一种面向CMM的零件质量检测程序自动生成方法
本发明涉及智能制造技术领域，特别涉及一种面向cmm的零件质量检测程序自动生成方法。
背景技术：
零件制造质量检测是智能制造过程中的一个关键环节。近年来，随着三维数字化技术的发展，使产品的功能和性能得到不断的提升。因为企业对产品品质和加工精度的要求越来越高。为适应这种发展趋势，出现了像cmm这类现代化的检测设备，且在产品质量控制、新品开发、模具制造等方面发挥着巨大的作用。
多数企业目前都配备了cmm等检测设备，但由于检测系统缺乏与测量对象(产品三维模型以及标注)的集成和关联，使得检测工作在很大程度上还依赖人工，如手工制定检测规程、手工编写cmm检测程序、人工读取检测结果与二维图纸上的标注比对，看是否满足设计要求等。人工参与使得产品质量检测的自动化、智能化水平不高，检测效率较低，尤其是零件制造质量(特别是首件)检测程序的生成，是制约检测效率提升的主要瓶颈。该过程费时费力，容易出现人为错误，对检测人员的专业技能水平要求也较高。
质量检测程序生成的方法目前主要有以下三种：①基于“二维图纸”的手工编写。检测人员首先对照图纸制定检测工艺规划，然后驱动检测设备(如坐标测量机)对实物进行测量点采样，逐项进行零件制造质量的评价，最后将该过程保存为检测程序供后续使用。该方法具有较好的灵活性，可在没有cad模型的情况下，根据图纸中的技术要求，对零件进行检测和评价，但对检测人员业务水平要求较高，检测效率低，容易遗漏检测项和出错，影响检测的工作进度及成本。②基于“二维图纸+三维模型”的手工编写。检测人员首先将三维模型导出为中性文件并加载到检测系统中，然后对照二维图纸上的设计要求，在虚拟环境下对cad模型进行测量点的采样和评价，最后同样将该过程保存为程序，并在真正的检测设备上运行程序以再现检测过程。该方法比较直观、可充分利用多种cad软件所构建的模型，摆脱各cad系统知识产权的保护。但该方式在三维cad模型向中性文件转化过程中会造成产品制造信息(productandmanufacturinginformation，pmi)的丢失，没能充分利用模型中蕴含的知识，同样也存在检测效率低，容易遗漏检测项等问题。
针对现有技术存在的问题，本申请提供了一种面向cmm的零件质量检测程序自动生成方法，提供基于模型定义的三维零件cad模型和cmm探针传感器参数模型，自动生成零件制造质量检测程序。可降低对检测技术人员的专业技能要求，提高零件质量检测程序生成和质量评价效率，促进生产力的发展。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种面向cmm的零件质量检测程序自动生成方法，提供基于模型定义的三维零件cad模型和cmm探针传感器参数模型，自动生成零件制造质量检测程序。可降低对检测技术人员的专业技能要求，提高零件质量检测程序生成和质量评价效率，促进生产力的发展。
本发明提供了一种面向cmm的零件质量检测程序自动生成方法，包括以下步骤：
检测特征识别与重构：建立标有pmi信息的三维零件cad模型，进行零件几何信息的识别和提取，重构模型的检测特征；
检测点的分布规划：根据检测特征集合内的检测特征类型构建检测点采样规则库，并进行检测点的选择；
高层检测方案确定：将零件在cmm工作台上的摆放姿态、探针类型和探针的方位角度，得到给定三元组——位姿、探针、方向配置约束条件下的检测特征集合，规划确定出高层检测方案；
低层检测路径规划：对高层检测方案中确定检测特征中的每个检测面上的检测点进行路径规划，得到最短的检测路径集，同时对不同检测面的检测顺序进行优化组合得到最优路径；
仿真及规避处理：对得到的最优路径进行路径仿真及规避处理；判断经过该判断仿真及规避处理的路径是否满足检测标准，若未满足则重新进行低层检测路径规划，若满足则将检测规划结果输入前置处理器进行前处理，生成检测方法。
更优地，所述pmi信息包括尺寸误差、形状误差、位置误差、表面结构和基准；
所述尺寸误差包括零件特征之间的长度、宽度、高度、夹角、直径、半径和其它尺寸数值类型；
所述形状误差包括零件特征之间的直线度、平面度、圆度、圆柱度、圆锥度、球度、线轮廓度、面轮廓度和其它形状数值类型；
所述位置误差包括零件特征之间的平行度、垂直度、倾斜度、同心度、同轴度、位置度、跳动值、对称度和其它位置数值类型；
所述表面结构是对零件加工表面的光滑程度的度量。
更优地，检测信息的提取步骤如下：
获取零件的工作部件workpart和pmi信息集合，遍历pmi信息，依次判别其信息是否为特征控制帧fcf、基准类型datum、表面结构类型surfacefinish、尺寸类型dimension，根据判别结果进行处理，获取当前pmi信息中的几何信息，完成检测信息的提取。
更优地，基于零件特征面检测点的选择规则为：
首先，零件的几何特征面的构成不完整时，对检测点是否在零件表面进行判断，过滤掉位于零件孔洞、槽中的点；
其次，零件的特征面需要测量半径尺寸，则至少需要选择三个检测点；若零件需要测量平面度，则至少需要选择四个检测点；当同一个特征面被多个公差特征所共有时，需按照最多取点数进行标准采样。
更优地，所述检测点采样规则库根据检测特征的类型、几何元素及精度信息，自动对检测点数量及分布进行规划；
检测点进行过滤选择，过滤掉模型表面边缘的点、过滤掉落入孔或槽表面上的点，从而获得所需的检测点。
更优地，所述无碰撞检测路径规划具体为：
高层检测工艺规划：由cad模型的几何形状确定零件的检测位姿序列，然后根据检测位姿序列、探针的几何参数模型、探针的方向和检测点的分布，进行可测性和可达性测试，最终得到零件的摆放位姿、探针类型和方向以及可检测特征的集合；
低层检测路径规划：采用优化算法，给出满足组内、组间检测最佳的路径规划方案；
检测过程的仿真及规避处理：利用碰撞检测算法，对检测方案进行路径仿真，若路径发生碰撞，则进行规避处理。
更优地，高层检测过程所需要的时间公式为：
其中，tip为检测路径上探针运行所花费的时间，
更优地，低层检测路径规划分为检测特征面内的路径规划和检测特征面间的路径规划；
特征面内的路径规划：根据特征面的特点，分别进行处理，若特征面为平面时，规划问题归为tsp问题进行求解；若特征面为圆柱、圆锥和圆球面时，按照环的顺序进行检测；
特征面间的路径规划：采用遗传算法进行求解。
更优地，规避处理包括面平移避障和圆外避障；
面平移避障：检测点a、b不在同一检测面上，将a所在检测面向a点处法向量方向平移一段回退距离，形成安全面，在b处沿a点法向量向上与安全面相交于点c，点c设为避障点，根据空间关系，避障路径长度为：
由计算得，点c位于de中点时l最短；
圆外避障：检测点a、b在同一检测面上，回退点a′与b′之间的路径与检测面存在干涉，在a、b的中点处取一个辅助点c，获取其回退点c′作为安全点，若干涉存在则重复操作进行迭代直至检测过程中无干涉现象。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
本发明提出的一种面向cmm的零件质量检测程序自动生成方法，通过对检测程序生成效率低的瓶颈问题进行分析，从三个方面进行了突破。
(1)自动构建检测特征：从采用mbd技术构建的cad模型中提取pmi以及关联的几何信息，自动构建检测特征，免去检测人员对照图纸的人工构建，减少出错率及漏项问题，提高检测效率；
(2)自动生成无碰撞的检测路径：首先由检测特征，自动进行采样点的数量及分布规划；然后在零件的摆放位姿、探针传感器的信息类型选择、探针方向选择等约束条件下，自动进行检测项的可达、可测性分析；最后通过智能的路径规划、碰撞仿真验证，自动生成无碰撞的检测路径。该过程可降低检测人员的专业技能要求，减少零件摆放的盲目性，提高检测过程的安全性和效率；
(3)dmis程序生成的转换接口：根据dmis规范要求，将检测路径规划结果，通过转换接口自动生成面向cmm的零件制造质量检测和检测评价程序，以提高检测程序的生成效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的检测程序生成流程示意图；
图2为本发明实施例提供的检测信息的类型构成图；
图3为本发明实施例提供的检测信息提取流程图；
图4为本发明实施例提供的高层检测工艺规划工作流程图；
图5为本发明实施例提供的仿真及干涉检查图；
图6为本发明实施例提供的面平移避障图；
图7为本发明实施例提供的圆外避障图；
图8为本发明实施例提供的标有pmi的零件cad模型图；
图9为本发明实施例提供的模型检测项重构图；
图10为本发明实施例提供的模型检测位姿及可测检测特征集合图；
图11为本发明实施例提供的检测路径图；
图12为本发明实施例提供的检测过程仿真及规避图；
图13为本发明实施例提供的dmis检测程序的生成图；
图14为本发明实施例提供的平面采样规划图；
图15为本发明实施例提供的圆柱面采样规划图。
具体实施方式
下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明用于解决面向cmm的零件(特别是首件)制造质量检测程序生成效率低的问题。利用mbd技术构建的cad模型和cmm的探针cad模型相结合，实现面向cmm的零件质量检测程序的自动生成，解决检测程序编程效率低的问题。应用本方法，①可以让检测人员从烦冗的手工提取检测项中解脱出来，根据零件的cad模型，自动构建检测项，减少出错率，提高检测效率；②给定零件在cmm工作台摆放位姿及探针模型信息的条件下，自动规划出检测特征序列及检测路径，降低检测人员的业务水平，提高检测效率和检测精度，降低装备研发成本；③根据检测路径的规划结果，自动生成dmis检测程序，减少人为的干预，提高检测程序的开发效率。
mbd技术的应用，使三维cad模型承载着丰富的知识。在设计阶段，设计人员将自己的设计意图，通过商品化cad软件的pmi模块将信息标注在cad模型上。在检测阶段，可通过对标注的pmi及关联几何信息进行提取，以实现零件在设计、检测阶段信息的重用。
参照图1-13，本发明提供了一种面向cmm的零件质量检测程序自动生成方法，包括以下步骤：
检测特征识别与重构：建立标有pmi信息的三维零件cad模型，进行零件几何信息的识别和提取，重构模型的检测特征；
检测点的分布规划：根据检测特征集合内的检测特征类型构建检测点采样规则库，并进行检测点的选择；
高层检测方案确定：将零件在cmm工作台上的摆放姿态、探针类型和探针的方位角度，得到给定三元组——位姿、探针、方向配置约束条件下的检测特征集合，规划确定出高层检测方案；
低层检测路径规划：对高层检测方案中确定检测特征中的每个检测面上的检测点进行路径规划，得到最短的检测路径集，同时对不同检测面的检测顺序进行优化组合得到最优路径；
仿真及规避处理：对得到的最优路径进行路径仿真及规避处理；判断经过该判断仿真及规避处理的路径是否满足检测标准，若未满足则重新进行低层检测路径规划，若满足则将检测规划结果输入前置处理器进行前处理，生成检测方法。
其中，所述pmi信息包括尺寸误差、形状误差、位置误差、表面结构和基准；
所述尺寸误差包括零件特征之间的长度、宽度、高度、夹角、直径、半径和其它尺寸数值类型；
所述形状误差包括零件特征之间的直线度、平面度、圆度、圆柱度、圆锥度、球度、线轮廓度、面轮廓度和其它形状数值类型，形状误差评定的是几何特征实际形状与理想形状之间的误差，与被评定特征的大小和位置无关，因是与特征自身的理论形状做比较，因此不需要基准特征，它的评定方法有最小条件、最小二乘法等，通过对形状误差的控制，可保证加工零件的几何形状变形及误差在实际应用中工作正常和可靠；
所述位置误差包括零件特征之间的平行度、垂直度、倾斜度、同心度、同轴度、位置度、跳动值、对称度和其它位置数值类型，位置误差评定的是零件几何形状的实际位置和理论位置的加工偏差，需要基准特征，影响相互配合的零件之间的装配精度；
所述表面结构是对零件加工表面的光滑程度的度量，基准是误差评定的参照，是一种理想状态。检测信息的类型如图2所示。
实施例1
获取零件的工作部件workpart和pmi信息集合，遍历pmi信息，依次判别其信息是否为特征控制帧fcf、基准类型datum、表面结构类型surfacefinish、尺寸类型dimension，根据判别结果进行处理，获取当前pmi信息中的几何信息，完成检测信息的提取。
检测信息的提取流程为：
s101：获取workpart，进而获取pmi集合；
s102：取出集合中的一个pmi，判断是否为特征控制帧fcf，判断结果若是特征控制帧fcf，则获取数值、上下偏差和类型，进而获取几何信息完成提取，若不是，则进一步判断是否为基准类型datum；判断结果若是基准类型datum，则获取注释信息和几何信息，进而获取几何信息完成提取，若不是则进一步判断是否为表面结构类型surfacefinish；判断结果若是表面结构类型surfacefinish，则获取类型和数值，进而获取几何信息完成提取，若不是，则进一步判断是否为尺寸类型dimension；判断结果若是尺寸类型dimension，则获取数值和上下偏值，进而获取几何信息完成提取，若不是，则按其他类型处理，完成提取。
检测信息提取的基本流程如图3所示。首先获取工作部件，进而获取pmi集合；然后遍历集合中的pmi，系统中对fcf(featurecontrolframe，特征控制帧，主要指形位公差类型)、datum(基准类型)、surfacefinish(表面结构类型)、dimension(尺寸类型)进行了判断和处理，提取出注释的语义及关联的几何信息，重构模型的检测特征。
实施例2
通过大量试验及检测经验的总结，预先构建检测点采样规则库，所述检测点采样规则库根据检测特征的类型(如平面度、圆度)、几何元素(如平面、圆柱、圆锥)及精度信息，自动对检测点数量及分布进行规划；
再对检测点进行过滤选择，过滤掉距模型表面边缘过近的点、过滤掉落入孔或槽表面上的点，从而获得所需的检测点。
cmm在工件表面的点采样是基于零件特征面的。零件的几何特征面通常由平面、圆柱面、圆锥面、圆球面、自由曲面以及这些面的不完全形体构成。通过对大量实例及试验的经验总结，表1列举了常见的平面和圆柱面的检测点规划方案，圆锥面和圆球面的采样规则，与圆柱面类似。
基于零件特征面检测点的选择规则为：
首先，零件的几何特征面的构成不完整时，对检测点是否在零件表面进行判断，过滤掉位于零件孔洞、槽中的点；
其次，零件的特征面需要测量半径尺寸，则至少需要选择三个检测点；若零件需要测量平面度，则至少需要选择四个检测点；当同一个特征面被多个公差特征所共有时，需按照最多取点数进行标准采样。
所述检测点采样规则库根据检测特征的类型、几何元素及精度信息，自动对检测点数量及分布进行规划；
检测点进行过滤选择，过滤掉模型表面边缘的点、过滤掉落入孔或槽表面上的点，从而获得所需的检测点。
表1部分特征面的采样规划
无碰撞检测路径的规划是零件质量检测程序生成的前提。本申请中由三个子过程构成：高层检测工艺规划，底层检测路径规划和检测过程的仿真及干涉规避处理。无碰撞检测路径规划具体为：
一、高层检测工艺规划：由cad模型的几何形状确定零件的检测位姿序列，然后根据检测位姿序列、探针的几何参数模型、探针的方向和检测点的分布，进行可测性和可达性测试，最终得到零件的摆放位姿、探针类型和方向以及可检测特征的集合，此过程的目标是确定零件在cmm工作台上如何摆放、选择哪种探针类型、探针采用哪种方位角度、哪些检测特征在该状态可测的检测分组信息，工作流程如图4所示；
图4中所示该过程由上下两个区域构成，分别用序号①、②标识。序号②标识区域为上文检测特征识别与重构、检测点规划描述部分。序号①标识区域是由零件、位姿、探针、探针方位等构成的检测配置树结构。在检测过程中所需要的时间公式为：
其中，tip为检测路径上探针运行所花费的时间，
位姿、探针及探针方位等都是可枚举的量，通过对该检测配置树结构进行深度优先遍历，可获得配置的三元组项集合。三元组格式如{位姿1，探针1,方位角(0°,0°)}所示，其含义为在位姿1的状态下，采用探针1方位角(0°,0°)对特征面的检测点进行检测。采用碰撞干涉算法，最终得到在各个位姿状态下无碰撞的可检测特征的分组信息。
二、低层检测路径规划：通过优化算法，给出满足组内、组间检测最佳的路径规划方案；经高层检测工艺规划处理后，得到给定三元组{位姿,探针,方向}配置约束条件下的检测特征集合。低层检测路径规划的目标是对检测特征每个检测面上的检测点进行路径规划，得到最短的检测路径，以提高检测效率；同时对不同检测面的检测顺序进行优化组合以达到路径最优。
低层检测路径规划可分为检测特征面内的路径规划和检测特征面间的路径规划。特征面内的路径规划，可根据特征面的特点，分别进行处理。如特征面为平面时，规划问题可归为tsp问题，有很多相应算法求解；特征面为圆柱、圆锥和圆球面时，按照环的顺序进行检测。特征面间的路径规划，可采用多种优化算法进行求解，本申请采用遗传算法进行求解。
三、检测过程的仿真及规避处理：利用碰撞检测算法，对检测方案进行路径仿真，若路径发生碰撞，则进行规避处理。通过模拟仿真，可以预先检测到探针与零件的干涉情况。通过插入多个节点，将检测点之间的路径细分，仿真及干涉检查流程图如图5所示。在探针经过节点时检测与零件模型是否干涉，若存在，则实行避障操作。
1)面平移避障：如图6所示，检测点a，b不在同一检测面上，将a所在检测面向a点处法向量方向平移一段回退距离，形成安全面，在b处沿a点法向量向上与安全面相交于点c为避障点，根据空间关系，避障路径长度为：
由计算得，点c位于de中点时l最短。
2)圆外避障：如图7所示,检测点a、b在同一检测面上，回退点a′与b′之间的路径与检测面存在干涉，采用在面上a、b的中点处取一个辅助点c，获取其回退点c′作为安全点，若干涉存在则重复操作进行迭代直至检测过程中无干涉现象。
实施例3
dmis(dimensionalmeasuringinterfacespecification,尺寸测量接口规范)定义了一套计算机系统和测量设备之间的双向交互标准，即提供一种数据格式，实现不同检测设备之间检测程序和测量结果的传递。目前cmm软件系统中都提供了dmis接口，采用后置处理或命令解释的方式，为操作者提供一个可以执行dmis命令或文件的环境。dmis前置处理器就是负责将检测规划的结果转换为dmis文件，来供测量机软件的使用。
dmis文件中的程序结构主要由以下几部分组成：测量机参数的定义、测头的定义、坐标系的定义、检测特征的定义、测量过程及测量结果输出的定义。为了转换方便，采用面向对象技术，分别对dmis文件结构中的各组成部分进行设计转换，最后将转换后的各个程序段进行合并，连接成一个完整文件。
本申请实现的技术效果有：
(1)检测项信息的提取与重构
利用mbd技术构建的某零件cad模型如图8所示。在该模型中，设计者所关注的检测项(包括尺寸、形状和位置公差和表面结构)共计12项，图9为采用本文方法构建的模型检测项，包括2个基准信息，共计14项。本文方法要求检测项关联的几何元素是几何面特征，但设计者在进行尺寸及形位公差等标注的时候可能选择的是模型的某些点、线作为尺寸和形位公差标注的起点或终点，因此在检测项重构的过程中要通过开发智能算法，将关联的点、线等几何元素根据标注平面、标注线方向等信息转化到关联的几何面上，以便于后续工作的进行；同样，表面结构等检测项，也要进行关联几何面的检查。
检测项的提取与重构过程，若采用检测人员的人工方式进行，特别是当检测项数目较多的时候，是一件十分繁冗的工作，很容易出现错误和检测项遗漏，而采用本申请的方法，提高了产品的检测效率，缩短了研发周期。
(2)无碰撞的检测路径规划
通过给定零件在检测时的摆放位姿、探针及测量角度情况下，本申请可自动给出该位姿下的可检测特征、检测路径及仿真规避结果，给出无碰撞的检测路径，分别如图10、图11、图12所示。
(3)dmis检测程序的生成
检测规划结果生成之后，通过开发专用的转换程序，自动生成符合dmis标准的检测程序，供cmm检测之用，结果如图13所示。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
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