基于CAD的加工中心在线检测系统研究与开发---硕士论文

1、基于cad的加工中心在线检测系统研究与开发目前机械加工过程中，工件的定位与检测大部分述耍依靠人工来完成。人工测试不但 工作量大，带有一定的人为因素，而ii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。木文介绍了基于cad的加工中心在线检测系统 的软件的总体分析与设计、功能及关键技术研究。在objectarx的开发

2、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。(2)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 在线检测系统中具有举足轻重的作用。涉及到路径规划

3、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the research and development ofmachine centers on-line inspectingsystem based on cadabstractduring the process of machining, the orientation and inspection of workpiece depend on manpower mostly - the manual i

4、nspecting has some man-made factor and its work is great, some data of quality also carf t be collected the exploitation of machine center on-line inspecting is an imperative problem in the production practice and the critical technology to develop the system of cims/qas . if automatic inspecting te

5、chnology can5t be solved primely, the product quality information can, be integrated. this 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 flexility efficiency and precision of m

6、achine center. the online inspecting system on machining center based on cad is introduced in this paper , include software schematic analysis and design， function and critical technology. in the visual c+6.0 environment of the objectarx and mfc class libraries, graphical data are obtained by second

7、ary development of mdt, inspecting path planning is laid and the inspecting program is made automatically. the inspecting system can be applied for automatic setting up and on-line inspecting of workpiece, and so on.based on software engineering and the recent development of automatic programming te

8、chnology, the requirement analysis, module partition and software schematic design of machine center's on-line inspecting system based on cad and the following criticaltechnologies are studied.(1) the technology of feature recognition and data abstraction. we take the mdt as development platform

9、, and take arx, vc+ and mfc class libraries as development tool, make secondary development on mdt, to abstract data that inspection requires.(2) inspecting path planning module. the path planning is the ligament between cad and on-line inspecting system. it holds the balance in the machine center o

10、n-line inspecting system and includes control parameter and hiberarchy of the path planning.(3) the technology of automatic programme and program integration.at last, a simple prospect for the possible applications is given.key words: on-line inspecting, objectarx, second development, inspecting pat

11、hplanning, data abstraction, automatic programme 111目录摘要iabstractii目录iv第一章绪论1§1-1加工中心在线检测概述1§1-2课题的研究背铢及研究邃义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41-2-3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61-3-1 cad 技术的发展71-3-2 cad/cam 集成技术71-3-3 课題的提出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系统软件总体设计10§2-1从软件工程

12、角度进行软件分析io2- 11 软件需求分析io212 面向数据流的分析ii§2-2 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 轶件系统的功能模块122-2-3 坐标系设定模块132-2-4 待征识别与数据握取模块132-2-5 检河工艺规划m§2-3菜单工具栏开发142-3-1 菜单定制语法142-32 菜单宏命令1523-3 菜单.工具栏制作15§2-4 小结i?第三章特征识别与数据提取技术研究18§3-1 objectarx 简介18§32基于二维图形的在线檢测系统特征识别与数据提収203-

13、2-1数据库对彖的属性21 3-2-2二维检测特征的数据结构及流程图22§33基于三维实体的在线检测系统关键技术研尤 25 331 acbr类库及应用25 3-3-2 acge类库及应用 263-3-3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28§41检测路径规划的重要性28§42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 284-2-2测战距离、测头移动速度29§4-3检濾路径规划的层次分类304-3-1单个特征体的路径规划314-3-2工件组合特征的路径规划32第五章自动编程技术研究35

14、7;5-1自动编程技术的发展35 §5-2基于mdt的在线检测自动編程技术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的应用研丸 38 5-3-1mastercam软件简介及应用 38 5-3-2mastercam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405-4-1 cad/cam的接口技术与数据转换405-4-2加工与检测程用集成模块41第六章实例演示? ?43§6-1基于二维图形的在线检测系统实例演示43§6-1基于三维实体的在线检测系统实例演示46&

15、#167;6-1小结47第七章结论48参考文献49致谢52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牛成，则是集成质量系统的重要环节“j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來完成。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，既是 企业生产实际屮亟待解决的难题

16、，也是开发cims/qas系统屮的关键技术，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，可配备各种性能的测头，从而测量出其工作空间 范围的

17、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。一般來讲，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。在实际生产过程屮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所示。该类测量系统在cnc数控机床或加工中心上配备坐标轴测量装置

18、（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”力软件”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儿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。在线检测技术将加工和检测集成在一起，实现了加工过程屮的自动检测，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

19、控提供了一套行之有效的方法。数控机床日前广图1.1加工屮心在线检测系统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，实现了检测的白动化，是一种基于计算机自动控制的在线检测技术。随着加工中心在生产屮的广 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

20、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：图测头工作原理f

21、ig. 1.2 the principle of the probe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i'可，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

22、，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，己可以实现简单的点、线、面等基本形体儿何参数的测 量。如西安理工大学罗钦跃硕士研制了一套数控加工屮心联机测量设备，实现了一维测头测量二维工件 表面的功

23、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。加工屮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 与该技术在发展川所遇到的一些问题有关。我国企业目前而临的一些主要问题以及在线检测技术本身 存在的问题包扌舌如下：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

24、贵价格，使企业在进行技 术经济方而的分析时，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

25、促进该技术的应用范i韦i，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应用先进制造技术的浪潮，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 划屮的主要关键技术和重要发展方向。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

26、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；另一方血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检测。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ctms阶段。面对日趋激烈的国际市场竞争，各国的制造i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，随看国际市场的发展，市场竞争越来越激烈

27、。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/（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，质量起着举足轻重的作用。数控机床作为ctms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。其屮包括加工前夹具和零件的装卡、找正，零件编程原点的测定，加工屮

28、 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。it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収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（fmsflexible manufacturing system）已越来越受

29、到人们的重视。fms设计的领域包扌舌机床、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屮，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 机的集成起來，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 用于屮、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

30、。3）中间缓冲库存增大。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n以任意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白动动釆集和对象接各加z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

31、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屮的一个重要组成部分。一个工件从毛坯到成品的整个生产过程屮，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i'可，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

32、fms中的信息rh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，以便修正控制信息，指导车i'可工作，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。fms系统屮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 包插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

33、床加工屮心、清洗机、测量系统、装卸系统和输送系统等装置的运行时i'可、停机时i'可等的设备状态数据，及物料状态数据和工件实际加工进度、实际加工工位、 加工吋i'可、加工精度、以及成品数、费品率的工件统计数据。信息及程序输入图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木手段。fms中的主 要加工

34、设备有镇铳加工屮心，车削加工屮心等，三坐标测量机作为系统屮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，降低牛产效率，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

35、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。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，对小批量牛产而言，势必增加初始准备时间和费 用，影响加工川心的效率和精度。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

36、等测量、定位）， 离线检测（用三坐标测量机等）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-种表血接触测量装置，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

37、的。在线循环测量 利用cnc机床的坐标控制功能，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， 是促进科研成杲的开发和转化，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

38、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 己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

39、此重要，是因为它推动了几 乎一切领域的设计革命，cad技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水 平的重要标志之一。cad技术从根本上改变了过去的手工绘图、凭图纸组织整个生产过程的技术管理 方式，将它变为在图形工作站上或微机上交互设计、用数据文件发送产品定义、在统一的数字化产品模 型下进行产品的设计打样、分析计算、工艺计划、工艺装备设计、数控加工、质量控制、编制产品维护 手册、组织备件、订货供应等等。在cad技术的有力支持下，企业己建立起了一套新的设计和生产技 术管理体制。随着cad技术的进一步发展，cad的应用领域正在向深度与广度方面逐渐延伸。由于计算机图形 建模理论的逐

40、渐成熟，在计算机的图形数据中，人们能够为其赋予更多的工程信息，在cad阶段可以 完成更多的工作。就目前cad技术及其相关技术的发展来看，基本上已形成了一套以计算机图形处理 （cad）为中心，实现计算机辅助制造（cam）、计算机辅助工程（cae）、计算机模拟零件装配、以 及快速成型制造（rpm）集成的较为完善的数字化产品设计与制造流程，冲击着传统的制造方式，推 动着制造业的升级换代。1-3-2 cad/cam集成技术计算机辅助设计（cad）和计算机辅助制造（cam）关系十分密切。最初，计算机辅助设计和数 控加工自动编程是两个独立发展的分支。这种“孤岛”形的cad和cam系统的效率不高，经济效益

41、也不显著，为此提出了 cad/cam系统的集成化，即通过工程数据库和网络通讯等技术，把cad和 cam系统的功能有机的结合起来，达到资源共亨。设计系统只有配合数控加工，才能充分显示其巨大 的优越性。cad/cam系统可大大缩短产品的制造周期，显著提高产品质量，从而产生巨大的经济效 益。现在大部分cad/cam系统都属于交互式系统。这种系统以交互方式运行，由计算机检索数据， 分析处理，并将运算结果以图形或数据的形式显示在屏幕上，用户可利用键盘等交互设备输入参数，选 择方案，修改设计，控制运行的进程。cad与cam的集成，使得设计、制造一体化，实现了图形化自动编程。cad/cam随着计算机 硬件和

42、软件的迅速发展口趋完善，在机械、电子、宇航和建筑等部门得到广泛的应用。cad/cam技 术使产品的设计制造和组织生产的传统模式产生了深刻的变革，成为产品更新换代的关键技术。1-3-3课题的提出在科学技术飞速发展的今天，测量对一个国家的发展起着十分重要的作用，如果没有先进的测量技 术与测量手段，就很难设计、制造出性能优良的产品。机械加工是先进制造系统屮最基本最活跃的环节， 其基本目标是在低成本、高生产率的条件下保证产品的质量。为实现该目标必须发展的关键技术之一就 是在线检测技术。在线检测技术是实现加工、检测一体化的基础条件。从fms角度考虑，采用在线检 测技术可以很好改善底层设备的非理想状况，从

43、而提高加工的柔性。柔性制造系统集成了在线检测技术 之后，加工（cam）与在线检测（oli）的集成在一起，检测辅助于加工，解决了加工过稈中降低加工 柔性的非自动化因素，比如目前采用试切的方法确定工件坐标系、基准的手工测定、工序间手工测量和 离线测量等。从总体上看，在线检测技术还处在起步阶段，还停留在一线人员自发使用的状态。由前面的分析可 知，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简单的 功能，由于没有完善的olis （在线检测软件系统）相配套，相对昂贵的测头来讲，oli （在线检测） 对于一般企业的确显得有些奢侈。尽管如次，在先进制造技术发展的背景下，在

44、线检测技术还是占有相 当的市场份额，其中英国的renishaw公司在世界上享有绝对的权威，人们优先选用该公司的产品。开 发在线检测系统软件，充分发挥在机测头的功能，实现加工、检测自动化，是先进制造技术发展的必然 趋势。目前加工屮心在线检测技术所存在的问题：1）加工中心本身的数控系统结构简单，计算能力较低，这就为高性能检测宏程序的编制带来了 很多麻烦。2） h前普遍应用的宏程序测量软件操作较为复杂，为编制出测量时用的主程序，用户需不断地进 行宏程序调用及参数赋值工作，不易为操作者接受，在一定程度上制约了加工中心在线检测技 术的推广应用。目前cad/cam技术已有了很大的发展，相应的促进了产品设计

45、和加工方式的进步。但这些相关 领域的进步在在线检测方面，却没有得到应有的体现，使在线检测技术的发展相对滞后。因而怎样借鉴 相关领域的技术进步，将其应用于在线检测技术，以促使其升级换代，是新形势下我们必须面对的一个 问题。综上所述，在线检测技术是目前机械制造行业亟待解决的关键技术，以计算机集成制造系统 cims为背景，提出了基于cad的加工中心在线检测系统研究与软件开发作为研究的课题。134研究内容本论文分为七部分，各部分内容简述如卜：第一部分：阐述加工中心在线检测技术的系统构成、发展概况，在线检测技术与柔性制造系统的关 系，以及课题的提出与研究内容。第二部分：阐述了自动编程技术的发展，并从软件

46、工程角度进行了软件的需求分析等，并进行了基 于cad的在线检测系统的总体框架分析与设计。第三部分：主要针对特征识别与数据提取技术进行研究与实例分析。第四部分：检测路径规划。第五部分：加工与检测程序的集成。第六部分：系统实例演证。第七部分：结论。第二章基于cad的加工中心在线检测系统软件总体设计§2-1从软件工程角度进行软件分析2-1-1软件需求分析软件工程是用工程、科学和数学的原则与方法研制、维护计算机软件的有关技术及管理方法罔。软 件工程的目标是：在给定成本、进度的前提下，开发出具有可修改性、有效性、可靠性、可理解性、可 维护性和可操作性等并满足用户需求的软件产品。软件产品从形成概

47、念开始，经过开发、使用和维护， 直到最后退役的全过程为软件生存周期(software life cycle)。瀑布模型(waterfall model)也称软件生存周期模型，由w. royce于1970年首先提出。根据软件 生存周期各个阶段的任务，瀑布模型从可行性研究(或称系统分析)开始，逐步进行阶段性变换，直到 通过确认测试并得到用户确认的软件产品为止。这种形式的瀑布模型是带有反馈的瀑布模型(见图2.1) o图2.1瀑布模型fig.2.1 waterfall model软件需求是指用户对目标软件系统在功能、行为、性能、设计约朿等方面的期望。通过对应用问 题及其环境的理解与分析，为问题涉及的信

48、息、功能及系统行为建立模型，将用户的需求精确化、完全 化。结合本课题对用户的需求分析如下：1. 软件产品的应用范围，产品与环境之间的关系该软件应用对象是加工中心，包扌舌数控铳床。加工中心或数控铳床需要配备触发式测头，以及相应的数控系统，数控系统应具有跳跃指令g3e2. 产品的功能基于cad的加工屮心在线检测自动编程系统实现的功能是从cad图形模型屮获取与检测相关的 数据，经后置处理，自动生成检测所需的、驱动测头进行自动测量的检测程序。3. 用户界面该软件的 cad 系统采用的是 mdt(mechanical desktop)软件，利用 objectarx2000、visualc+、 mfc类库

49、三者相结合组成二次开发平台，对mdt系统进行二次开发，增添了检测功能模块，开发了 相应的菜单和工具条。4. 检测的具体功能根据镇铳加工中心常用的检测要求，该软件实现了基于mdt二维、三维图形的平面轮廓、孑l、圆 柱、凸台、槽等特征的检测程序的自动编程。212面向数据流的分析计算机软件系统是山数据流和一系列的转换构成，这些转换将输入数据流变换为输岀数据流。数据 流图就是用來刻画数据流和转换的信息系统建模技术。它提供层次结构让分析人员能够方便的表示任意 抽象的级别上的信息系统和其子部分，是冃标软件系统中各个处理子功能以及它们之间的数据流动的图 形表示。基于cad的加工屮心在线检测软件系统，从cad

50、图形数据库屮获取与检测相关的数据，以 及人工交互输入的辅助检测信息，经后置处理，最终形成驱动测头，进行自动测量的检测程序，数据流 向如图2.2所示。图2.2基于cad的加工中心在线检测系统数据流图fig. 2.2 data stream of machine center's on-line inspecting system based on cad§2-2基于cad的在线检测系统的总体框架分析与设计柔性制造系统集成了 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。但是目前fms的一个重要环节检测系统，没有得到妥善的解决。所釆用的手工定位、测量及离线检

51、11测的方法制约了加工的柔性，很难与cad/cam系统集成在一起，从而无法实现整个加工过程中的自 动化、智能化，影响了加工中心的工作效率。针对企业中亟待解决的检测以及cad/cam技术的最新 发展，并结合我校的计算机软件资源，此在线检测软件系统使用由visual c+6.0. objectarx2000. mdt api(autodesk mechanical application programming interface)构成的二次开发与调试平台。2-2-1 发平台简介mdt是autodesk公司的产品，它是在该公司的主导产品autocad基础上开发的主要面向于机械 产品设计的应用软件。

52、除具有autocad强大的功能外，主要特点在于：具有融合二维和三维设计并带 有装配功能的机械设计造型、参数化实体造型、曲面造型、装配造型和双相关联绘图等模块。autocad 系统的第三代(第一代为autolispx第二代为ads)开发环境和工具包括objeciarx、vba及visuallisp 等。objectarx开发环境突破了 autolisp和ads必须通过内部进程和autocad间接通讯框架的限制， 与autocad共享地址空间，能够直接利用autocad的内核代码，直接访问autocad数据库、图形 系统及几何造型核心，实时扩展autocad具有的类和功能，建立autocad新命令

53、等。此外，arx 应用程序还可利用windows的资源，微软的基本类库mfc和先进的visual c+可视化编程语言和工 具，方便、高效的设计具有windows风格的cad应用程序。mdt具有良好的开发工具和编程接口。microsoft visual c+、arx类库和mfc类库开发调试工 具三者结合起来构成autocad for windows2000&nt强有力而方便的二次开发和调试工具平台。arx(autocad runtime extension)开发环境是autocad的一种新的二次开发手段，是以c+为基础的 面向对象的开发环境和应用程序接口。arx类库包含了一组通用工具、使

54、得二次开发人员可以充分利 用autocad的开放式结构、直接访问autocad数据库结构、图形以及cad儿何造型核心，以便能够在 运行期间扩展autocad具有的类及其功能，创建能够全面享受autocad固有命令特权的新命令。arx程序本质上是windows动态连接库(dll)程序，与autocad共享地址空间，直接调用 autocad的核心函数，可直接访问autocad数据库的核心数据结构和代码。arx程序与autocad、 windows之间均采用windows消息传递机制直接通讯。arx程序通过调用acrxentrypoint()s数建立与 autocad信息传递入口，在acrxentr

55、ypoint()中使用switch语句处理来自autocad的各种信息。2-2-2软件系统的功能模块目前加工过程中的非理想状况包括：零件初始装夹位置不正确；工件坐标系难以设定；一批零件的基本组合坐标系特征特征设定检测检测v基本组合坐标系特征特征设定检测检测程序检测系统设定基于cad的加工屮心在线检测系统tr、rv二维检测模块三维检测模块、加工图2.3系统功能模块fig. 2.3 module of system function不同个体存在余量分布止负超差；对小批量生产而言，由于缺乏先进的自动检测技术，势必增加初始准 备时间和费用。棊于cad的加工中心在线检测自动编程系统力求解决以上问题。软件

56、功能模块如图2.3 所示。2-2-3坐标系设定模块该软件的设定坐标系模块，实现了工件在cad图形数据库和数控机床的工件坐标系下数据的一- 对应关系。工件在cad图形中的原点，我们称之为图形原点(0，) o然后通过工件坐标系转换模块, 把该图形原点设定为工件原点(ct)。通过这样的转换即可实现工件在cad图形数据库和数控机床的 工件坐标系下数据的一一对应关系。如图2.4所示：origin of workpiece加工屮心工作台图2.4图形原点与工件原点fig. 2.4 origin of graphics and workpiece224特征识别、数据提取模块二维图形acdb类库提供了可直接访问

57、autocad数据库结构的类，autocad数据库中包含了各种构成autocad图形的图形对象(即实体)及非图形对象(层、线型、字体风格等)的信息。利用该类库提 供的类，开发者可以对己经存在的数据库对象进行查询、编辑等操作。对象共有属性的查询和编辑： 如改变实体颜色 acdbentity:color(),加亮显示 acdbentity:highlight ()等。图形对象的数据是通过对其专有属性进行编辑得到的。首先选择待测对象，获得对象的标示符，然 后以写的方式打开对彖获得对彖指针，通过判断指针指向的类名(acdbline、acdbarc> acdbcircle) 即可获収对象的特征。数据提取模块得到对象的数据，如直线的端点，圆的中心坐标与半径，弧的中 心坐标、半径、起始角与终止角。同时也获得对象的辅助特征，如平面的检测方向(line_direction),圆对应的是圆孔还是圆柱(circle.flag),弧的检