基于cad點(diǎn)云模型的cmm離線編程技術(shù)研究

1、２０１７年１０月第４５卷第１９期機(jī)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(xiàng)目：２０１４年度泰州學(xué)院重點(diǎn)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(xiàng)目（１４ＫＪＢ４６００２８）作者簡(jiǎn)介：龔玉玲（１９７８—），女，碩士，講師，研究方向?yàn)榇芭c機(jī)電工程技

2、術(shù)，精密測(cè)量的教學(xué)與研究。Ｅ－ｍａｉｌ：７９０４３６３８@ｑｑ.ｃｏｍ。基于ＣＡＤ點(diǎn)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(jī)電工程學(xué)院，江蘇泰州２２５３００；２中國(guó)航天科工集團(tuán)８５１１研究所，江蘇南京２１０００７）摘要：三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（ＣＭＭ）的離線編程較復(fù)雜，尤其針對(duì)未知三維ＣＡＤ模型的工件更加難于實(shí)現(xiàn)離線編程。為此提出基于ＣＡＤ點(diǎn)云模型，針對(duì)工件中常見(jiàn)的平面和圓柱面等特征，通過(guò)編程方式完成特征異常點(diǎn)

3、刪除和提取特征點(diǎn)操作，編制ＤＭＩＳ自動(dòng)測(cè)量程序，模擬仿真檢驗(yàn)后進(jìn)行ＣＭＭ在線測(cè)量。實(shí)例驗(yàn)證：該方式較易編制ＣＭＭ離線程序，實(shí)現(xiàn)了ＣＭＭ的自動(dòng)穩(wěn)定測(cè)量。關(guān)鍵詞：ＣＭＭ；ＣＡＤ點(diǎn)云模型；特征點(diǎn)；ＤＭＩＳ；離線編程中圖分類號(hào)：ＴＢ２２文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ文章編號(hào)：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(kuò)大，加工精度不斷提高，對(duì)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(cè)量。根據(jù)目前三維測(cè)量方式主要分為接觸式測(cè)量、非接觸式測(cè)量和其它測(cè)量。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（ＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＭｅａｓｕｒｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ，簡(jiǎn)稱ＣＭＭ）作為柔性接觸式測(cè)量設(shè)備的典型代表，其測(cè)量精度高、測(cè)量靈活而得到廣泛應(yīng)用，缺點(diǎn)是測(cè)量效率較低；非接觸式測(cè)量設(shè)備，以激光掃描儀為代表，優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量速度快，缺點(diǎn)是測(cè)量精度不高，一般不能作為精密工具，常用于逆向測(cè)量和設(shè)計(jì)。因此三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)Ｃ

9、ＭＭ在工件測(cè)量中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。對(duì)于有三維ＣＡＤ模型的工件測(cè)量，可以將模型導(dǎo)入ＣＭＭ的測(cè)量程序中，直接從模型中取點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)ＣＭＭ的智能自動(dòng)測(cè)量，但是有時(shí)某些廠家由于技術(shù)保密，不提供原始設(shè)計(jì)模型，針對(duì)此類未知三維ＣＡＤ模型的ＣＭＭ測(cè)量[１]，根據(jù)測(cè)量要求，常依靠人為經(jīng)驗(yàn)，在線隨機(jī)采樣測(cè)量，人為影響因素較大，測(cè)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(shí)體模型，工作量大，對(duì)于較復(fù)雜零件，實(shí)體建模本身就很復(fù)雜。如何提高ＣＭＭ測(cè)

10、量效率和ＣＭＭ的利用率，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)測(cè)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(diǎn)，開(kāi)發(fā)軟件生成測(cè)量程序，但是未對(duì)路徑進(jìn)行優(yōu)化處理。韓鋒[３]研制智能三坐標(biāo)輔助測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)激光跟蹤儀實(shí)時(shí)監(jiān)控，閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)ＣＭＭ自動(dòng)化測(cè)量。王正明[４]采用自學(xué)習(xí)方式，提高了在線測(cè)量效率，但是零件變換后該自動(dòng)測(cè)量不適用。在相關(guān)研究技術(shù)成果基礎(chǔ)上，針對(duì)未知三維ＣＡＤ模型的ＣＭＭ測(cè)量，提出采用構(gòu)建ＣＡＤ點(diǎn)云模型代替復(fù)雜的三

11、維ＣＡＤ實(shí)體建模[５]，直接從點(diǎn)云模型中提取測(cè)量特征點(diǎn)，經(jīng)過(guò)測(cè)量路徑優(yōu)化后，編寫離線測(cè)量程序，模擬仿真檢驗(yàn)確定離線程序萬(wàn)方數(shù)據(jù)圖６圓柱面樣本空間令待測(cè)特征點(diǎn)集為Pi（xi，yi，zi），樣本區(qū)域點(diǎn)為Pj（xj，yj，zi），且Pj?Pi，樣本空間的矢量方向?yàn)椋篤＝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(duì)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(diǎn)刪除和特征點(diǎn)提取，特征點(diǎn)提取后，通過(guò)逆向轉(zhuǎn)化，再轉(zhuǎn)換成原空間面的特征點(diǎn)，變換圖形見(jiàn)圖７所示。圖７三維空間矢量變換特征矢量方向?yàn)閂（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(cè)特征點(diǎn)Pi經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后點(diǎn)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(diǎn)提取完畢，將特征點(diǎn)通過(guò)如下方程，再還原到原來(lái)位置，轉(zhuǎn)換方程為：Pi＝[Rx（α）]－１[Ry（β）]－１P′i（３）２.４特征異點(diǎn)刪除采用編程方式，分別對(duì)平面和圓柱面進(jìn)行異常點(diǎn)自動(dòng)刪除。（１）平面異常點(diǎn)刪除平面異常點(diǎn)刪除程序步驟為：Ｓｔｅｐ１：當(dāng)平面的法向矢量如果與某個(gè)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(gè)軸（假定為Z軸）不平行時(shí)，按照公式（２），將平面旋轉(zhuǎn)，直到與某個(gè)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(diǎn)Pi保留，否則該平面點(diǎn)刪除；Ｓｔｅｐ４：所有平面點(diǎn)判斷結(jié)束，則異常點(diǎn)刪除程序結(jié)束。（２）圓柱面異常點(diǎn)刪除圓柱面異常點(diǎn)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(gè)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(gè)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(gè)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(diǎn)為Z′iｍｉｄ＝Z′iｍｉｎ＋Z′iｍａｘ２，則當(dāng)Z′i－Z′iｍｉｄ＜ε時(shí)，該層點(diǎn)集合保留，否則刪除，保留的點(diǎn)集P′iｍｉｄ；Ｓｔｅｐ４：對(duì)保留的點(diǎn)集P′iｍｉｄ上任取三點(diǎn)Pl，Pm，Pn，見(jiàn)圖８所示。令Pl，Pm，Pn三點(diǎn)擬合的圓心