基于CAD的三坐标测量机检测规划系统的开发.doc
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1、基于CAD的三坐标测量机检测规划系统的开发*赵韩1,刘达新1,董玉德1,王万龙2(1合肥工业大学机械与汽车工程学院合肥230009;2合肥文斯特科技有限公司合肥230088)摘要:为了提高检测自动化和智能化水平,提出基于CAD平台的三坐标测量机检测规划系统的开发方法。系统结构由外至里分为界面层、功能层、服务层和数据层四层,外层的操作和功能通过里层的支撑服务和数据实现。关键技术中检测几何信息的提取分为直接获取和元素离散点拟合两种方式;采样规划采用以规则分布为基础的步长自适应再分策略;途径规划重要涉及表面求交线的碰撞检查及基于启发式规则的碰撞规避;自动编程根据功能和规划信息依DMIS格式实现。整套
2、系统基于三维CAD平台Open CASCADE进行了实现,相关实例表白该系统能很好地完毕常见零件的自动检测规划任务。关键词:三坐标测量机(CMM);CAD/CMM集成;Open CASCADE;检测规划;尺寸测量接口标准(DMIS)中图分类号:TP391.76文献标记码:A国家标准学科分类代码:520.60Development of CAD-based inspection planning system for CMMZhao Han1, Liu Daxin1, Dong Yude1, Wang Wanlong2(1. School of Mechanical & Automotive E
3、ngineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;2. Hefei Winster Technology Ltd., Hefei 230088, China)Abstract:In order to improve the level of automation and intelligence for inspection, a method of developing CAD platform-based inspection planning system for coordinate measuring ma
4、chines (CMM) is proposed. The system architecture is divided into four layers from outside to inside: interface layer, function layer, service layer and data layer. The operations and functions of the outer layers are realized via the support services and data of the inner layers. Among the key tech
5、nologies, extraction of inspection geometry information is realized in two ways: extracting directly and best fitting of element discrete points; and sampling is carried out using step adaptive subdivision strategy based on regular distribution; path planning mainly involves section-line constructio
6、n-based collision detection between surfaces and heuristic rules-based collision avoidance; automatic programming is implemented in DMIS format according to the functions and planning information. Based on a 3D CAD platform Open CASCADE, the entire system was realized and the relevant examples show
7、that the system can accomplish automatic inspection planning task for common parts efficiently.Key words:coordinate measuring machine (CMM); CAD/CMM integration; Open CASCADE; inspection planning; dimensional measuring interface standard (DMIS)1引言收稿日期:2023-12Received Date:2023-12*基金项目:科技部科技型中小公司技术创新
8、基金(04C)资助项目随着高速发展的机械制造业对产品质量控制提出越来越高的规定,以三坐标测量机1-2(coordinate measuring machines,CMM)为主导设备的计算机辅助检测规划(computer aided inspection planning,CAIP)系统3应运而生,其目的便是要实现快速的高精度、自动化、智能化检测。近些年来,国内对基于CMM的CAIP技术研究和系统开发从未间断过,基于专家系统技术4、计算机视觉技术5,特别是CAD技术5-9的应用,显著提高了系统的智能化水平。目前研究仍处在发展阶段,在CAIP系统与CAD/CAM集成、决策智能化和最优化、自动编程及
9、程序可移植性等方面还比较落后。相比之下,国外在这一领域的研究10-12较为领先,并已有成熟的商业化系统PC-DMIS、Virtual DMIS等,但是引进成本都较高。基于此,研究并自主开发了一套自动化和智能化限度较高的基于三维CAD平台Open CASCADE的通用三坐标测量机检测规划系统。此CAIP系统通过实现与CAD/CAM集成,能直接从工件设计模型上获取相关检测信息,从而根据相应的检测任务自动生成检测点和检测途径,并对途径进行碰撞检查和规避,在拟定无碰撞后生成符合尺寸测量接口标准(dimensional measuring interface standard,DMIS)的测量程序传送至
10、CMM执行检测并对检测结果进行分析,整个过程高度自动化。2系统体系结构2.1结构组成如图1所示,基于CAD的三坐标测量机检测规划系统的体系结构由外至里依次由界面层、功能层、服务层和数据层四个层次组成,同时对于各层提供人机交互实现必要时人对系统的操作和控制。系统中外层的相关操作和功能通过里层的支撑服务和数据实现,同时相关数据返回外层界面实现系统更新显示。图1基于CAD的三坐标测量机检测规划系统的体系结构Fig.1 Architecture of the CAD-based inspection planning system for coordinate measuring machines1)
11、界面层:界面层的重要作用是向用户提供一个与系统交互的平台,涉及CAD界面和Windows标准界面。通过界面层,系统将信息展示提供应用户,并获取用户的操作信息。界面层上用户进行相应的操作将启用功能层的相关功能,同时功能层中的CAD显示及操作功能直接支持界面层中CAD界面的实现。2)功能层:功能层重要相应CAIP系统的各个功能模块,如CAD显示及操作、CAD文献导入导出、测量规划、公差评估、特性构造、坐标系建立、测头系统管理等等;同时在功能实现中需要用户加以修改或控制(如更改参数、特性拾取、操纵杆测量等)时提供人机交互。3)服务层:系统服务层提供各种支撑服务以实现功能层的相关功能,是整个系统的核心
12、。基本上每一个功能的实现都涉及数个相关服务,而同一个服务也支撑着数个功能,如CAD服务直接支撑CAD显示及操作功能,通过CAD服务、数据存储和数据载入服务实现CAD文献的导入导出功能等等。功能与服务之间的相应支撑关系如图1中各条由功能至服务的箭头连接线所示。4)数据层:数据层中重要是和检测规划相关的一些数据,既作为相关服务的结果记录,也在需要时作为支撑服务的数据源。同时提供一定的人机交互用于获取人工输入的数据(如程序、参数等)。图1中服务层与数据层之间的各条带箭头的连线代表了相关数据的流向。2.2CAD系统与CAIP系统的相应支持关系CAIP系统的构建基于法国Matra Datavision公
13、司的Open CASCADE作为CAD平台,其是由C+开发设计的基于OpenGL的专用快速开发的CAD类库,提供基本几何体的表达与操作、三维显示与操作、多种数据格式转换等诸多功能。系统通过对Open CASCADE运营库进行包装,基于它原有的功能提供CAIP系统所需要的功能和服务,两者之间的相应支持关系如图2所示。CAD系统重要相应支持CAIP系统的功能层和服务层两部分:对于功能层,Open CASCADE的三维显示及视图操作功能用于提供CAIP系统的CAD显示及操作功能,并直接支持CAD界面层系统;对于服务层,CAD模型支持系统和CAD几何操作与表达则用来提供相应的CAD服务,其中前者重要相
14、应支持CAD数据载入和存储,后者重要相应支持规划服务和数据层的一些系统数据和测量结果的表达更新。图2Open CASCADE与CAIP系统的相应支持关系Fig.2 Relationship between Open CASCADE and theCAIP system在整个CAIP系统中,作为基础服务的CAD服务重要涉及模型导入导出、信息提取及计算解决、几何设计造型三大部分。可以看出,其一般不是独立的,而是交叉在其它相关服务中,运用CAD系统的内部功能为其它服务提供支持以实现相应的功能。3关键技术3.1CAD/CMM集成从Open CASCADE与CAIP系统之间的相应支持关系可以看出,CAD
15、系统集成到了检测规划系统从模型导入到检测规划、测量仿真到结果显示的整个工作流程,是实现整个基于CAD的检测规划系统的重要组件,而集成需要解决的重要关键技术便是检测信息的提取8-13,即CAD模型设计信息中与检测有关的数据(特性的几何尺寸和公差等)的提取,这是检测规划制定的开始和关键。本规划系统基于Open CASCADE提供的几何拓扑属性获取功能,提取的是名义几何信息。一方面根据基本特性的测量任务,CAD系统相应启动边选或面选模式,用户便可在零件的CAD模型上选取待测元素,系统将自动捕获拾取的对象并得到相应的参数化型体,进而从中获取到与检测相关的几何属性,如元素的几何类型及位置、方向、尺寸等参
16、数,并由此判断出选取元素是否符合特性类型规定(如图3所示)。对于选取的型体为非基本类型时需做额外判断,因其也许在形状上也是符合类型规定的。此时先对选取的边或面在其参数范围内均分离散解决得到一系列点,然后再用这些点进行相应基本类型的元素最佳拟合,假如拟合成功且精度满足规定则也视为所需元素类型,并从拟合出的型体中获取相关参数信息,否则视为选取元素类型不符。例如对于平面信息提取的方法和环节如下:算法1 平面的几何参数信息提取算法Handle(Geom_Surface) Surf = BRep_Tool:Surface(TopoDS:Face(S); /从选取面S获取参数表面Surfif Surf是平
17、面类型 then调用平面类的成员函数获取平面的定位坐标系aAx3;gp_Pnt aPnt = aAx3.Location(); /提取平面定位点信息gp_Dir aDir = aAx3.Direction(); /提取平面法向信息else if Surf是其它类型的基本曲面 then所选面的类型不符合规定, 错误, return;else if Surf是基本曲面之外其它类型的曲面 then表面上沿u、v参数方向等参数均分获取离散点;根据每个离散点参数(U、V)获取其在表面上的坐标图3基于Open CASCADE的几何信息提取Fig.3 Open CASCADE-based geometry
18、information extraction值;对所有离散点进行平面的最小二乘拟合;if 拟合成功且精度满足规定 then提取拟合平面的定位点和法向信息作为提取信息;else then所选面的类型错误,不能生成正常的平面。3.2检测规划基于CAD的规划服务是整个系统的核心,重要在于测量采样点分布的拟定14及检测途径的规划15。3.2.1采样策略规划采样点分布以减少测量机误差影响为基本原则,重要考虑以下四个方面:1)分布尽量均匀,各采样点间距尽也许相近;2)采样点尽也许散开覆盖整个表面以保证检测质量;3)避免落入孔洞、凸台等不可测或不可达区域;4)避免太靠近表面边界、障碍边界和孔边界。系统采用自
19、适应再分采样法拟定点的分布,其以规则均匀分布(等参数/等步长)为基础,通过对采样的参数表面几何信息进行分析,采用均分缩短采样步长进行自适应再分迭代自动规划出相应数目的采样点分布,并适应表面形状均匀散开。同时规划中基于Open CASCADE对点在表面上的存在性进行检查以避开非连续区域。如图4所示,当边的测量采样点数npts等于5时,根据避免太靠近边界而设立的安全距离dsafe拟定采样原始起点(u00, v00),再由边长均分拟定步长du、dv,之后便可按步长逐步规划各采样点。但由于边所依附的表面也许存在障碍、孔洞等不连续区域,第一次规划也许得不到需要的点数,此时步长将自适应再分,继续迭代规划直
20、至设定点数或者失败。边的测量采样算法描述如下:图4步长再分迭代生成采样点Fig.4 Generating sampling points using step subdivision iteration算法2 边的步长自适应再分迭代采样算法Step1. 已获取采样点数nval=0; 迭代次数iter=0;Step2. iter = iter +1;Step3. u0 = u00; v0 = v00; / 分布起始点置为原始起点Step4. if iter 最大迭代次数,则表面上找不到足够数量的有效测量点,exit;Step5. if iter 2,步长du、dv等分缩短为本来的一半以用于再分出
21、更多的采样点:du = du/2; dv = dv/2;Step6. if iter 1,对原始起点u00、v00增长半个当前步长作为每次迭代的新起始点u0、v0:u0 = u00+du/2; v0 = v00+dv/2;Step7. 从u0、v0开始按步长du、dv同时依次递增,循环获取各采样点参数U、V,直到U、V超过参数范围umax、vmax;对于获得的每一个采样点(U、V):if U、V在参数范围内 then基于Open CASCADE功能检查(U、V)点是否存在于表面上,以避免落入不可测或不可达区域,满足规定3;if 点存在于表面上 then继续检查采样方向上距离(U、V)点0.5d
22、safe处的点是否存在以避免采样点太靠近各种边界,满足规定4;if 各点均存在 then取(U、V)点作为一个采样点; nval = nval +1;if nval = 2npts then exit; / 最多取两倍点数的点Step8. if nval npts,转Step2,否则结束,exit。对于面的采样点规划初始设定为两行(面内采样不得少于两行),每行分布点数预设为:平面取为2,圆柱、圆锥、球取为3。由此便可拟定采样原始起点(u00, v00)和步长du、dv。之后的规划过程则为两个参数方向上的一维采样的混合,但每次迭代只对步长du、dv中较大者相应的方向进行一维步长再分和迭代起始点设
23、立,另一个方向的设立保持不变。这样做也是为了满足均匀性规定1,使得采样点之间行列间距不至于相差太大。在拟定u、v方向的迭代起始点和步长后,便可以行为主方向(u或v方向)逐行进行du、dv循环增长获取采样点。3.2.2途径规划检测途径规划作为增长CMM工作效率的重要一环,其目的就是要生成一个最优的无碰撞检测途径以使测量在最短的时间内完毕,具体涉及采样点的检测顺序问题及保证检测过程安全的碰撞检查和碰撞规避问题。基于采样点沿参数方向规则划分呈网格状分布的特性,系统采用简朴的按行列依次排序的方式规划采样点检测顺序形成初始途径。如图5,途径根据行之间的连接点不同也许呈S形或Z形。图5采样点检测顺序规划F
24、ig.5 Inspection sequence planning for sampling points碰撞检查采用测头扫描体与零件进行静态干涉判断来实现。如图6所示,由于干涉时扫描体表面与工件表面之间必存在交线,因此系统采用两者表面求截面交线的方法。但用整个工件与扫描面求交线既费时又不必要,系统通过遍历工件的每个面来求交,同时采用轴向包围盒(axis-aligned bounding box,AABB)过滤减少求交次数:先通过工件的AABB过滤,再对遍历的每个面的AABB过滤,只要不与扫描体的AABB重叠,则无碰撞,不用再进行求交线计算;否则一旦检测到交线便可拟定存在碰撞。相关的实验验证,
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