随着市场竞争的日益激烈，对产品提出了T,Q,C,S(即时间更短、质量更好、成本更低、服务更优)的要求。综合产品设计、制造、检测等各个环节的质量自动控制系统成为发展的必然。其中，检测环节是保障产品质量的重要手段。传统的手工检测，由于效率低，出错率高，已经不能完全适应当前的产品质量需求。同时，对同一产品可能存在多种检测方案。如何根据产品质量需求，选择合理的检测方案，并提高检测方法的自动化程度，成为亟待解决的问题。
目前，CAD/CAM 集成技术已经比较成熟。而作为整个质量自动控制系统核心之一的 C A I(Computer Aided Inspection，计算机辅助检测)环节，与CAD/CAM 集成的程度并不理想，成为制约质量控制系统自动化的一个瓶颈。CAD 模型中除了包括几何设计信息，还包括各种工程信息(如公差信息)，基于它来创建零件的检测规划，并综合利用图形仿真的手段，可以帮助提高检测效率和正确率。同时，通过CAI 与CAD/CAM 的集成，将检测结果反馈到CAD/CAM 系统中，可以及时发现和改正设计和加工中的错误，大大降低产品报废率，切实达到产品质量控制的目的。
三坐标测量机(Coordinate Measuring Machines,简称CMM)是目前广泛使用的一种测量设备，它具有高效率、高精度的特点，并且具有很好的通用性，被广泛地应用于汽车、航空、机械等领域。同时随着多传感器集成技术在其上的应用，能根据不同的产品和精度要求，灵活选择接触式和非接触式测量，大大提高了检测的柔性，具有良好的应用前景。
1 多传感器集成
三坐标测量机的测头可以视为一种传感器[1]，它分为接触式和非接触式测头。使用最多的接触式测头是电气测头。它通过测头与零件表面相接触，来获取被测点的空间位置。其优点是测量精度高，一般可控制在几微米以下。但由于测头需不断地与零件接触，测量效率较低;受到测力的影响，会使被测零件发生微小形变，因此不适用于软材料的测量;此外，由于离散采点，无法完整地反应整个被测表面信息。
多数情况下，光学测量属于非接触式测量，常用的测头如三角法测头、视像测头等。由于不受测力的影响，可以实现对软材料的测量;能一次获取多个点的信息，测量效率高;能够完成微小零件的测量，而不会受到测头尺寸的影响。但测量精度受到材质表面光学特性等的影响，因而较之接触式测量低，一般在几十到几百微米之间[2]。
为了提高检测系统的柔性，目前三坐标测量机应用的趋势是，将光学测量与接触式测量结合起来，实现硬件和软件上的集成。由于同一个零件可以选择的检测方案有多种，所以多传感器集成检测系统需要解决的问题是：如何根据不同零件，选择最为合理的检测设备和方案;并且在企业内部，进而在整个生产链中建立一致的检测策略。另一方面，对于具体的检测方法，如接触式测量，如何在零件定位、测量点分布、测头参数确定等各个环节中，尽可能地减少人工的干预，提高检测规划的自动化和智能化水平。并通过与CAD/CAM 系统的集成，最终形成闭环的产品质量控制系统。
2 多传感器集成自动检测规划系统
针对以上需求，本文提出了图1 的系统方案。
2.1 检测特征提取和识别
明确检测目标，是检测规划的第一步。目前普遍的方法是：检测人员在2 维工程图上标记待测要素，编写列表;或者在CMM 图形交互界面上，选择几何要素，定义公差。由于几何和公差数据表达方式的不同，设计环节中已定义好的公差信息无法直接被检测环节利用，而必须由检测人员重新手工识别，造成了不必要的重复性劳动。检测特征的提取和识别，就是要实现CAD 系统和 CMM 系统之间数据的自动传递，避免人工干预，进而提高工作效率。
特征技术的引入，使公差成为了具有语义的要素，建立了公差与几何之间的唯一对应关系，从而为从CAD 模型中提取出检测特征提供了可能。CAD 和C M M 之间的数据传递，是通过中性文件来实现的。考虑到能表达零件几何拓扑信息的STEP, IGES 等中性文件在CAD/CMM 间传递数据时，存在公差信息丢失或无法识别的问题，引入了QDAS 中性文件来记录公差信息。QDAS 是一种测量行业标准[3]，它以ASCII码的形式记录检测相关的信息，包括公差类别、公差大小、与公差关联的几何要素等;能够被多数 C M M 系统识别。基于同一几何要素在 C A D 模型中标识唯一，建立 S T E P 和QDAS 文件的映射，可以实现 CMM 系统对检测特征的自动识别。
图2是建立在UNIgraphics平台上的实例。利用3D 标注建立公差特征;然后从CAD 模型中查询出所有公差特征，并且根据公差类别的不同，提取不同信息;再写入QDAS 文件，并在STEP 文件中进行注释;最后输出给 C M M 系统。
2.2 专家规则库
建立专家规则库的目的，是能根据不同零件的特点，选择最为合适的测量设备和方案，以保证测量精度和效率。需要考虑的要素包括：材质、公差精度、公差类别和几何大小形状等零件相关属性。专家规则分为通用规则和专用规则。通用规则如：软性材料采用光学非接触测量;测量设备的精度必须高于待检测特征要求的精度等。在多数情况下，检测设备的选择需要综合考虑多个要素，可行方案也不唯一。这时，就需要根据企业的产品情况和检测经验，制定适用于不同检测任务的专用规则。如对于汽车白车身上的定位孔，选用接触式测头;而对于带有自由曲面的模具，选用光学测头。在选择专家规则时，所需条件少的规则应优先判断;拓扑结构在上的零件属性应优先匹配。专家规则库不是一成不变的，应根据实际需求对其进行扩充和修正。
建立专家规则库，一方面可以提高检测方案的合理性，另一方面也保障了企业内检测策略的一致。通过专家规则对检测特征进行判断，选择了合适的检测设备后，需要再反向进行分组，将使用同一种检测设备的特征集合到一起。每更换一次检测设备，尽可能完成该组所有检测特征的测量，从而减少设备更换的频率，提高检测效率。
2.3 接触式测量
接触式测量的检测规划，一般分为以下步骤，如图3。如何提高各个模块的自动化水平，是重点考虑的问题。
(1)检测状态配置
检测状态配置用于确定零件和测头方位，通常包括两部分：测头可达性分析;根据测头方位对检测特征进行分组。
可达性(Accessibility)是指在某个零件定位和测头方位下，测头能接触到待测特征，并且不与零件其它部分发生干涉。Spyridi和Requicha[4]提出的利用方向锥求解可达性区域的方法具有代表性。此外，还有基于光线跟踪法[5]、Vmap方法[6]的求解等。
通过对所有检测特征的可达性分析结果进行求交、分组，可以实现以最少的测头方位完成所有检测特征的测量。
由于是从保证所有特征的可达性入手，所以采用上述方法得到的测头方位对于单个检测特征或者是测量点而言，并不一定最优。同时，随着测头技术的发展，更换测头方位带来的效率和精度损失，已经越来越小。考虑根据零件的定位进行分组，不仅能更有效地保证测量效率，并且实现简单。
首先从零件模型中标识出可用于零件定位的表面，如平面等可自定位的面、或者可利用专用夹具定位的面。然后搜索出所有在该定位方式下可以检测到的公差特征。按照可检测公差特征的多少对定位方式进行排序;同精度等级的公差特征，或者同一公差特征的不同几何要素，是否在同一组中，将作为具有相同公差数目的定位方式排序的依据。得到最优的定位之后，将该组中所有的公差特征从其它定位中删除，然后对剩下的组重新进行排序。直到所有公差特征都分配到相应的组中。测头方位的确定，可在后续的测量点生成模块中自动获取离散点的法向方向，并利用图形工具进行碰撞检查和修改，以保证其可达性。
采用上述简化的检测状态配置方法，最终可以实现以最少的零件定位完成所有检测特征的测量，减少更换零件方位带来的效率和精度损失。
(2) 检测规划
①测量点生成
由于接触式测量通过离散空间点坐标来获取几何和公差信息，所以合理地确定测量点是获得测量精度和效率的保证。一般来说，测量点数越多，分布越密，测量精度就越高;但检测效率低。测量点的分布需要综合考虑零件尺寸、几何形状、公差要求及加工精度等多种因素的影响。
一些通用规则已经被应用在了三坐标测量机软件系统中，以自动获取测点坐标的名义值。比如圆的测量，在圆心坐标、直/半径、所在面矢量已知的情况下，可以自动解算出7个测点的坐标：面上3点用于确定法矢;横向两点和纵向两点分别决定两个方向的偏移。但这种自动解算和规则应用目前还只适用于标准几何特征。对于自由曲线/面而言，测点的坐标或者是通过手工输入，或者是通过交互式图形界面，由操作者在三维模型上鼠标点选来求解。一方面效率低，另一方面不能很好地根据零件的特点合理地分布测点。
从零件的 CAD 模型中可以方便地查询出曲面上任一点的坐标值、法矢、曲率、NURBS参数值等。所以可以基于零件的CAD 模型来实现自动布点。可以应用的规则如：u, v 参数方向上的均匀分布;基于曲率大小的分布;基于面片大小的分布等。此外，该面上与其它几何特征相交的区域，或者距离边界太近的点，可根据具体要求加以舍弃。
图4所示是在Unigraphics平台上开发的自动布点的实例，采用u 方向上均匀分布的规则。首先从CAD 模型中查询出线轮廓度及对应曲线的标识，然后根据匀布的u 值求出空间点坐标，最后通过判别去除掉位于相交孔内的那些点。
②测量路径生成
得到测量点之后，需要连接各点生成检测路径。路径的生成应该满足两个目标：一是测头在各点间移动时，不会与零件碰撞;二是检测路径尽可能短，以确保测量效率的最优。
为了避免碰撞的发生，可以在测点之间添加避障点。也可以设定安全区域，此安全区域是零件的一个包络，探针在此安全区域之外移动不会与零件发生碰撞;每测完一点，探针就回退到安全区域以外，快速移动，再到下一测点。最短路径的生成则可以借鉴旅行家问题的求解。在生成测量路径时，往往借助图形仿真工具，预先更正可能存在问题的地方，并方便检测人员对检测过程建立整体直观的把握。
(3) DMIS输出
DMIS标准(Dimensional Measuring InterfaceStandard)是独立于特定检测设备的中性文件，用来记录检测规划信息和检测结果数据表达[7]。不论是在CAD 系统中，还是在三坐标测量机系统中进行检测规划，都可以采用DMIS 输出;方便地实现不同测量机之间的数据共享，从而保证了检测规划的通用性。
2.4 光学测量
光学测量需要解决的问题包括如何正确地选择测头方位和参数，以及如何减少冗余点。基于零件的CAD模型来优化测头定位，可以减少人工干预，得到更合理的测量方案。相关方面的研究，如文献[8,9]。由于不同的光学测头测量原理不尽相同，所以光学测量的自动检测规划还有待进一步完善。
3 结论
本文建立了基于多传感器集成的三坐标测量机自动检测规划系统。通过STEP 和QDAS 中性文件的映射，实现了CAD/CMM 系统的集成。利用专家规则库自动选择测量设备和方案，从而保障了企业内部检测策略的一致。重点分析了接触式测量检测规划的各个模块，对其自动化水平的提高提出了解决方案。并探讨了光学自动检测规划的实现要点。该检测规划系统为产品的自动检测奠定了基础。通过加入数据处理和分析模块，对不同测量设备得到的数据结果进行处理和比较，并反馈给CAD/CAM系统对设计和加工过程进行修改，最终可实现产品质量的闭环控制，有效地提高产品质量。
本文的研究工作是基于中德合作多传感器集成的自动质量控制系统项目。研究中的相关成果已经得到实践验证。
参考文献：
[1] 张国雄.三坐标测量机[M].天津:天津大学出版社,1999.
[2] SHEN T S, HUANG J B, MENQ C H. Multi-sensorintegrationforrapidandhigh-precisioncoordinatemetrol-ogy [C]. Proc. of 1999 IEEE/ASME Int. Conf. on AdvancedIntelligentMechatronics,Atlanta,USA,1999:908-915.
[3] Q-DAS* ASCII Transfer Format [OB/EL]. 2002.https://www.q-das.de/homepage_e/datenformate_e.htm
[4] SPYRIDI A J, REQUICHA A A G. Accessibility analysis fortheautomaticinspectionofmechanicalpartsbycoordinatemeasuringmachines[C].Proc.ofIEEEInt.Conf.onRoboticsand Automation, Cincinnati, USA 1990: 1284-1289.
[5] LIM C P,MENQ C H.CMM feature accessibility and pathgeneration[J].Int.J.Prod.Res,1994,32(3):597-618.
[6] KWEON S, MEDEIROS D J. Part orientations for CMMinspectionusingdimensionedvisibilitymaps[J].Computer-AidedDesign,1998,30(9):741-749.
[7] 崔长彩,车仁生,等.尺寸检测设备的通讯标准DMIS及其实现技术[J].宇航计测技术.2001,21(2):25-31.
[8] TARBANIS KA, ALLEN P K. A survey of sensor planningin computer vision [J]. IEEE Trans. on Robotics andAutomation,1995,11(1):86-104.
[9] PEDARCE F, REDARCE T, BOULANGER P. CAD-basedrangesensorplacementforoptimum3Ddataacquisition[C].Sec.Int.Conf.on3-DDigitalImagingandModeling,Ottawa,Canada,1999:128-137.
作者简介：王健美，硕士研究生，主要从事计算机辅助检测，CAD/CAM等方向研究。
