部分检测工作，是由三坐标测量机来完成的，采用这种方法检测，设备投入较大、并且有二次定位误差的问题。目前制造过程中的检测方法很难满足实际的要求，很难实现与
29、 CAD/CAM 的集成。因此对于加工前的基准测定，加工过程中的检测及关键尺寸信息的获取已成为当前迫切需要解决的问题。1-2-2 柔性制造系统概述随着科学技术的发展和多品种、小批量自动化生产的需要，柔性制造系统（FMSFlexibleManufacturing System）已越来越受到人们的重视。 FMS 设计的领域包括机床、电子技术、液压传动、机器人技术、控制技术、计算机技术、检测技术等，它是一种集多种高新技术于一体的现代化制造系统，是 CIMS 不可缺少的重要的制造单元 。由于柔性制造系统还在发展中，所以还没有统一的定义，但综合起来可以认为：柔性制造系统是在自动化技术、信息技术和制造技术
30、的基础上，通过计算机软件科学，把工厂生产活动中的自动化设备有机的集成起来，打破设计和制造的界限，取消图纸、工艺卡片，使产品设计、生产相互结合而成的，适用于中、小批量和较多品种生产的高柔性、高效率的制造系统。力求解决传统生产方式造成的下列不利因素：1） 机床利用率太低。2） 加工时间增长。3） 中间缓冲库存增大。4河北工业大学硕士学位论文4） 刀具利用率太低。5） 加工、检测信息难以提取。6） 车间空间利用率太低。柔性制造系统（FMS）有三部分组成：多工位的数控加工系统、自动化的物料贮运系统和计算机控制的信息系统，其构成框图如图 1.3 所示。柔性制造系统加工系统 物流系统 信息流系统以 任 意
31、 顺 储存 输送 搬运 过程控制 过程监视序 自 动 加工 各 种 工 自 动 地 自 动 地 加 工 系 加工系统 实现在线件 并 能 自 任 意 存 按 可 变 统 与 输 和物流系 数据的自动 更 换 工 取 加 工 节 拍 连 送 系 统 统的自动 动采集和对象 接 各 加 之 间 自 控制 处理图 1.3 FMS 的结构图Fig. 1.3 Structure of FMS1加工系统加工系统的功能是以任意顺序自动加工各种工件，并能自动的更换工件和刀具。通常由若干台对工件进行加工的 CNC 机床和所使用的刀具构成。2物流系统物流系统是柔性制造系统中的一个重要组成部分。一个工件从毛坯到成品
32、的整个生产过程中，只有相当小的一部分时间在机床上进行切削加工，大部分时间消耗于物料的贮运过程中。合理的选择 FMS的物料贮运系统，可以大大减少物料的运送时间，提高整个制造系统的柔性和效率。3信息系统信息系统包括过程控制及过程监控两个系统。其功能分别为：过程控制系统进行加工系统及物流系统的自动控制；过程监控系统进行在线状态数据自动采集和处理。信息系统的核心是一个分布式数据库管理系统和控制系统，整个系统采用分级控制结构，即 FMS 中的信息由多级计算机进行控制和监视；向 FMS 的加工系统、物流系统（贮存系统、输送系统及操作系统）提供全部控制信息并进行过程监控，反馈各种在线检测数据，以便修正控制信
33、息，指导车间工作，诸如加工、检测、刀具更换、工件的装卸等。信息系统中信息流如图 1.4 所示。5基于 CAD 的加工中心在线检测系统研究与开发FMS 系统中共有三种不同类型的数据，它们是基本数据、控制数据和状态数据。1） 基本数据 包括系统配置数据和物料基本数据。系统配置数据有机床编号、类型、存贮工位号、数量等。物料基本数据包括刀具几何尺寸、类型、耐用度、 托盘的基本规格等。2） 控制数据 包括工艺规程、数控程序、刀具清单技术控制数据、加工任务单。3） 状态数据 包括机床加工中心、清洗机、测量系统、装卸系统和输送系统等装置的运行时间、停机时间等的设备状态数据，及物料状态数据和工件实际加工进度、
34、实际加工工位、加工时间、加工精度、以及成品数、费品率的工件统计数据。夹具数运输系统据程 工业机器人或处信息及 序 自动装卸机理程序输入 存 及 加工系统贮 分 检测系统加工控制、监视配 刀库图 1.4 FMS 信息流Fig. 1.4 Information stream of FMS1-2-3 柔性制造系统与在线检测的关系先进制造技术（Advanced Manufacturing Technology：AMT）的柔性制造系统（FMS ）中，尺寸测量及控制是检测监控中一项重要内容，也是生产过程中质量保证和质量控制的基本手段 7。FMS 中的主要加工设备有镗铣加工中心，车削加工中心等，三坐标测量机
35、作为系统中的主要检测设备可以实现产品的下线终检，尽管测量机功能强、精度高，但各种测量都在上面进行是不经济的，它会增加生产的辅助时间，降低生产效率，特别是产品下线终检不合格会造成产品的报废。因此希望在加工前、加工过程中进行检测，实现工件的自动定位以及工序间在线尺寸检测。制造系统的柔性，可以分为生产柔性和加工柔性两个层次。生产柔性指制造系统适应产品品种变化等大环境、或系统外部环境变化的能力，生产柔性主要由系统上层控制层的柔性控制的。加工柔性则指制造系统适应加工条件变化等小环境的变化、或系统内部小环境变化的能力，由于制造系统内部的非理想事件多发生在底层设备层，因此加工柔性是由系统底层设备的柔性决定的
36、。FMS 等新一代制造系统集成了 CAD、CAM 等技术，较之传统的刚性自动生产线的柔性有了很大的提高，但是它的正确、可靠运行仍须以严格限定的加工柔性为前提。FMS 等制造系统虽能够高效生产多品种产品，但当出现加工条件非理想限定状况，如同一品种零件的不同个体存在毛坯余量分布正负超差，零件初始装卡位置不准确，工件的定位误差等，对小批量生产而言，势必增加初始准备时间和费6河北工业大学硕士学位论文用，影响加工中心的效率和精度。由于系统底层设备的非理想状况制约了生产的柔性，所以必须提高底层设备的加工柔性。目前，在先进的数控加工过程中，采用手工检测（利用卡尺、百分表等测量、定位），离线检测（用三坐标测量
37、机等）的检测方法未能实现检测的自动化，从而制约了生产的自动化。采用在线检测技术可以很好改善底层设备的非理想状况。在线检测是利用安装在 CNC 主轴上的三维测头来进行在线质量数据测量和质量控制的。三维测头是一种表面接触测量装置，控制器根据机床的三个方向的位置移动坐标，得到被测工件的测量结果。三维测头就像数控机床的刀具一样，平时放在机床的刀库中，需要检测时，由机械手取出，安装在主轴孔中，进行检测。在线循环质量控制的原理是在每次关键的切削之前，首先测量工件的位置，然后把测量结果送入控制器，控制器根据比较，通过宏指令修改机床存储器中的补偿表，达到在线补偿的目的。在线循环测量利用 CNC 机床的坐标控制
38、功能，把零件的加工和检测集成在一起，可以实现在加工间隔进行在线测量，并可根据测量结果，进行加工补偿，实现在线质量控制。三维测头除了可以进行在线质量补偿控制外，还可以在序前决定工件在机床上的精确定位和工件的位置，测量毛坯的余量，以及决定加工过程的进给量。1-3 课题的提出及研究内容1-3-1 CAD 技术的发展计算机辅助设计（Computer Aided Design 简称 CAD）技术，作为信息技术的一个重要组成部分，是促进科研成果的开发和转化，促进传统产业和学科的更新和改造，实现设计自动化，增强企业及其产品在市场上的竞争力，加速国民经济发展和国防现代化的一项关键性技术，也是进一步向计算机集成制造系统（CIMS）发展的重要技术基础。CAD 技术依赖于计算机软硬件技术及其它相关技术的发展，现已成为一门综合性应用的新技术，包括二维工程图设计、三维几何设计、有限元分析、数控加工、仿真模拟、产品数据管理、网络数据库以及上述技术（CAD/CAE/CAM）的集成技术等。CAD 技术的使用使产品设计、制造的工作内容和方式发生了根本性变革，这一技术成为工业发达国家制造业保持竞争优势、开拓市场的重要手段。1990 年美国国家工程科学院将 CAD 技术评为当代十项最杰出的工程技术成就之一。CAD 技术已成为现代企业不可或缺的一种设计手段，其之所以如此重要，是因为它推动了几乎
