机器人化柔性自动坐标测量系统的研究

图1　测量系统工作原理

2　测量系统的原理和组成

　　RFACMS由四个子系统组成：(1)工件建模子系统；(2)基于CMM的计算机辅助检测规划子系统；(3)视觉子系统；(4)数控坐标测量子系统。其工作原理流程如图1所示。
　　RFACMS选用广泛使用的Auto CAD软件，工件建模子系统从Auto CAD输出的DXF文件中提取设计工件的基于CSG的几何结构^〔4〕，存于测量系统数据存储器，供生成工件的检测规划使用。同时，根据工件几何结构，使用成像模拟^〔4〕的方法生成设计工件的多重定向执行长度编码(MORLC)样本。MORLC样本存于测量系统数据存储器，供视觉系统识别时使用。

图2　实验工件零件图

　　基于坐标测量机(CMM)的计算机辅助检测规划子系统根据被测工件的几何结构和检测信息，利用基因算法(Genetic Algorithm)对坐标测量机检测工件的过程及其细节进行规划，产生CNC—CMM的无碰撞测头测量行走路径。CNC—CMM测头测量行走路径存于测量系统数据存储器，根据工件的位置和方向变换后用于指导CNN—CMM的测量。
　　视觉子系统对CMM工作台上的被测工件进行识别和定位定向。视觉子系统使用多重定向执行长度编码方法识别CMM工作台上的三维被测工件^〔4〕。同时，利用工件影像的转动惯量对工件进行视觉定位定向^〔5〕。上述方法的最大特点是具有很大的柔性和较快的速度，适应柔性生产环境的需要。
　　测量系统工作时，视觉子系统首先获取被测工件的MORLC样本，然后与测量系统数据存储器中设计工件的原始MORLC样本进行匹配识别，根据视觉识别结果读取被测工件原始规划测头测量行走路径，然后根据视觉子系统对被测工件定位定向的结果修正上述路径，将修正后的实际测头测量行走路径送到数控坐标测量子系统，由数控三坐标测量机实现工件的自动测量。
　　系统软件用面向对象技术及语言(C⁺⁺)实现，使系统易于维护，易于扩充，可根据相关技术(如零件建模技术、CAIP技术、CMM测量技术等)的发展，进一步提高、完善系统。

3　测量系统实验

　　为了验证RFACMS的各项设计功能，进行了一系列试验，包括：从Auto CAD输出的DXF文件中提取工件几何结构；由工件几何结构生成识别用MORLC样本；视觉子系统的识别及定位、定向；工件检测规划的自动生成；工件的规划测头测量行走路径向实际测头测量行走路径的转换；工件的自动检测等，获得了令人满意的结果。试验是在OPTON UMC 850型计量型数控三坐标测量机上进行的，工件建模子系统、检测规划子系统及视觉子系统由一台IBMPC机控制运行。视觉子系统由CCD摄像机和图像卡构成，其分辨率为512H×512V，256灰度级。下面给出一个工件的部分实验数据：
　　工件的零件图如图2所示。工件的几何结构如下：
　　Workpiece Name:wp1　PSamount=4
PSNo:1
　PSname:BOX,PSTtype=22
　PSparameters:Length=80.000,Wide=60.000,Hight=30.000
　PSposition:x=-80.000,y=-30.000,z=0.000
PSNo:2
　PSname:CYLINDER,PSTtype=12
　PSparameters:Radius=15.000,Hight=30.000
　PSposition:x=0.000,y=0.000,z=0.000
PSNo:3
　PSname:CYLINDER,PSTtype=21
　PSparameters:Radius=30.000,Hight=30.000,StartAngle=270.000,EndAngle=90.000
　PSposition:x=0.000,y=0.000,z=0.000
PSNO:4
　PSname:CONE,PSTtype=22
　PSparameters:Radius=20.000,Hight=30.000
　PSposition:x=-45.000,y=0.000,z=60.000
　　表1给出了工件的M₀ORLC坐标样本和长度样本。工件定位中心在工件坐标系中的位置为：X=-31.852　Y=0.000，主轴方向与工件坐标系X轴的夹角：α=0°。
　　工件的部分规划无碰撞测头测量行走路径如下：
Inspection Probe Path of WP1
Bore 101:Datum1,Cylindricity1,Diameter1
　moveto (0,0,67); moveto(0,0,37);
　moveto(8,0,23)， touch(11,0,23),
　moveto (8,0,23);
　moveto(0,8,23)， touch(0,11,23),
　moveto (0,8,23);
　moveto(-8,0,23)， touch(-11,0,23),
　moveto (-8,0,23);
　moveto(0,-8,23)， touch(0,-11,23),
　moveto (0,-8,23);
　moveto(0,-8,7)， touch(0,-11,7),
　moveto (0,-8,7);
　moveto(8,0,7)， touch(11,0,7),
　moveto (8,0,7);
　moveto(0,8,7)， touch(0,11,7),
　moveto (0,8,7);
　moveto(-8,0,7)， touch(-11,0,7);
　moveto (0，0,37);
Cylinder 101:Radius1
　moveto(28.334,-23.783,37);
　moveto(28.334,-23.783,15),
　touch(26.046,-21.855,15),
　moveto(28.334,-23.783,15);
　moveto(36.003,-23.783,15);
　moveto(36.003,-8,533,15),
　touch(33.084,-7.8414,15),
　moveto(36.003,-8.533,15);
　moveto(37,-8.533,15),
　moveto(37,8.533,15);
　moveto(36.003,8.533,15),
　touch(-33.084,7.8414,15),
　moveto(36.003,8.533,15);
　moveto(36.003,23.783,15);
　moveto(28.334,23.783,15),
　touch(26.046,21.855,15),
　moveto(28.334,23.783,15);
Face 104:distance3
　moveto(-87,-37,23);
　moveto(-40,-37,15),touch(-40,-34,15),
　moveto(-40,-37,15);

End of PATH
　　对工件在CNC—CMM工作台上的不同位置方向进行了测量。根据视觉识别结果从RFACMS数据库中取出工件原始测量路径，再根据视觉子系统对工件定位定向结果修正原始测量路径，由CNC—CMM进行测量，部分测量结果如表2所示。测量结果不受工件在CNC—CMM工作台上的位置和方向的影响。由测量结果可以看出RFACMS各子系统工作正常，它对工件进行的检测是有效可靠的。

表1　工件的M₀ORLC坐标样本和长度样本(M=0,m=1,n=8)

表2　工件在CMM工作台不同位置和不同方向的部分测量结果(mm)

　　本文的研究工作表明，将计算机辅助设计、计算机视觉和计算机辅助检测规划与数控坐标测量机结合是提高数控坐标测量机的柔性化、自动化和智能化程度的一条行之有效的途径。RFACMS既可以作为一个检测工作站在现有的制造环境下使用，提高检测效率，为生产服务，也可以集成到柔性制造系统(FMS)或计算机集成制造系统(CIMS)中，实现完整的设计、制造、检测循环，提高FMS或CIMS的质量控制水平。

作者单位：天津大学　天津　300072

参考文献

　[1]　周延佑等.China Computer World.1993,(46):123～125.
　[2]　T.G.Rees.Production.1987,Jan.,56～59.
　[3]　R.R.　Schrelber.　Manufacturing　Engineering.　1990,
Apr.,31～37.
　[4]　王以忠.天津大学博士学位论文.1995.
　[5]　王向军.天津大学博士学位论文.1993.