（机械电子工程专业论文）基于stepnc的数控加工在线检测路径规划与仿真技术研究.pdf

摘要 摘要 为了在低成本、高生产率条件下保证产品质量，目前先进制造技术研究的关 键技术之一就是在数控机床上对工件进行在线检测。当前数控系统所采用的数据 接口标准是基于g 代码( i s o6 9 8 3 ) 的。基于g 代码的加工信息是单向的，数控系 统只能按照加工程序控制数控机床的运动，检测结果不能直接反馈到数控系统中， 编程人员也只能根据检测结果通过人工调整加工程序。 为了提高c a d c a p p c a m c n c 之间的数据交换能力以及克服i s 06 9 8 3 标准的 缺点，1 9 9 7 年，欧、美等工业发达国家提出了一种新的数控接口标准s t e p - n c 。 s t e p - n c 标准是s t e p 标准向数控领域的拓展，目的是建立起一条贯穿产品设计与 制造过程的信息高速公路。s t e p n c 标准第1 6 部分i s o1 4 6 4 9 - 1 6 定义了s t e p n c 检测模型，利用此模型可以把检测工步和加工工步集成到一个加工程序当中，并一 可把检测结果存储在数据模型之中，可以实现加工与检测的无缝双向连接。随着 制造系统向集成化、智能化的方向发展，基于s t e p - n c 的数控n i 在线检测技术 必将有着广阔的发展前景。 作为山东省自然科学基金项目基于s t e p - n c 数控加工在线尺寸检测理论和 关键技术研究( 项目号：y 2 0 0 7 f 4 7 ) 的一部分，本课题主要实现了一个基于s t e p n c 的数控加工在线检测路径规划与三维建模仿真系统。 本文以j a v a 及j a v a 3 d 为开发平台，首先利用递归算法实现了s t e p - n c 程序 信息提取，将提取的信息以信息树的形式进行了可视化显示；然后利用d e ) ( e l 体 造型技术实现了零件的三维建模显示；对s t e p - n c 特征根据检测要求进行了分类， 方便了检测路径规划，后分析了测头参数确定、测量点分布以及避障原则，实现 了特征内部元素的检测路径规划和基于遗传算法的特征间检测路径规划；最后用 模拟测头对检测路径进行仿真，验证了检测路径规划的可行性。 仿真系统以图形化的方式再现了数控机床在线检测过程，可形象直观地对检 测路径规划进行检查，提前发现检测程序中的错误，以避免在真实检测过程中对 在线检测系统所造成的破坏，并为以后的现场应用打下基础。 关键词：s t e p - n c ；三维建模；路径规划；检测；仿真 a b s t r a c t 奠| | 舅量鼻量鼍| 鼍置舅量| 鼍皇置置一m mm_ a b s t r a c t i no r d e rt oe n s u r et h eq u a l i t yo ft h e p r o d u c ti nl o wc o s ta n dh i g hp r o d u c t i v i t y , n o w , t h ek e yt e c h n o l o g yo fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c hi st h ec n co n - l i n ei n s p e c t i o n n o w a d a y s ，t h ed a t ai n t e r f a c es t a n d a r do fc n ci sb a s e do ngc o d e ( i s o6 9 8 3 ) t h ed a t a f l o wo fp r o c e s s i n gb a s e do ngc o d ei sm o n o d i r e c t i o n a la n dt h ec n cc a no n l yc o n t r o l t h em o t i o nl i t e r a l l ya c c o r d i n gt ot h em a c h i n i n gp r o g r a m ，t h e r e f o r e ，t h ei n s p e c t i o nr e s u l t c a n n o tf e e d b a c kt ot h ec n c s y s t e mt i m e l y t h ep r o g r a m - m a k e rw i l lh a v et oa d j u s tt h e m a c h i n i n gp r o g r a mb yt h e i rh a n d sa c c o r d i n gt ot h ei n s p e c t i o nr e s u l t i no r d e rt oi m p r o v et h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nc a d 、c a p p 、c a ma n dc n c ，a n d o v e r c o m et h ed e f e c to ft h ei s 0 6 9 8 3 ，t h ei n d u s r i e dc o u n t r i e sp u tf o r w a r ds t e p - n c - - - a n e ws t a n d a r do fc n ci n t e r f a c e s t e p n ci sa ne x t e n s i o no fs t e pi nt h ef i e l do fc n c ， a i m i n gt ob u i l da ni n f o r m a t i o nh i g h w a yb e t w e e np r o d u c td e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g t h es i x t e e n t hp a r to ft h es t e p - n c ( i s o14 6 4 9 16 ) d e f m i t e st h ei n s p e c t i o nm o d e lo f s t e p - n c ，t h r o u g hw h i c ht h ew o r k i n g s t e p so fm a c h i n i n ga n di n s p e c t i o nc a ni n t e g r a t e d i n t oo n ep r o g r a m t h er e s u l to ft h ei n s p e c t i o nw i l lb es t o r e di nt h ed a t am o d e lt of u l f i l l t h es e a m l e s sb i d i r e c t i o n a lc o n n e c t i o nb e t w e e nm a c h i n i n ga n di n s p e c t i o n w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n gs y s t e mb e c o m i n gm o r ei n t e g r a la n di n t e l l i g e n t ，t h ec n c o n - l i n ei n s p e c t i o nb a s e do ns t e p - n cw i l lc e r t a i n l yh a v et h eb r o a dp r o s p e c t si nt h e f u t u r ed e v e l o p m e n t t h i st o p i ci sap a r to ft h ep r o j e c t , n a m e l y , t h ec h i cr e s e a r c ha b o u to n l i n e d i m e n s i o ni n s p e c t i o nt h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g y , w h i c hi sf m a n c e db yt h es h a n d o n g p r o v i n c en a t u r a ls c i e n c ef u n d ( p r o j e c ti di sy 2 0 0 7 f 4 7 ) t h i st o p i cf u l f i l l sas t e p - n c b a s e dc n c o n l i n e - i n s p e c t i o np a t hp l a n n i n ga n d3 dm o d e l i n gs i m u l a t i o ns y s t e m b a s e do nt h ep l a t f o r mo fj a v aa n dj a v a 3 d ，t h es y s t e mf i r s t l yf i n i s h e st h e i n f o r m a t i o ne x t r a c t i o no fs t e p - n ca n ds h o wi tv i s u a l l yi nt h ef o r m a to fi n f o r m a t i o n t r e e t h e n ，i ta c h i e v e st h e3 dp a r tm o d e l i n gv i at h ed e x e lt e c h n o l o g y a l lt h e s t e p - n cf e a t u r e sa r ec l a s s i f i e da c c o r d i n gt ot h ei n s p e c t i o nr e q u i r e m e n t si no r d e rt o m 山东大学硕士学位论文 皇罾皇量皇曼置| 曹皇皇一i l l 鲁e 量量置量曼置蔓鲁皇量皇囊 f a c i l i t a t et h ep a t hp l a n n i n g a f t e rt h a t , t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e st h es e t t i n go fp r o b e p a r a m e t e r 、t h ep r i n c i p l eo ft h ed i s t r i b u t i o no ft h ei n s p e c t i o np o i n t sa n do b s t a c l e a v o i d a n c ep o i n t s a l s o ，i tf u l f i h st h ei n s p e c t i o np a t hp l a n n i n go fe l e m e n t si no n ef e a t u r e a n dp a t h p l a n n i n ga m o n gf e a t u r e su s m gi m p r o v e dg e n e t i c a l g o r i t h m f i n a l l yt h e s i m u l a n tp r o b es i m u l a t e st h ei n s p e c t i o np a t ht ov a l i d a t et h es y s t e mf e a s i b i l i t y t h es i m u l a t i o ns y s t e mg r a p h i c a l l yr e - c r e a t e st h ep r o c e s so ft h ec n co n - l i n e i n s p e c t i o n i tc a nv i s u a l l ys i m u l a t et h ei n s p e c t i o np a t ha n df m dt h ee l t o ri nt h ep r o g r a m a d v a n c e l yi no r d e rt od i m i n i s ht h ed a m a g ei nt h er e a li n s p e c t i o nt i m e t h es y s t e ma l s o b u i l d st h ef o u n d a t i o nf o rt h el a t e rr e a la p p l i c a t i o n i v k e y w o r d s ：s t e p - n c ；3 dm o d e l i n g ；p a t hp l a n n i n g ；i n s p e c t i o n ；s i m u l a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：望蔓盥日期：塑! ! ! ：望 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅：本人 授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盈差盏导师签名：趔至窆日 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着经济发展和市场的全球化趋势，用户对产品的质量、更新换代的速度以 及产品从设计、制造到投放市场的周期都提出了越来越高的要求。要满足这一要 求，不仅要采用先进的设计与制造技术来进一步提高产品质量，而且也需要采用 先进的检测技术来提高产品检测水平n 1 ，以实现检测过程的高精度、自动化、柔性 化、智能化和1 0 0 , 6 在线检测等目标。 据抽样调查，目前我国因产品质量问题，如废品、次品、返修品等，所造成 的经济损失约为产值的1 0 - 1 5 乜3 。为了保证产品质量，许多企业配备了各种测 量仪器甚至三坐标测量机对加工后的零件进行检测，用来控制产品质量。 目前数控加工在线检测主要是在数控机床上利用数控系统本身的在线检测功 能或者自行开发的检测软件对数控加工后的零件进行检测，数控加工在线尺寸检 测已经不是一个新问题。但是传统数控机床的在线检测信息不能完全集成到加工 过程中。如何将数控加工和在线尺寸检测集成并实现无缝连接实现智能控制成了 研究的关键问题。 传统数控系统不能根据检测信息实现动态实时智能控制，目前数控系统所采 用的数据接口标准是基于g 代码( i s o6 9 8 3 ) 的。基于g 代码的加工信息是单向的， 数控系统只能按照加工程序控制数控机床的运动，检测结果不能直接反馈到数控 系统中。编程人员只能根据检测结果通过人工调整加工程序。 s t e p - n c ( i s o1 4 6 4 9 ) 数据模型能够提供包括几何数据的高层工艺信息，保证 双向信息流动。i s o1 4 6 4 9 - 1 6 部分创建了应用于在线检测的s t e p - n c 数据模型， 可以建立基于s t e p - n c 的在线尺寸检测模型。s t e p n c 在c a d c a p p c a m c n c 之间 提供了一个统一的数据接口，建立了统一的信息交换环境，真正实现了的闭环加 工工艺链，实现了智能控制功能n 1 。随着制造系统向集成化、智能化的方向发展， 基于s t e p - n c 的数控加工在线检测技术必将有着广阔的发展前景。 山东大学硕士学位论文 1 2s t e p - n c 概述 目前工业化应用中的n c 所采用的编程方式还是基于i s o6 9 8 3 ( g m ) 标准。这 种代码仅仅包括一些简单的运动指令和辅助指令，而不包含零件几何形状、刀具 路径生成、刀具选择等信息，因此需人工干预，以确定这些数据，进而导致编程 效率低等问题的出现啪。随着计算机辅助系统c a x 技术、系统集成技术等的飞速发 展和广泛应用，该标准已越来越不能满足现代n c 系统的要求，成为制约数控技术 乃至自动化制造发展过程中的瓶颈问题。 1 9 9 7 年欧共体提出了o p t i m a l ( o p t i m i z e dp r e p a r a t i o no fm a n u f a c t u r i n g i n f o r m a t i o nw i t hm u l t i - l e v e lc a m - c n cc o u p l i n g ) 计划。将s t e p ( s t a n d a r df o r t h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t e ，i s o1 0 3 0 3 ) 睁删延伸到自动化制造的底 层设备，开发了一种遵从s t e p 标准、面向对象的数据模型( 称为s t e p - n c ，d a t a m o d e lf o rc o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r o l l e r s ) ，以其作为铣削加工编程的 数据接口。s t e p 州c 将产品模型数据转换标准s t e p 扩展到c n c 领域，重新制定了 c a d c a m 与c n c 之间的接口，为实现c a d c a m c n c 之间的无缝连接，以及实现真正 意义上的完全开放式数控系统奠定了基础。 s t e p - n c 是s t e p 向数字化制造领域的扩展，是设计模块和制造模块之间基于 s t e p 建立的接口标准。s t e p 州c 要求c n c 系统直接使用符合s t e p 标准( i s o1 0 3 0 3 p a r t s2 1a n d4 2 4 3 ) 的c a d 三维产品数据模型( 加上工艺信息和刀具信息) 工 步来驱动机床。c a m 系统只负责加入工艺信息和刀具信息而不必进行后处理。新的 数据模型以制造特征( 如孔、型腔、螺纹、倒角等) 进行编程。加工过程是以“工 步( w o r k i n gs t e p s ) ”作为基本模块。工步是对机床具体动作的概括描述，内容 涉及三维几何信息、刀具信息、制造特征与工艺信息m 1 。这为机床的智能化提供 了发展空间，机床在完全“了解”产品的条件下可以根据具体情况调整或优化具 体的操作。 s t e p - n c 中的特征专指制造特征( m a n u f a c t u r i n gf e a t u r e ) ，与c a d 中的特征 概念之间没有一一对应的关系。其制造特征分为域特征( r e g i o n ) 、2 5 轴制造特 征( t w o s dm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e ) 和过渡特征( t r a n s i t i o nf e a t u r e ) 。 2 第1 章绪论 零件的加工是通过对工件上一系列特征的加工来实现的，具体方法称为操作。 i s o1 4 6 4 9 中，操作可以是对工件某一部分进行加工处理的过程即机加工操作 ( m a c h i n i n g _ o p e r a t i o n ) ，也可以是一次快速移动( r a p i dm o v e m e n t ) 或探测 ( t o u c h _ p r o b i n g ) 。根据加工工艺的不同，机加工操作可以是铣削操作 ( m i l l i n g _ m a c h i n i n g _ o p e r a t i o n )，也可 以 是 车削 ( t u r n i n g _ m a c h i n i n g _ o p e r a t i o n ) 或其它操作。通常一个机加工操作中不能有刀 具或工艺参数( t e c h n o l o g y ) 的变动。具体操作信息通常包括工艺方法、刀具 ( m a c h i n i n g _ t 0 0 1 ) 、走刀策略( s t r a t e g y ) 、工艺参数、机床辅助功能 ( m a c h i n e _ f u n c t i o n s ) 等。 s t e p - n c 程序的执行顺序是通过一系列可执行体( e x e c u t a b l e ) 来体现的。值 得一提的是，操作虽然是特征的具体实现方法，但它本身不是可执行体。可执行 体包括工作计划( w o r k p l a n ) 、n c 功能( n cf u n c t i o n ) 和工步( w o r k i n g s t e p ) 。 其中工步是对工件制造过程中机床具体动作的概括性描述，即运用一定的操作 ( o p e r a t i o n ) 完成某一任务，被认为是s t e p - n c 数控程序的基本单位。 s t e p - n c 优点： ( 1 ) 消除数控程序对数控系统的依赖性。s t e p - n c 数据接口是一种中性描述， 不依赖于具体的c a m 系统、数控系统。提高数控程序的可移植性和系统的柔性， 解决数控系统间的兼容性问题； ( 2 ) s t e p 和s t e p - n c 的应用可实现c a d 、c a m 、c n c 之间的无缝连接，直接 进行信息交换，消除产品生命周期内制造数据的不兼容问题： ( 3 ) s t e p 和s t e p n c 支持双向信息流。加工现场的数据可以回溯到上游系统 进行加工程序的更新或优化。方便系统间的信息交换和共享，为网络化制造等先 进生产模式打下基础： ( 4 ) s t e p - n c 为实现一个基于网络的开放的多智能体系统打下基础。原则上 讲， 只要具备网络条件和s t e p s t e p - n c 接口，任意物理位置的系统都可以参与 制造过程。产品可以由任意平台上的c a d 系统进行设计；由任意c a p p 系统进行 工艺规划；在任意车间在由任意厂商提供的设备上进行加工。 s t e p - n c 的这些特点使得c n c 系统不仅知道如何加工，还知道加工的是什么， 山东大学硕士学位论文 从而为研究数控系统的开放性，智能化和网络化奠定基础，使得产品的设计和制 造可以摆脱系统平台和物理位置的束缚，实现异地设计、异地规划和异地制造的 目标，为并行工程、敏捷制造等先进生产模式提供了技术基础n 船 1 3 数控机床在线检测技术介绍 数控机床的在线检测系统由软件和硬件组成。硬件部分通常由以下几部分组 成埘： ( 1 ) 机床本体机床本体是实现加工、检测的基础，机床本体的运动既能实现 数控加工所需的运动，又能够满足在线测量所需要的运动。其传动部件的精度直 接影响着加工、检测的精度。 ( 2 ) 数控系统能够实现在线检测的数控机床一般采用专用的c n c 数控系统 或者开放式数控系统。这种系统在实现基本数字控制功能的前提下，还要能够满 足在线测量需要，即能够根据测量系统反馈的信息进行误差校正。 ( 3 ) 伺服系统在线检测的数控机床的伺服系统既能够进行数控机床的进给 位置伺服控制和主轴转速( 或位置) 伺服控制，又能够满足在线检测的需要。 ( 4 ) 在线检测系统在线检测系统有接触式或非接触式测头、信号传输系统和 数据采集系统组成，是数控机床在线检测系统的关键部分，直接影响着在线检测 的精度。其中关键部件为测头，使用测头可在加工过程中进行尺寸测量，根据测 量结果自动修改加工程序，改善加工精度，使得数控机床既是加工设备，又兼具 测量机的某种功能。 ( 5 ) 计算机系统在线检测系统利用计算机测量数据的采集和处理、检测数控 程序的生成、检测过程的仿真及与数控机床通信等功能。在线检测软件可以是由 数控系统生成的基本宏程序和用户开发的宏程序库，也可以是由用户自主开发的 自动测量系统。 如图1 - 1 所示，在数控机床上进行在线检测时，首先由主控计算机生成检测 主程序，将检测主程序通过通信接口传输给数控机床，使测头按程序规定路径运 动。当测头接触工件时发出触发信号，通过测头与数控系统的专用接口将触发信 号传给机床的数控系统，该点的坐标被记录下来。信号被接收后，机床停止运动， 4 第i 章绪论 测量点的坐标通过通信接口传回计算机，然后进行下一个测量动作。主控计算机 通过监测c n c 系统返回的测量值，可对系统测量结果进行计算补偿及可视化等各 项数据处理工作。 1 4 国内外研究现状 图1 - 1 数控加工在线检测系统 1 4 1 数控加工在线检测技术的研究进展 世界上许多发达国家都进行过数控加工在线检测技术的研究。目前，大多数 厂家都通过购置专业坐标测量机厂家如r e n i s h a w 、b r o w n s h a r p 等的设备来完 成对曲面零件的测量工作n 帕。数控加工检测技术日趋成熟，已经在很多数控机床 上使用。 国内外数控加工在线检测系统应用较多的还是英国雷尼绍公司生产的雷尼绍 测头。它们用于数控车床、加工中心，数控磨床、专机等大多数数控机床上，在 数控机床上实现在线检测n 钉。英国d e l c a m 公司开发了数控加工在线检测系统 p o w e r i n s p e c t 在线检测模块n 刀。英国d e l c a m 公司的检测系统p o w e r l n s p e c t 是 一款开放的检测软件，不受测量设备的限制，即可以在线检测，也可以脱机检测。 新版本的p o w e r i n s p e c t 具有在机检测( o m v - o nm a c h i n ev e r i f i c a t i o n ) 模块， 该检测软件既可以用在三坐标测量机等检测设备上，还可以用在数控机床上进行 在机检测。 5 山东大学硕士学位论文 量皇皇量暑舅i i! | 量冒皇曼量曼曼曼鼍量曼曼曼量舅量皇量寞置i 英国曼彻斯特大学机械工程学院t y a n d a y a n 等在2 0 世纪9 0 年代提出了一 种利用钳式测头在线测量工件尺寸的方法n 阳。m - w c h o 等( i n h au n i v e r s i t y ， k o r e a ) 在2 0 0 2 年提出了基于c a d c a m c a i 集成的在机测量过程，并开发了一种 高效的针对雕塑表面在机测量的检测策略n 们。美国d r e x e lu n i v e r s i t y 的y o n g j i n k w o n a ( d r e x e lu n i v e r s i t y ，p h il a d e l p h i a ，p a1 9 1 0 4 ，u s a ) 等探讨了在数控铣 床上进行在线闭环检测时，不同因素对检测精度的影响。他们在数控铣床上对加 工不同材料的工件进行加工，加工不同尺寸的孔，并对数控机床在线检测和三坐 标测量机检测的结果进行对比。对使用主轴接触式测头进行在机测量方法和c n c 数控铣床加工闭环在机检测技术进行了研究啪_ l 勿。t y l e ra d a v i s ( b r i g h a my o u n g u n i v e r s i t y ( b y u ) ) 等成功地将c m m 技术集成到数控机床上，可以直接利用c m m 软 件如( p c - d m i s ) 对工件进行在线尺寸检测1 。美国g e o r g ew a s h i i n g t o nu n i v e r s i t y 的y s h e n 等对三坐标测量机和数控加工中心中的接触式测头测量中的预行程误 差进行了研究。 我们国家许多科研部门也进行数控加工在线检测技术的研究。南京电子技术 研究所陈晓梅等在d h p 5 0 数控镗铣加工中心( 数控系统是f a n u c1 6 i ) 上利用非接 触式红外测头实现了在线尺寸检测，用于在数控机床上对雷达产品中的关键精密 零件进行尺寸精度和形位公差的在线检测1 。浙江大学生产工程研究所鞠华等研 制了利用工业p c 机( i p c ) 与p m a c 集成控制的开放式数控在线非接触测量系统， 完成了对曲面零件的实时测量任务。唐山学院张风梅等针对长春第一汽车集团 四环分厂的车用凹凸模件的修复制造及样件仿制工作，提出了一种针对具体工件 开发专用数控加工与检测集成系统。该系统对工件的基本几何特征进行规划，建 立了基本几何量的检测宏程序库并针对具体工件自动形成检测加工程序嘲。刘丽 冰等提出了基于特征的检测路径规划方法，实现了检测路径自动规划及编程，并 对加工中心在线检测误差补偿技术进行了研究随嚣】。台湾c h u n gy u a nc h r i s t i a n u n i v e r s i t y 的m i n gc h a n g a 等对数控加工在线测量技术进行研究，提出了利用模 糊逻辑控制方法对自由曲面进行检测 6 第1 章绪论 1 4 2 基于s t e p - - n c 的数控加工在线检测技术的研究进展 传统数控机床的在线检测信息不能完全集成到加工过程中。如何将数控加工 和在线尺寸检测集成并实现无缝连接、智能控制成了研究的关键问题。s t e p - n c ( i s o1 4 6 4 9 ) 数据模型的出现为数控加工和在线尺寸检测的集成提供了可能。 2 0 0 4 年，德国a a c h e n 大学机床和生产工程实验室( w z l ) 的b r e c h e r 提出了 第一个闭环加工链的原型，该原型将检测信息集成到s t e p - n c 信息流中，提出了 能够在c a m 和c n c 之间进行双向数据交换的基于对象的s t e p - n c 编程接口，将c n c 集成到c a x ( c o m p u t e ra i d e dt e c h n o l o g i e si ng e n e r a l ) 中口。2 0 0 5 年，英国 l o u g h b o r o u g hu n i v e r s i t y 的stn e w m a n 也对基于s t e p - n c 的数控加工在线检测 系统进行了研究，将s t e p - n c ( i s 0 1 4 6 4 9 ) 和a p 2 1 9 集成，提出了基于s t e p - n c 的 数控加工在线检测系统的框架嘞1 。德国斯图加特大学( u n i v e r s i t yo fs t u t t g a r t ) 的m w o s n i k 等对基于s t e p - n c 的c a p p 系统进行了研究d 朝。2 0 0 6 年新西兰a u c k l a n d 大学机械工程系研究人员利用i s o1 4 6 4 9p a r t1 6 创建了应用于在线检测的 s t e p - n c 数据模型，描述了c n c 控制器和检测编程系统之间的接口泓1 。韩国的 s u k - h w a ns u h 对基于s t e p 的智能c n c 进行了研究。 基于s t e p - n c 的数控检测研究取得了一定的成果，但还存在很多的问题。总 体上还处于早期研究阶段，目前的研究大多停留在s t e p - n c 接口技术和功能结构 框架上，还没有深入研究与数据模型相适应的新方法、新技术；研究工作不平衡， 主要针对铣床进行研究；研究多集中于模型、框架、概念、数据处理等方面，在 s t e p - n c 与实际加工检测的结合方面尤其是涉及到底层的路径规划的研究比较 少，而且都处于起步阶段。 1 5 课题研究内容及意义 1 5 1 课题研究内容 本课题是山东省自然科学基金项目基于s t e p - n c 数控加工在线尺寸检测理 论和关键技术研究( 项目号：y 2 0 0 7 f 4 7 ) 的一部分。 主要研究内容是：以j a v a 及j a v a 3 d 为开发平台，实现s t e p - n c 程序信息提 7 山东大学硕士学位论文 量晕量 鼍鼍皇舅| 皇曼舅| 皇曹皇曼墨昌罾曼量曼皇蔓曼量皇罾鼍皇一 取，对s t e p - n c 特征根据检测要求进行分类，以特征为单位进行检测路径规划， 实现特征间检测路径的自动生成。最后对检测路径进行路径仿真。 论文组织结构如下： 第l 章绪论首先介绍了课题提出的背景，然后对相关s t e p n c 概念进行了描 述，最后介绍了课题国内外研究现状和课题的研究内容与意义。 第2 章主要描述了s t e p - n c 程序信息提取方法。首先对s t e p - n c 程序进行了 分析，然后描述了e x p r e s s 向j a v a 语言的映射关系以及s t e p n c 程序信息提取流 程；最后将提取的信息以信息树的形式进行了可视化显示。 第3 章主要实现了检测仿真系统的三维建模与显示。分析了当今主流的3 da p i 接口，描述了三维模型数据的表达方式，最后实现了三维模型的动态构建与显示。 第4 章详细描述了基于s t e p n c 的数控加工在线检测的路径规划方法。首先 对s t e p - n c 特征根据检测要求进行了分类；然后分析了测头参数确定、测量点分 布以及避障原则；最后实现了特征内部元素的检测路径规划和基于遗传算法的特 征间检测路径规划。 第5 章详细介绍了本仿真实验平台。首先介绍了如何运用j a v a 3 d 动画技术实 现仿真与碰撞检查；然后描述了数控检测仿真系统流程；最后对该仿真系统的几 个功能模块进行了介绍，主要包括文件读取、特征信息与三维模型显示、检测参 数设置和检测路径仿真验证。 最后对全文工作进行了总结与展望。 1 5 2 课题意义 随着科学技术的发展，为了实现在低成本、高生产率和高产品质量的加工， 目前的先进制造技术研究的关键技术之一就是数控加工在线检测 o m m ( o n - m a c h i n e - m e a s u r e m e n t ) 技术。传统的在线检测方法是由机床操作人员通 常需要数控机床上对正在加工的工件用卡尺、千分尺、内径千分尺等进行在线测 量，检测手段落后，效率低，可靠性差。对于垂直度、平行度等形位公差要求高 的精密零件，机床操作人员只能在加工过程中将零件拿到三坐标测量机上进行检 测。在精密零件的加工过程中，工件离机测量和再上机安装定位都会带来一定的 8 第1 章绪论 舅罾| | 皇置皇_ p m_ i 皇鼻置置量鼻舅 误差，有些误差是难以消除的。特别对于高精密零件来讲，一旦在加工结束时发 现超差，零件只能报废。因此，在数控机床上配置检测系统来保证工件的加工精 度已经成了先进制造技术的一种发展趋势】。 数控加工在线检测技术就是在数控机床上使用测头对正在加工的或者加工后 的工件进行自动在线测量。采用这种方法，数控机床在基本加工功能的基础上增 加了测量功能，方便了工件的安装调整，减少工件的搬运和装卸次数，缩短辅助 时间，提高加工精度和生产效率。将在线检测技术融于数控加工之中，能使操作 者及时发现工件存在的问题，并反馈给数控系统。数控系统根据检测系统反馈的 信息，及时修正系统误差和随机误差，以改变机床的运动参数，更好地保证加工 质量，促进加工测量一体化的发展口钉。 为了提高c a d c a p p c a m c n c 之间的数据交换能力以及克服i s 0 6 9 8 3 标准的缺 点，1 9 9 7 年，欧、美等工业发达国家提出了s t e p - n c ，一种新的数控接口标准。 s t e p - n c 标准是s t e p 标准向数控领域的拓展，目的是建立起一条贯穿产品设计与 制造过程的信息高速公路。s t e p - n c 标准第1 6 部分i s o1 4 6 4 9 - 1 6 啪1 定义了s t e p - n c 检测模型，利用此模型可以把检测工步和加工工步集成到一个加工程序当中，并 可把检测结果存储在数据模型之中，可以实现加工与检测的无缝双向连接。 本课题开发了一个基于s t e p - n c 的数控加工在线检测路径规划与仿真系统。 本系统以j a v a 语言实现了s t e p - n c 程序的信息提取，并根据提取的尺寸信息运用 j a v a 3 d 进行了三维建模，对s t e p - n c 里面的所有特征根据检测要求进行了分类， 方便了检测路径规划，同时实现了基于遗传算法的特征间检测路径优化。仿真系 统以图形化的方式再现数控机床在线检测过程，可形象直观地对检测路径规划进 行检查，提前发现检测程序中的错误，以避免在真实检测过程中对在线检测系统 所造成的破坏，并为以后的现场应用打下了基础。未来的研究计划将设计一个检 测分析模块，把检测结果反馈给检测分析模块，真正实现加工与检测的无缝连接， 闭环控制。 9 第2 章s t e p - n c 信息提取 第2 章s t e p - n c 信息提取 2 1 $ t e p - n c 程序分析 s t e p - n c 程序摈弃了传统数控程序中直接对坐标轴和刀具动作进行编码的做 法，采用了s t e p 数据格式和面向特征的编程原则，使得零件加工程序( 数控程序) 无论在格式还是内容方面都发生了重大变化。s t e p - n c 采用了s t e p 文件格式。通 常的加工程序都很长。例如，对于简单的加工任务在传统数控程序中只需要几十 行代码，但采用i s o1 4 6 4 9 中的描述方法则可能需要几百行，而如果采用a p 一2 3 8 则需要上千行，而且实体的调用关系复杂。这种形式尽管适合计算机处理的要求， 但却不便于人类阅读。从手工编程的角度看，数控编程难度( 针对复杂曲线曲面 的编程除外) 大大提高。从内容上看，s t e p - n c 数控程序几乎包含了与制造有关的 所有信息，而且重在描述加工任务和要求而不是具体的实现过程。整个数控程序 就如同“一堆原材料及粗略配方 例，不可能直接翻译为运动代码，更不可能像 传统数控程序那样逐行解释执行。 2 1 1s t e p - - n c 程序结构 s t e p - n c 程序本身采用i s 0 - 1 0 3 0 3 - 2 1 规定的文件格式( 图2 - i ) ，以 “i s 0 - 1 0 3 0 3 - 2 1 ：一开始，以“e n d - i s 沪1 0 3 0 3 2 1 ：一结束。整个文件可分为两部 分：文件头和数据段。文件头以“h e a d e r 为标记，主要说明文件名、编程者、 日期以及注释等。数据段以“d a t a 开始，按“实体标识= 实体名( 属性值) ； 的 格式列出。其中实体标识以字符“# 与一个不超过9 位的整数组成，属性出现的 顺序和e x p r e s s 说明中的顺序相一致。继承属性必须在显式属性之前。属性值可 以是一般数据也可以是实体实例，其中定义为o p t i o n a l 的属性可以给出属性值也 可以不给出，不给出时以“$ 表示。 圈2 - 1s t e p - n c 铣削程序示例 数据段是数控程序的主体，通常会对加工任务( 工程) 进行详细的描述。在 数据段中，程序的起始于其中的工程( p r o j e c t ) 语句。每个数控程序只能有一个 工程语句。其工作方案通常包含一系列的工步或子方案，井通过工步将数据模型 中的几何信息和工艺信息联系在一起。几何信息主要通过指零件的特征的位置以 及其几何形状信息来表达。加工信息包含在工艺方法、走刀策略、工艺参数、刀 具、机床n c 功能等实体中。刀具实际上是指完成该工步所需要的刀具种类、型号 和参数等。走刀策略包括进退刀方式和切削方式( 如环切、行切等) 。工艺参数指 加工时的切削用量等。机床辅助功能则大致对应传统数控程序中由m 代码所实现 的功能，如切削液的开关等，但s t e p n c 中只规定是否需要而不限定何时开或关。 图2 - 2 表示了工程信息的基本组织形式。 第2 章s t e p - n c 信息提取 表示继承关系表示包含关系 图2 - 2s t e p - n c 数据的集成方式 2 1 2e x p r e s s 实体表达 s t e p - n c 标准采用了形式化的规范语言e x p r e s s 来描述产品数据的表达，用它 来描述集成资源和应用协议中的产品数据。e x p r e s s 不仅是产品模型数据的规范语 言，而且是整个s t e p - n c 中数据模型的形式化描述工具( 用e x p r e s s - g 图) 。它不 仅能够被人阅读，还可以被计算机解释。e x p r e s s 还是一种面向对象的语言，语言 的核心包括属性、规则和约束的实体定义。加之具有子类对超类信息的继承性， 使得e ) 【p r e s s 语言能够描述现实世界具有复杂数据结构和关系的对象。下面介 绍在系统信息模型定义中常用到的e x p r e s s 数据类型，说明和界面规范。 e x p r e s s 的在实体类型的属性定义中常用的数据类型包括： 简单数据类型：n u 船e r 、r