基于UG的数控机床原位检测系统研究

PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANII摘要数控机床和原位检测，实现产品设计—加工—检测的闭环生产结构已成为振兴制造业的重要手段。为提高数控机床的原位检测精度、实现可视化效果以及原位检测与CAD/CAMUG二次开发技术对数控机床原位检测系统进行了研究。首先，本文针对计算机与数控机床之间如何交换数据信息的问题，进行了基于UGVisualC++优点、工作方式及通讯协议；介绍了串口通讯系统硬件，RS-232协议标准，RS-232RS232USBUGUG的数控机床原位检测串口通讯系统模块。其次，为了实现数控机床原位检测的可视化效果和工作效率的提高，本文进行UGMFCUGUfunUG／OpenAPI、MFC开发了基于UG的数控机床原位检测系统仿真模块。UG位检测系统误差补偿的研究。分析了测头检测误差产生原理，针对通常检测误差补偿算法繁琐，精度不高的问题，提出了对待检测点的预行程进行逐一标定的方法；为了减少人为误差的引入，提出了运用数控系统宏程序实现工件检测坐标系的自动建立的方法，提高检测精度。此外，为了验证本系统开发方法的执行效果，本文进行了曲面零件的设计—加工—检测的实验验证，实验表明本文所研究的系统是可行的。关键词：UG二次开发；数控机床；原位检测；串口通讯；检测仿真；宏程序AbstractWiththeintelligent,digitalandnetworkingtrendofmodernmanufacturingindustry,thedevelopmentofintegratedthree-dimensionaldesignsoftware,CNCmachinetoolsandinsituinspection,toachieveproductdesign-processing-inspectionofclosed-loopindustrialstructurehasbecomeanimportantmeansofrevitalizingthemanufacturingindustry.InordertoimprovetheprecisionofNCmachinetoolsinsituinspection,visualeffectsandtheseamlessconnectionbetweeninsituinspectionandCAD/CAMsoftware,thisthesisstudiestheNCmachinetoolinsituinspectionsystembyusingUGsecondarydevelopmenttechnology.Firstofall,inordertosolvetheproblemofhowtoexchangethedatabetweenacomputerandanumericalcontrolmachinetool,thisthesisstudiestheserialcommunicationsystemoftheinsituinspectionofthenumericalcontrolmachinetoolbasedonUG.ThereisanoverviewoftheadvantagesoftheVisualC++,serialcommunication,workingmode,communicationprotocol,thehardwareserialcommunicationmodule,RS-232protocolandbasicwiringmethodofRS-232serialcommunication.Currently,forthemajorityofcomputerscannotbedirectlyconnectedtotheRS232interface,themethodsofUSBserialconversionandjudgingwhethertheoperationinterfaceworkswellornotareintroduced,whichcompletedthedesignoftheoverallstructureofthecommunicationsystem,theconstructionofthedynamiclinklibraryanddevelopedCNCmachinetoolsinsituinspectionserialcommunicationsystembasedonUGbyUGplatformandC++language.Secondly,inordertoachievethevisualeffectandimprovetheefficiencyofthenumericalcontrolmachinetoolinsituinspection,thisthesiscarriesontheresearchoftheinsitusimulationsystemofNCmachinetoolbasedonUG.Theadvantagesanddisadvantagesofthetwokindsofparametricdesignmethodsareanalyzedwhicharecommonlyusedinthedetectingprobe.ThedesignoftheprobeisrealizedbycombiningtheUGintheMFCinterface.Then,byusingtheUfunmotionfunctionandthesurfaceinformationacquisitionfunction,basedontheprincipleofNCmachinetoolin-situdetection,thisthesisachievedthesimulationofsurfaceinspectionmovementwhichwasbasedonUG/OpenAPI,MFCinterface,thusthesimulationmoduleofCNCmachinetoolinsituinspectionsystembasedonUGwasdeveloped.Finally,inordertoimprovetheinspectionaccuracyandsimplifytheinspectionofresearchmethods,thisthesismakesresearchonerrorcompensationofCNCmachinetoolsinsituinspectionsystembasedonUG.FortheproblemthattheerrorinspectionalgorithmPAGE\*ROMANPAGE\*ROMANIIIiscumbersomeandtheaccuracyisnothigh,theprincipleofdetectingtheerroroftheprobeisanalyzedandthemethodofcalibratingthepretraveloftheinspectionpointsonebyoneisputforward.Inordertoreducetheinvolvementofhumanerrorsandimprovetheinspectionaccuracy,thisthesisprovidesamethodofusingCNCsystemmacroprogramstoachieveautomaticallyinspectionoftheworkpiececoordinatesystem.Inaddition,inordertoverifytheperformanceofthesystem,thisthesiscarriedontheexperimentalverificationofthesurfacepartsfromdesign,machiningandinspection.Theexperimentshowedthatthedevelopedsystemisfeasible.Keywords:UGsecondarydevelopment;CNCmachinetool;Insituinspection;Serialcommunication;Simulation;Macroprogram目录摘要 IAbstract II第一章绪论 1课题的研究背景 1课题来源及研究的目的和意义 1课题来源 1课题研究的目的和意义 2国内外原位检测的研究现状和发展趋势 2原位检测系统方面 2原位检测仿真方面 3原位检测系统的检测误差及补偿方面 4论文章节结构 4第二章基于UG的数控机床原位检测系统的搭建 6基于UG的数控机床原位检测系统整体介绍 6基于UG的数控机床原位检测系统的硬件组成 6数控加工中心 7测头系统的硬件组成 8计算机系统 8基于UG的数控机床原位检测系统的开发方法 9基于UG的数控机床原位检测系统软件的开发语言 10基于UG的数控机床原位检测系统的总体结构和软件工作流程11本章小结 13第三章基于UG的数控机床原位检测系统串口通讯模块的开发 14VisualC++与串口通讯 14VisualC++简介 14串口通讯 14串口通讯的工作方式 15串口通讯的协议 16基于UG的数控机床原位检测系统串口通讯硬件 17数据终端设备和数据通讯设备 173.2.2RS-232协议标准 18RS-232串口通讯的基本接线方法 20USB与RS232连接 20判断USB转串口驱动是否正常 22基于UG的数控机床原位检测系统串口通讯的整体设计 22动态链接库的UG界面开发 23开发环境的设置 23动态链接库的搭建 24基于UG的数控机床原位检测串口通讯的实现 25基于UG的数控机床原位检测系统串口通讯模块简介 25基于UG的数控机床原位检测系统串口通讯的结构 26基于UG的数控机床原位检测系统串口通讯模块的主界面介绍27主界面的设计及串口通讯编程 29多线程串口的应用 29自定义消息函数 31软件操作总体流程 31基于UG的数控机床原位检测系统串口通讯模块实验验证 31本章小结 33第四章基于UG的数控机床原位检测系统仿真模块的研究 34基于UG的数控机床原位检测系统仿真模块简介 34基于UG的数控机床原位检测仿真测头的参数化设计 34UG的参数化设计的比较 35检测测头参数化设计主要程序的编写 36检测测头的运动 37UG中三维图形的几何变换 37UG中测头移动函数的原理 38UG中曲面模型数据信息获取的实现 42UG环境下各坐标系的意义 42坐标系转换的实现函数 43实体曲面信息的提取的整体思路 44基于UG的数控机床原位检测系统仿真模块的实现 49基于UG的数控机床原位检测系统仿真模块的主界面介绍 49基于UG的数控机床原位检测系统仿真部分的模块结构 51软件操作总体流程 52基于UG的数控机床原位检测系统仿真模块的实例测试 53待检测曲面信息的获取验证 53曲面检测仿真过程的验证 54标准球测点信息生成验证 56本章小结 57第五章基于UG的数控机床原位检测系统误差补偿的研究 58基于UG的数控机床原位检测系统测头检测误差分析及补偿 58检测测头的工作原理 58检测测头的探测误差的产生原理 59检测测头的探测误差的补偿 62工件坐标系宏程序的编写 63基于UG的数控机床原位检测系统宏程序的主要变量 64基于UG的数控机床原位检测系统工件坐标系宏程序创建的主命令 65基于UG的数控机床原位检测系统的实验验证 70基于UG的数控机床原位检测系统实验前调试 70基于UG的数控机床原位检测系统预行程误差标定实验 72基于UG的数控机床原位检测系统复杂曲面实验 73本章小结 80第六章 总结与展望 81工作总结 81研究展望 82参考文献 83PAGEPAGE10第一章绪论课题的研究背景产品检测是制造业的重要组成部分2025所谓的原位检测，实际上是指在完成产品的加工后，在不拆卸工件的情况下对工件进行质量检测，从而避免了二次装夹误差的引入，提高了工作效率。拥有自主知识产权的原位检测技术可以使我国制造企业检测设备的购买成本大幅度降低。同时，随着计算机技术、传感技术、精密测量技术的飞速发展以及开放式数控系统的逐渐普及，原位检测技术的发展拥有了更好的条件。原位检测技术既能实现加工现场质量数据的自动采集，为原位工序质量控制提供了依据，还可以对加工现场采集的质量数据进行处理，为工件空间曲面的最优成型提供实时的修正定量数据，在数[2]之，原位检测系统的广泛应用，将缩短制造周期，降低生产成本，大大提高我国的制造水平，使我国制造业具备更强的国际竞争力。UG的原位检测系统，发展面向集成的CAD/CAMUG中增加串口通信模块，检测仿真模块，检测误差补偿模块，为提高原位检测零件的效率，保课题来源及研究的目的和意义课题来源-研究，项目编号：51565006，2016.01-2019.12广西自然科学基金项目，基于加工中心的机械零件在线检测与加工误差修正研究，项目编号：2014GXNSFAA118337，2014.06-2017.05广西教育厅重点科研项目，复杂零件加工精度在线检测关键技术与系统的研发，项目编号：2013ZD048，2013.01-2015.12课题研究的目的和意义数控加工中心的自动化程度和加工精度的不断提高，以及计算机集成制造系统中质量监控的发展都离不开原位检测技术[67]。目前，数控系统的发展使数控机床具有了用户宏程序和存储等功能，为实现其原位自动检测提供了有利条件；并且检测[4]传统的检测一般是手工检测为主，所用的工具一般是卡尺、万能检测工具等。现在这些工具越来越不能够满足现代检测业的快速发展，这些工具效率低下，检测精度不够，而且需要大量人员劳动力资源，进而增加了企业的生产成本。然而相对上面所述的人工检测，有些企业自主买来昂贵三坐标测量机，可以在很大程度上摆脱对人力的依靠而且检测精度非常高，效率也比人工检测高。但加工后的零件搬送到三坐标机后产生装夹误差，重复定位误差，费用高昂，对于绝大部分企业也无能为力购买这样的大型检测设备。相反，原位检测技术，可以通过采样策略和拟合算法，使工件的加工余量均匀分布，提高加工质量和检测效率，降低对检测技术人员的经验要求，更好地实现加工-检测-补偿的一体化[22]。因此，对于大量、复杂的曲面类零件检测需要通过数控机床原位检测技术来实现。自动、高效、精度是数控检测技术所要研究的主要方向，对确保产品质量，提高产品合格率，提高企业劳动生产率和效益有着非常重要的意义。原位检测系统方面零部件是数字化制造与检测的主要研究对象之一，在交通、国防等行业应用广[1]为了提高原位检测的精度，从源头即测头部分入手，研究新型的测头误差补偿方法。提出了高精度测头误差补偿修正算法——偏置面加小平面算法，进一步提高了接触式[2]三角面片法矢的高斯映射规律为基础，结合快速聚类与Gauss-Newton法，提出了STL出了基于CVT结构的可展曲面采样取点的思想。通过对各种采样策略的采样结果CVTDelcam（测头）和检测软件的原位测量系统，并在企业得到了商业化的推广和应用。DelcamPowerINSPECTOMV[3]的“原位检测”方案为机床操作者提供了在机床上全程监控产品加工质量，实时监控机床的生产等多方面的功能，但该方案在数控系统的通用[4]研究了三轴加工中心在线检测系统的构成并提出了系统的总体结构方案。从原位检测发展趋势上看，数控机床原位检测技术大大提高了数控加工的效率和精度，节约了成本，提高了经济效益，数控加工过程中自动化、智能化、高效化是数控在线检测的必然趋势。原位检测仿真方面原位检测仿真是通过计算机模拟实际的原位检测过程，验证数控原位检测程序[2]IGES并实现了人机交互，如图形的平移、旋转、缩放等视图变换，以及功能交互，如曲[6]OpenGL开发了在线检测仿真的软件，提供一套可视化的工具，该软件解决NCG31等指令问题，有利于测量路径的优化和运动干涉校验，提高测头等设备的可靠性，避免碰撞。南京航空航天大学的吴一凡根据整CMM测量点以及测量路径的选择规则，构造了CMMCMM智能检测DMIS文件[7]的生成。广东工业大学高健教授研发FCOMIS在线检测系统[8]，虽实现了图形可视化，完成了面向复杂曲面零件原位检测系统整体结构的搭建，开发了检测路径规划、检测仿真以及误差补偿等模块，STL格式对复杂曲面进行描述，其精度不高。大连海事大学的张常鑫[9]STL的文件格式，虽具有碰撞检测、误差匹配等功能，但其精度也不高。原位检测系统的检测误差及补偿方面原位检测系统的误差主要由数控机床的本体误差（也称机床几何误差）和检测测头系统的误差组成。由于原位检测时要将刀具换成检测测头，原位检测精度就一定会受到机床几何误差的影响[10]。检测测头系统的误差主要由检测测头半径误差和触发式测头预行程误差[11-13]组成。Kyung-DonKim[14]研究了原位检测过程中的机床几何误差补偿技术。Myeong-Woo[15]等人通过对OMM(On-machinemeasurement)系统所测得的实时数据PNN(Polynomialneuralnetwork)21原位检测系统的触发式测头系统的误差主要包括预行程误差和检测测头半径误差等方面。目前，国内外学者对这方面做了大量的研究。杨德一等人强调了测头标定误差[19]的重要性，推导出了数控车床的检测测头误差标定的计算公式，详细描述C.Bulter[20]Y.Shen等[21]BP神经网络算法对不在测量点方向的法矢进行预测，建立起误差补偿模型。广东工业大学的文章[22]GM(1,1)ARIMA由原位检测的实际操作可知，对于高精密零件的检测，为了能够获得较高精度探索原位检测系统检测误差及补偿的新方法，促进原位检测系统检测精度的提高。论文章节结构本论文的主要章节内容安排如下：第一章：绪论。主要介绍课题的相关背景及国内外研究现状，阐述课题的研究意义、论文的主要研究内容等。第二章：基于UG的数控机床原位检测系统的搭建。首先概述基于UG的数控机床原位检测系统整体组成；其次介绍本系统硬件及软件组成；最后重点详述系统软件的开发语言以及系统的总体结构和软件工作流程。UG的数控机床原位检测系统串口通讯模块的开发。首先概述了VisualC++RS232USB建并基于G+语言开发了基于GUGUGUfun数，按照数控机床原位检测的原理实现曲面检测运动的仿真；最后基于UG／OpenAPI、MFCUG的数控机床原位检测系统仿真模块。UG差产生原理进行分析，针对通常检测误差补偿算法繁琐，精度不高的问题，提出了对待检测点的预行程进行逐一标定的方法；其次，为了减少人为误差的引入以及降低触测速度对预行程误差的影响，提出了运用数控机床宏程序实现工件检测坐标系的自动建立，从而提高检测精度。第六章：总结与展望。第二章基于UG的数控机床原位检测系统的搭建数控机床原位检测系统的搭建分为硬件部分和软件部分，其中软件的搭建方式有两种。第一种方式，充分发挥数控机床自身的条件，通过宏程序完成检测程序的编写，实现数控加工中心系统的调用；第二种方式，数控机床与计算机协同使用，利用编程语言，如：C++，C#等，开发出适合原位检测的系统，实现检测程序的生CNC高，智能化效果更好。故本文的研究采用的是后者，其中软、硬件部分将在下文做详细介绍。UG的数控机床原位检测系统整体介绍UG的数控机床原位检测系统[57]主要由计算机系统（UG软件）、测2-1所示。2-1UG的数控机床原位检测系统组成图Figure2-1CompositiondiagramofinsituinspectionsystemforCNCmachinetoolbasedontheUGUG的数控机床原位检测系统的硬件组成数控机床原位检测系统的硬件主要由数控加工中心、计算机、检测测头、测头接收器以及联系机床与计算机的通讯电缆组成。数控加工中心数控加工中心(CNCmachiningcenter)是集成了自动化与机械为一体的适用于加工复杂零件的高效率机床。本系统采用的机床本体是由沈阳机床股份有限公司生产VMCE2-2FANUC0iMFXYZ轴分别为：650mm400mm500mm;XYZ32m/mim30m/min；24直线运动坐标的重复定位精度：X：0.007mmY：0.005mmZ：0.004mm。此外，该RS232端口，方便机床与计算机之间的通讯，为本文的通讯系统的开发研FANUC0iMF图2-2VMCE系列立式加工中心Figure2-2VMCEseriesverticalmachiningcenter测头系统的硬件组成非接触式测头和接触式测头，如激光测头就属于非接触式测头，而非接触式测头适用的环境要求远远高于接触式测头，因为其应用的是光学检测技术或者是机器视觉识别技术，当所测工件达不到其工作要求时，就会影响检测精度甚至无法工作。故RP600接触式测头，该测头测量方XZ1μ2-3所示。2-3RP600接触式测头Figure2-3PioneerelectromechanicalRP600contactprobe在接触式测头的测头系统中，据信号传输的方式，可分为：感应耦合式、红外传输式、有线传输式、无线电波传输式。有线传输式是测头与机床有固定的连接方式大多在普通机床上使用；而无线电波传输式，因为其信号传输工作范围大，常常应用于大型数控加工中心。本文选择的是红外传输方式，测头内部配有蓄电池作为RSI-102-4所示。计算机系统UGUGUG6.0软件，其控制系统硬件如2-5所示。其中，输入、输出通道的信号类别有：模拟量、数字量（开关量）、脉冲量；接口类别有：RS232/485、ISA、PCI等，而本文机床本体配有RS232接口，符合计算机要求。2-4RSI-10和接收器内部结构电路Figure2-4PioneerelectromechanicalwirelesssignalreceiverRSI-10andreceiverinternalstructurecircuit2-5计算机控制系统硬件组成Figure2-5ThehardwarecompositionofcomputercontrolsystemUG的数控机床原位检测系统的开发方法软件是数控机床原位检测系统重要组成部分，它提高了检测系统的自动化、智UG的数控机床原位检测系统软件可以实UG的界面下，CAD模型上待检测点的智能选取、检测程序的生成、检测仿真的运行、与数控加工中心的串口通讯、检测误差补偿运算以及测量数据处理等系列UGMicrosoftWindowXP操作Win7VisualC++UGMFC做人机交互界面，动态链接库（DLL）作为接口，实现了UG的数控机床原位检测系统的软件的开发。UG的数控机床原位检测系统软件的开发语言UG(Unigraphics是由美国EDS公司[54]推出的高端软件，该软件集成了CAD/CAM/CAE是当今世界上最先进的三维软件之一。因其集成化程度高，被广泛应用于航空航天、车辆、机械、船舶等军工和民用设备的生产中。但随着该软件的UGEDSUG提供了二次开发接口，即：UG/OpenUG一起发布，因而用户UGUG的二次开发主要由2-6所示。图图2-6 UG二次开发工具四种应用程序Figure2-6 UGsecondarydevelopmenttoolsoffourapplicationsUG/OpenAPI是一个允许程序访问并影响UGObjectModle模型创建的开发工具UG/OpenAPIMenuScriptUIStylerAPIUG/Open二次开发的关键。根据不同的程序运行环境，UG/OpenAPI程序可分为内部程序模式和外部程序模式[37]。其中，内部程序模式下的程序在编译链接后得到的可执行文件只能在UG环境中运行，而外部程序模式下的程序在编译链接后得到的可执行文件是可以独立UG之外运行。UG/OpenAPI2-7所示。图图2-7 UG/OpenAPI例程的组成Figure2-7CompositionofUG/OpenAPIroutinesUIStylerUG2-8图2-8UIStyler生成的可视化编辑器Figure2-8VisualeditorgeneratedbyUIStylerMenuScriptASCIIUG的菜单[45]，可对快捷菜单的菜单项或主菜单进行裁剪、移动，或为开发的应用程序创建专用的菜单UG2-9所示。图2-9 MenuScript生成的UG菜单Figure2-9UGmenugeneratedbyMenuScriptUG/OpengripCAD/CAM/CAEUG的数控机床原位检测系统的总体结构和软件工作流程1、基于UG的数控机床原位检测系统的总体结构原位检测系统的人机交互界面是计算机和操作者之间进行交流的平台。操作者通过它进行系统的测量参数设置、测量仿真参数设置等形成测量主要程序，通过通讯模块将测量主程序等信息输入数控系统，使数控系统按照程序的要求进行测量。数控系统则通过它将本检测系统当前的状态、位置等信息反馈给操作者。根据实际2-10UG的数控机床原位检测系统分为：检测设置模块、检测仿真模块、通讯模块等，用户可根据自己的实际需求进行模块组合的选择，从而节约了软件系统运行时间，提高工作效率。基于UG的数控机床原位检测软件系统检测设置模块检测仿真模块通讯模块检测模块检测数据处理模块2-10UG的数控机床原位检测系统总体架构Figure2-10OverallstructureofCNCmachinetoolinsituinspectionsystembasedonUG各模块主要功能如下：检测设置模块检测设置模块主要进行数控系统、测头类型等参数的设置。检测仿真模块仿真模块实现计算机的图形化检测过程，模拟真实检测过程。通讯模块通讯模块的建立主要包括RS-232硬件通讯协议和软件支持部分。主要功能是完成测量程序的发送及测量点坐标信息的接收。检测模块检测模块依据实际检测中预行程误差补偿的需要，增加标准球处理参数设置，丰富图形化检测过程。检测数据处理模块主要功能是对测头预行程误差和测头半径误差的补偿。通过计算机后台应用程序进行相应的补偿运算，得到测量数据的修正值，并根据测量数据的修正值对典型型面和自由曲面进行重新拟合，与原模型对比后得到加工误差，生成评定报告。2、基于UG的数控机床原位检测系统的工作流程2-11UGCADCADCAD图2-11基于UG的数控机床原位检测系统的工作流程Figure2-11TheworkflowofCNCmachinetoolinsituinspectionsystembasedonUG本章小结UG选择、自动生成测量程序、检测仿真、数据通讯、生成测量报告等功能，为数控机UG硬件部分和软件部分。硬件组成部分主要对数控加工中心，检测系统，计算机系统做了详细的介绍；在软件组成部分介绍了编写软件的编程语言、总体结构、工作的流程图以及软件的设计内容，对软件各个模块分别进行了详细的介绍，说明了每个模块实现的目的和意义。第三章基于UG的数控机床原位检测系统串口通讯模块的开发数控机床的效率发挥与程序的传输方式密切相关。目前，随着以“先进制造技术[23]”为主题的制造业兴起，数控机床依靠传统的数控程序传输方式已无法满足需求。同时，随着原位检测技术的快速发展，原位测量的高速高精度化，发展面向集CAD/CAM系统的无缝连接已成必然趋势。UG6.0进行二次开发，增加基于加工检测集成的数控CAD/CAM的有效集成。VisualC++与串口通讯VisualC++简介如文献[37]VisualVisualC++MSVCVC++VC）是微软公司推出的一种面向对象的可视化集成编程工具，是目前最受欢迎的开发工C语言，C++VC++Windows（WindowsDirectXAPI，Microsoft.NETMFC（MicrosoftFundationClass）库。因此，该开发工具应用层次广泛、编写所得程序代码尺寸小、移植能力强、运行速度快。串口通讯计算机通常有两种方式传输数据。一种是并行通信，另外一种是串行通信。并左图30m图）所示。此外，与并行通信相比，串口通信传输距离长，可以是几米甚至几千公里，在长距离内的传输速率比并行通信的要快。更重要的是串行通信的抗干扰能力很强，信号间的互相干扰可以完全不计。故本文将串口通讯的应用于原位检测数控机床通讯系统中，可实现边传输边加工，边传输边检测，促进数控程序传输的快捷和可靠性的提高。发送端1100发送端11001101接收端3-1并行通信和串行通信Figure3-1Parallelcommunicationandserialcommunication串口通讯的工作方式3-23-33-4所示。单工方式的只能单方向的传输数据。通信双方，只能一方固定为发送NC作方式。图图3-2单工方式半双工方式，发送数据和接收数据均可，只是两者不可同时进行。任3-3个收/发切换电子开关，通过此开关可以决定数据流的方向。但因为有切换就会式。全双工方式，可将数据双向传输同时进行，有两条传输线，每一端都方式。3-3半双工方式Figure3-3Half-duplexmode图3-4全双工方式Figure3-4Full-duplexmode串口通讯的协议异步传输(bit)是（0），地电位的停止位（数字电路中的1），当发送端开始传输数据的那一刻，（即上升沿出现（下降沿出现1.52同步传输过两端中的任意一端定期地在每个位(bit)时间周期中对该时钟线路发送一个短脉冲信号，另一端将该信号视为时钟。10Hz，并且在长距离的传输中，定时脉冲可能会出现基于UG的数控机床原位检测系统串口通讯硬件数据终端设备和数据通讯设备DTE（DataTerminalEquipment），即在数据通讯系统中，用DTE。DTE-DCE接口，即通讯接口，本文所用的RS-232接口。数据通讯设备DCE（DatacommunicationsEquipment），是用来连接与数据通讯网络的设备，实现数字信号与模拟信号之间的相互转换，如图3-5所示。DTE-DCERS-2323-6所示。电缆、电话线等。3-5数据通讯系统的基本组成Figure3-5ThebasiccompositionofthedatacommunicationsystemRS2323-6RS-232RS-232接口Figure3-6CNCmachinetoolRS-232interfaceandcomputerRS-232interfaceRS-232协议标准USBRS-232RS-422RS-485R-S232CDTEDCEPC与3-6所示。由于RS-232CDB-25DB-15DB-9DB-25DB-9，如图3-7和图3-8所示。连接器不同，其引脚信息自然也不相同，各引脚信息如表3-1所示。3-7DB-25连接器引脚示意图Figure3-7DB-25connectorpindiagram3-8DB-9连接器引脚示意图Figure3-8DB-9connectorpindiagram表3-1DB-25和DB-9的常用连接器引脚说明Table3-1CommonConnectorPinDescriptionsforDB-25andDB-925针串口（DB25） 9针串口（DB9）引脚号缩写功能说明引脚号缩写功能说明8DCD数据载波检测1DCD数据载波检测3RXD接收数据2RXD接收数据2TXD发送数据3TXD发送数据20DTR数据终端设备4DTR数据终端设备7GND信号地5GND信号地6DSR数据准备好6DSR数据设备准备好4RTS请求发送7RTS请求发送5CTS清除发送8CTS清除发送22DELL振铃指示9DELL振铃指示RS-232串口通讯的基本接线方法RS-232C3-2GPS（线（线交叉，信号地对应相接。RS485RS-232C电的，否则串口很容易损坏。表3-2RS-232C串口通讯的接线方法Table3-2RS-232Cserialcommunicationwiringmethod9针—9针 25针—25针 9针—25针233222322333557757USBRS232连接3-7USBFANUCSIMENSRS-232USBRS-232设备与计算机之间的数据传输。图3-9USB与RS-232通信串口通信外观结构示意图Figure3-9USBandRS-232communicationserialportcommunicationappearancestructurediagram1、标准USBA类接口公头2、滤波磁环3、黑色带屏蔽标准USB2.0通信线4、精美外壳（黑色）5、标准公头6、主芯片RS-232RS-232RS-232RS-232图3-10USB与RS-232通信引脚连接示意图Figure3-10USBandRS-232communicationpinconnectiondiagramUSBUSBRS-232串口转换设备RS-232图3-11USB与RS-232通信引脚连接实物图Figure3-11USBandRS-232communicationpinconnectionphysicalmapUSB转串口驱动是否正常3.2.3可知，只要发送数据引脚（线）与接收数据引脚（线）3-13-2DB-9型23USBRS-232串口转换设备插入USBUSB转串口驱动是正常的。3-12USBRS-232串口转换器正常Figure3-12JudgeUSBandRS-232serialconverternormal基于UG的数控机床原位检测系统串口通讯的整体设计UG五部分组成3-13UGPC端与NC端的数据传输，可实现边传输边加工，边传输边检测的操作。3-13UG的数控机床串口通讯模块的组成Figure3-13CompositionofserialcommunicationmodulebasedonUGCNCmachinetoolsUG界面开发目前，用户对UG的二次开发主要还是依靠UG/OpenAPI，也称UserFunction24]UG/OpenUIStylerWindowsStylerUG的应用程序采MicrosoftVisualC++6.0(VC)UG/OpenAPI的限UG/OpenAPIMicrosoftFundationClass(MFC)。的红宝石触碰工件时（实际上统中记录的坐标值就转化成工件上检测点的坐标值了MFCWindowsUG/OpenAPIMFCUG的数控机床原位检测系统串口通讯模块。开发环境的设置UGUFUGUGMicrosoftVisualStudioUGMicrosoftVisualStudio\Common\MSDev98\Templateugopen.awx和ugopen.hlpl两个文件。3-14系统添加用户变量Figure3-14AddingUserVariablestoSystem3-14applicationstartup文件夹[5]UG软件中看到用户定制的功能模块。动态链接库的搭建图3-15 DLL的调用过程Figure3-15DLLCallingProcedure在VisualC++6.0的开发环境中， UG/OpenAppWizard、Win32Dynamic-LinkLibrary和均可作为UG二次开发的工程向导[35]。然而，这三者中只有MFCWizard(DLL)可充分调用MFC类库中的资源创建(dll)。另外，对于MFC本身，因包含应用程序框架并以C++类的形式封装WindowsAPI，实现人机交互可大大减少程序开发人员的工作量故本文通过调用MFC类库的方式进行基于UG的数控机床串口通讯系统的开发。UG可通过DLL实现UG系统内部与自身图形界面的通信[26]，并且该执行方式运行速度快，故本文选用MFCWizard(DLL)作为工程向导。DLL3-15所示。本文接口[46,47]3-16DLLUGMFC的集成MFC丰富的函数资源，实现与数据库的通信。图图3-16 接口实现方案Figure3-16ImplementationSchemeofInterface具体实现过程如下：VisualC++6.0MFCRegularDLLusingsharedMFCDLL。设置UG应用开发环境。在Project--Setting--Link中，Object／librarymodulesUGlibufun.1iblibugopenint.1ib。Tools--OptionsFilesIncludeFilesUGUGOPEN文件夹所在的路径。编写应UGufusr()。建立MFC对话框并添加调用MFC函数。在菜单命令中选择Insert--Resource，选择Dialog，创建Windows风格对话框。ufusr_ask_unload()PrintErrorMessage()错误处理函数代码，编译，连接，生成动态连接库文件(*．dll）UGMenuScript编辑的菜单完成调用。基于UG的数控机床原位检测串口通讯的实现UG的数控机床原位检测系统串口通讯模块简介NCRS-232串行通讯NCRS-232串行通讯接口传输给G31RS-232对系统测量结果进行分析计算以及后续处理等工作以提高零件的加工精度。基于原位检测的数控机床串口通讯系统适用于各类需要通过机床提供工作方式及串行接口(RS-232)际的意义。UG的数控机床原位检测系统串口通讯的结构本文所研究的串口通讯包括以下几个模块：1、配置串口模块口参数一般包括串口、波特率、校验位、数据位、停止位。2、选择文件模块以在状态栏中看到当前所选择的文件。3、发送文件模块了发送对话框对发送内容容量大小的限制。4、发送检测程序模块应设备中。5、清空发送区模块现。6、测量的结果[XYZ]接收模块该模块可以接收到每一个测点坐标值，并以XYZ对应值以及该点的在对应检测实验中的序号显示，让用户对测点值一目了然。7、保存结果模块作的使用。8、小程序的粘贴发送模块送对话框中，对其进行发送传输。UG的数控机床原位检测系统串口通讯模块的主界面介绍UG3-17所示。图中3-17UG的数控机床原位检测系统的串口通讯模块主界面Figure3-17ThemaininterfaceofserialcommunicationmodulebasedonUGinCNCmachinetoolinsituinspectionsystemUG的数控机床原位检测系统串口通讯模块菜单及主界面按钮系UG6.0栏如图3-18所示：3-18系统菜单栏Figure3-18Systemmenubar基于原位检测的数控机床串口通讯系统的主界面各按钮介绍：命令图标功能描述打开配置串口参数对话框在串口通道打开的情况下此按钮呈暗灰色保存接收到的测量结果数据发送检测代码对话框中的程序到数控机床系统选择需要发送的程序文件发送程序文件呈现于检测代码对话框中在串口通道关闭的情况下此按钮呈暗灰色3-19主界面按钮Figure3-19Maininterfacebuttons串口打开信息提示框串口打开信息提示框将操作者正在操作的通讯系统的基本信息显示在图形框中，如图3-20所示。3-20串口打开信息提示框Figure3-20Messageboxofopeningtheserialport保存测量结果对话框3-21所示。3-21保存测量结果对话框Figure3-21Savingmeasurementresultsdialogbox主界面的设计及串口通讯编程使用动态链接库开发UG环境下的界面对话框，并添加控件，如图3-22所示。VisualC++MSComm(MicrosoftCommunicationControl)WinAPI。UG/Open中，部分控件的函数处16个串口；相反，后者功能强大，编程灵活且I/O方式以及事件驱动方式。考虑到数控机床用户使用的灵活性和通用性，采用了WinAPII/OI/O请求创建线程多线程串口的应用WinAPI[27]AfxBeginThread()息机制，只是进行程序的后台工作。与之相反，用户界面线程是由CWinThread类派生出，主要用于处理用户的中断输入并响应各种对应的消息和事件。因此，本文采用用户接口线程。有了线程，可由主界面调用串口配置对话框，完成串口参数的配置，即通信协议的设定，如图3-23所示。图3-22UG环境下主界面对话框图Figure3-22MainInterfaceDiagramoftheDialogueBasedonUG3-23配置串口参数Figure3-23ConfigurationofSerialPortParameters自定义消息函数定义消息函数，可由以下步骤完成。(1)声明自定义消息#defineWM_RECEIVEWM_USER+101#defineWM_SENDWM_USER+102(2)声明消息处理函数afx_msgLRESULTOnReceive(WPARAMwParam,LPARAMlParam);afx_msgLRESULTOnSend(WPARAMwParam,LPARAMlParam);将消息处理函数添加到类实现文件中LRESULTCCommDlg::OnReceive(WPARAMwParam,LPARAMlParam)LRESULTCCommDlg::OnSend(WPARAMwParam,LPARAMlParam)软件操作总体流程本文所开发的通讯软件SCSOCMTBOIAOS软件的操作流程如图3-24所示。基于UG的数控机床原位检测系统串口通讯模块实验验证系统设计好后，通过正确配置环境变量后，可在UG软件的菜单栏中看到如图2-9所示的数控机床串口通讯系统模块。FANUCSeriesOi-MD数控系统，进行了数控机床串口通讯实验，主要步骤如下：(1)设置好计算机及机床端参数，如图3-23所示。(2)数控系统面板的操作a）MODEEDITb）NC键盘上按下[PROG]键显示装置：[列表+]→[操作]→[F输入]→设定文件名→[执行]→SKP闪烁等待计算机端发送选择待发送的检测程序文件(*.txt)，如图3-22所示。点击[发送检测程序]，在机床控制面板显示装置上可以查看到发送的程序，如图3-25所示。配置串口参数传输检测程序至数控机床机床进行零件的检测RS232配置串口参数传输检测程序至数控机床机床进行零件的检测RS232开始UG6.0 开始UG6.0结束保存测量结果SCSOCMTBOIAOS接收检测结果SCSOCMTBOIAOS接收检测结果数控机床调置为接收程序状态选择加工程序文件复制加工程序数控机床调置为接收程序状态选择加工程序文件复制加工程序RS232发送加工程序文件 发送加工程序文件数控机床设置为接收程序状态程序在发送对话框中显示RS232传输加工程序至机床设备 机床进行零件的加工传输加工程序至机床设备机床进行零件的加工图3-24SCSOCMTBOIAOS软件操作流程图Figure3-24TheflowchartofSCSOCMTBOIAOSsoftwareoperationRS2323-22所示。图3-25 数控机床端接收到的检测程序Figure3-25ReceivingInspectionProgramforCNCMachineTool本章小结UGVisualC++UG的数控机床原位检测串口通讯RS232USBUG/OpenAPIMicrosoftFundamentClass(MFC)MFC来编写UGUGUG的数控机床原位检测系统仿真模块的研究基于UG的数控机床原位检测系统仿真是为了方便检测员在实际检测前就发生干涉等问题。[40,41,44]UG数控机床原位检测提供便利，可以帮助检测人员在实验室即可检查检测中的问题。UG的数控机床原位检测系统仿真模块简介U、VU和V测点布置，以文本形式输出测点信息。此外，本系统还可以导入文本格式UG的数控机床原位检测仿真测头的参数化设计目前，可进行参数化设计的三维建模软件有很多，如：Proe、CATIA、SolidWorksUGNXProeCATIA原有的市场份额，在电子产品、精密制造等领域已成为主流软件。与此SolidWorksUGNX简单，功能更强大，又集成了CAD/CAM/CAE，实际的建模设计中可以选择参UG为平台进行数控机床原位检测系统仿真模块的研究。UG的参数化设计的比较对实体进行参数化建模通常有两种方法[28]，一种是用三维软件自身提供开2.3.1UG的自身的几何属性，运用相关函数，通过代码编程来实现模型的创建。等几何特征，通过实体建模工具将草图转化为实体模型[29]。建模设计员只要将运用此法一样可以完成实体模型的参数化设计。程序具有专用性，使用范围相对较窄，编程需要花费一定的间和精力。综合两种方法的优缺点[39]MFCWizard(DLL)作为工程向导，开4-14-2所示。4-1检测测头参数化设计界面Figure4-1Parametricdesigninterfacefortheprobe图4-2参数化设计的检测测头Figure4-2Parametricdesignoftheprobe检测测头参数化设计主要程序的编写检测测头的参数设计程序主要用到的函数有：创建球体函数：intUF_MODL_create_sphere1(UF_FEATURE_SIGNsign,doublecenter[3],char*diam,tag_t*sphere_obj_id)创建柱体函数：intUF_MODL_create_cyl1(UF_FEATURE_SIGNsign,doubleorigin[3],char*height,char*diam,doubledirection[3],tag_t*cyl_obj_id)UG的体特征函数：intUF_MODL_ask_feat_body(tag_tfeature_obj_id,tag_t*body_obj_id)具体程序如下：//————————————————创建测头——————//创建测球(Sphere)UF_MODL_create_sphere1(UF_NULLSIGN,sphere_center,sphere_diam,&sphere_obj_id);UF_MODL_ask_feat_body(sphere_obj_id,&solid_sphere_obj_id);entities[0]=solid_sphere_obj_id;//创建测杆(Cylinder)UF_MODL_create_cyl1(UF_NULLSIGN,cyl_origin,cyl_height,cyl_diam,cyl_direction,&cyl_obj_id);UF_MODL_ask_feat_body(cyl_obj_id,&solid_cyl_obj_id);entities[1]=solid_cyl_obj_id;检测测头的运动UG中三维图形的几何变换UG等三维模型软件环境下，只要涉及到图形、实体、坐标系等的变换，为了简化计算，本文应用了三维图形变换矩阵[30]，如公式（4-1）所示。a11

a14T3D

aaa31

a22a32

a23a33

a24a34

（4-1）a41

a42

a43

a44

a11

a1321该矩阵可划分为四个子矩阵，即：旋转、比例变换矩阵a21

a22

a23a14

a31

a32

a33影变换矩阵a24，整体比例变换矩阵a44，平移变换矩阵a

a42

a43。 a34某个坐标轴旋转的角度为X轴、Y轴、Z轴的变换关系如下：

1 00

0 0sin 0Xx

y' z'

x y z 1000sin0

cos0

（4-2）011cos 0 sin 0Y

y' z

1

y z 0

0 0（4-3）sin 0 cos 01000 1000

cossin

sincos

0 00 0Zx

y' z'

x y z 1

（4-4）0 1 0110 0 1100001000010TxTyTz1x'

y' z

1

y z

y

z

1（4-5）这里的Tx 量。

Tz实际上是运动过程中，测头单步x

y z三个方向的增UG中测头移动函数的原理1、直线运动函数表达式的原理4-3ABFigure4-3LinearmotionAtoB1

y1

，Bx

y2

AB

b c，nnABt由空间直线参数化方程

x2x1a*ty2y1y

b*

（4-5）z2z1c*ttranslation[0]x2x1a*t可知，

translation[1]yyb*t（4-6）212translation[2]z2z1c*t2、数控机床原位检测测头运动的原理 4-4数控机床原位检测测头运动的原理简化图Figure4-4Schematicdiagramfortheprincipleofprobe’smovementinsituinspectionofCNCmachinetools检测点M的坐标为point[0]M单位法矢为unit_norm[0]M

point[1]Munit_

point[2]M，unit_norm[2]M；N的坐标为point[0]N单位法矢为unit_norm[0]N

point[1]Nunit_

point[2]N，unit_norm[2]N；点P1和点P2分别为检测点M和检测点N在单位法矢方向上的点，且

P2N

t，即：本文所开发的基于UG的数控机床原位检测仿真系统检测距离和回退距离相同均为t。如图4-4所示，检测测头从检测点M运动到检测点N，完成该两点的检测检测测头需要分五步进行运动。第（1）步：P1M由公式（4-6）推导可知，translation[3]unit_norm[0]Mt,unit_norm[1]M*t,unit_norm[2]M*t第（2）步：MP1同 理 ，translation[3]unit_norm[0]M*t,unit_norm[1]M*t,unit_norm[2]M*t第（3）步：P1P2同理，point[0]Npoint[0]Munit_norm[0]Nunit_norm[0]M*ttranslation[3]popoN M

unit_unit_*tpoint[2]Npoint[2]Munit_norm[2]Nunit_norm[2]M*t第（4）步：P2N同理，translation[3]unit_norm[0]Nt,unit_norm[1]N*t,unit_norm[2]N*t第（5）步：NP2同 理 ，translation[3]unit_norm[0]N*t,unit_norm[1]N*t,unit_norm[2]N*t3、UG中平移运动函数的应用从图4-4可知数控机床原位检测测头的每一步运动都可以简化为直线运动也称平移运动[53]在UG中可以通过平移运动函数来驱动测头的运行本文所用的函数为：平移矩阵函数uf5943(translation,matrix) 和平移运动函数UF_MODL_transform_entities(2,entities,matrix)。voiduf5943(doubletranslation[3],doublematrix[16])4-1uf5943的参数描述Table4-1Parameterdescriptionoffunctionuf5943类型参数输入/输出参数描述doubletranslation[3]输入三个元素,X、Y、Z单步平移的增量doublematrix[16]输出16intUF_MODL_transform_entities(intnum_entities,tag_t*entities,doublematrix[16])4-2函数UF_MODL_transform_entities的参数描述Table4-2ParameterdescriptionoffunctionUF_MODL_transform_entities类型参数输入/输出参数描述intnum_entities输入数组中实体的数量tag_t* entities 输入 平移实体数组double matrix[16] 输入 定义平移变换的矩阵4-5检测测头平移运动前的坐标Figure4-5Coordinatesoftheprobebeforetranslation本文所开发的仿真系统中检测测头平移运动的部分函数代码如下：{UF_MODL_create_sphere1(UF_NULLSIGN,sphere_center,sphere_diam,&sphere_obj_id);UF_MODL_ask_feat_body(sphere_obj_id,&solid_sphere_obj_id);translation[3]={50,100,150};doublematrix[16]={0};uf5943(translation,matrix);entities[0]=solid_sphere_obj_id;}运行程序，可得测头平移运动前后的坐标对比，如图4-5和图4-6所示。4-6检测测头平移运动后的坐标Figure4-6ThecoordinatesoftheprobeaftertranslationalmotionUG中曲面模型数据信息获取的实现测点进行检测。此目的显然对待检测曲面检测点信息的获取提出了要求。UG环境下各坐标系的意义UGufun函数的参考坐标系都是绝对坐标系（ABS），ABS为基准的。此外，在实际建还会引入参考坐标系RCSUG二次UG中各坐标系的含义非常重要。WCSABS1、ABS：在进行绘制图形之前，软件要提供一个唯一且固定的点和坐标系ABSABS4-7WCSABS图4-7 UG中ABS和WCSFigure4-7ABSandWCSinUG2、WCS：指当前使用的绘图坐标系，可以据具体使用环境进行变换，无固定位置，但此坐标系若处在激活状态下则通常只有一个。3、MCS：在进行数控加工仿真过程中，刀具运动的坐标系位置。4、RCS：仅仅是参考，无其它实际意义。坐标系转换的实现函数4.3.1UGufun函数的参考ABSABS作坐标系下的曲面信息。intUF_CSYS_map_point(intinput_csys,doubleinput_point[3],intoutput_csys,doubleoutput_point[3])，将绝对坐标系下的点信息直接映4-3所示。表4-3UF_CSYS_map_point的参数描述Table4-3UF_CSYS_map_pointparameterdescriptions类型参数输入/输出参数描述intinput_csys输入待变换的坐标系doubleinput_point[3]输入待变换的点信息intoutput_csys输入变换后的坐标系doubleoutput_point[3]输出变换后到的点信息43PAGEPAGE44本文所开发的系统仿真模块中将ABS下的点信息映射到WCS下的部分函数代码如下：{UF_CSYS_map_point(UF_CSYS_WORK_COORDS,point,UF_CSYS_ROOT_WCS_COORDS,point);//坐标点的坐标值变换到工作坐标系下的输出OOT_WCS_COORDS,unit_norm);// 坐标点的向量值变换到工作坐标系下的输出}实体曲面信息的提取的整体思路1、曲面信息的提取的整体思路，如图4-7所示。4-7待检测曲面信息及其待检测点信息的获取流程图Figure4-7Flowchartofthesurfaceandpointinformationtobedetected2、曲面抓取函数在导入CAD几何模型后，要获取待检测曲面的信息，则需要抓取所要检测的曲面实体。本文选用的获取曲面函数为：intUF_UI_set_sel_mask(UF_UI_selection_p_t select_, UF_UI_sel_mask_action_t action, int UF_UI_mask_t*mask_triples)4-4UF_UI_set_sel_mask的参数描述Table4-4FunctionsofUF_UI_set_sel_maskparameterDescription类型参数输入/输出参数描述UF_UI_selection_p_tselect_输入选择的指针UF_UI_sel_mask_action_taction输入执行选择面的类型intnum输入所选面的类型数量UF_UI_mask_t*mask_triples输入所选面的类型数组本文所开发的仿真系统中抓取所要检测的曲面实体的部分函数代码如下：{staticintinit_proc(UF_UI_selection_p_tselect,void*user_data){int errorCode=0;int num_triples1;//选择类型数量UF_UI_mask_tmask_triples[]={UF_face_type,0,0,};//定义选择类型errorCode=UF_UI_set_sel_mask(select,UF_UI_SEL_MASK_CLEAR_AND_ENABLE_SPECIFIC,num_triples,mask_triples);if(errorCode==0){uc1601("选择待检测面",1);returnUF_UI_SEL_SUCCESS;}else{returnUF_UI_SEL_FAILURE;}UF_UI_select_with_single_dialog(message,title,scope,init_proc,NULL,&respoe,&object_tag,cursor,&view); //单对象选择对话框UF_DISP_set_highlight(object_tag,1);//1高亮显示0不高亮显示UF_OBJ_set_color(object_tag,20); //改颜色UF_MODL_update();}}运行程序，可得待检测曲面被抓取前后的对比，如图4-8所示。4-8待检测曲面被抓取前（左图）后（右图）的对比Figure4-8 Thecontrastofdetectedsurfacegrabbingbefore(left)andafter(right)3、据U、V值对曲面进行划分Z列Z列方向(v）nrvrur(u,v)行方向（u）OY4-9UV的概念图Figure4-9ConceptualdiagramofcomplexsurfacesUandVUGBezierNURBSUV4-9示。UVUV引导线方向，VV参数相同，U位置改变而变化。4、获取曲面点信息在抓取待检测曲面后，本文运用函数intUF_MODL_ask_face_uv_minmax(tag_tface_tag,doubleuv_min_max[4])获取待检测曲面的U、V参数的最大和最小值，如图4-10所示。4-5函数UF_MODL_ask_face_uv_minmax的参数描述Table4-5FunctionsUF_MODL_ask_face_uv_minmaxofparameterDescription类型 参数 输入/输出 参数描述tag_t face_tag 输入 指向曲面的指针double uv_min_max[4] 输出 [0]-umin[1]-umax[2]-vmin[3]-vmax4-10U、V参数值Figure4-10U,Vparametervaluesofthesurfacetobedetected在获得待检测曲面的U、V参数值后，本文运用函数[31]intUF_MODL_