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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, 外层的操作和功能经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; 路径规划主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。整套系统基于三维CAD平台Open CASCADE进行了实现, 相关实例表明该系统能很好地完成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　　文献标识码: A　　国家标准学科分类代码: 520.60
Development of CAD-based inspection planning system for CMM
Zhao Han1, Liu Daxin1, Dong Yude1, Wang Wanlong2
(1. School of Mechanical & Automotive Engineering, 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 machines (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 technologies, 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 construction-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 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: -12　　Received Date: -12
*基金项目: 科技部科技型中小企业技术创新基金(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要求, 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, 其目标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。当前研究仍处于发展阶段, 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, 可是引进成本都较高。基于此, 研究并自主开发了一套自动化和智能化程度较高的基于三维CAD平台Open CASCADE的通用三坐标测量机检测规划系统。此CAIP系统经过实现与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路径, 并对路径进行碰撞检查和规避, 在确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经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 machines
1)界面层: 界面层的主要作用是向用户提供一个与系统交互的平台, 包括CAD界面和Windows标准界面。经过界面层, 系统将信息展示提供给用户, 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: 功能层主要对应CAIP系统的各个功能模块, 如CAD显示及操作、 CAD文件导入导出、 测量规划、 公差评估、 特征构造、 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、 特征拾取、 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。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, 经过CAD服务、 数据存储和数据载入服务实现CAD文件的导入导出功能等等。功能与服务之间的对应支撑关系如图1中各条由功能至服务的箭头连接线所示。
4)数据层: 数据层中主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。
2.2　CAD系统与CAIP系统的对应支持关系
CAIP系统的构建基于法国Matra Datavision公司的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示与操作、 三维显示与操作、 多种数据格式转换等诸多功能。系统经过对Open CASCADE运行库进行包装, 基于它原有的功能提供CAIP系统所需要的功能和服务, 两者之间的对应支持关系如图2所示。CAD系统主要对应支持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几何操作与表示则用来提供相应的CAD服务, 其中前者主要对应支持CAD数据载入和存储, 后者主要对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示更新。

图2　Open CASCADE与CAIP系统的对应支持关系
Fig.2 Relationship between Open CASCADE and the
CAIP system
在整个CAIP系统中, 作为基础服务的CAD服务主要包括模型导入导出、 信息提取及计算处理、 几何设计造型三大部分。能够看出, 其一般不是独立的, 而是交叉在其它相关服务中, 利用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
3.1　CAD/CMM集成
从Open CASCADE与CAIP系统之间的对应支持关系能够看出, CAD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, 而集成需要解决的主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(特征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。首先根据基本特征的测量任务, CAD系统相应开启边选或面选模式, 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、 尺寸等参数, 并由此判断出选取元素是否符合特征类型要求(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, 因其可能在形状上也是符合类型要求的。此时先对选取的边或面在其参数范围内均分离散处理得到一系列点, 然后再用这些点进行相应基本类型的元素最佳拟合, 如果拟合成功且精度满足要求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步骤如下:
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Surf
if Surf是平面类型 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要求, 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 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要求 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, 主要在于测量采样点分布的确定[14]及检测路径的规划[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, 主要考虑以下四个方面: 1)分布尽量均匀, 各采样点间距尽可能相近; 2)采样点尽可能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。
系统采用自适应再分采样法确定点的分布, 其以规则均匀分布(等参数/等步长)为基础, 经过对采样的参数表面几何信息进行分析, 采取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置的安全距离dsafe确定采样原始起点(u00, v00), 再由边长均分确定步长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可能存在障碍、 孔洞等不连续
区域, 第一次规划可能得不到需要的点数, 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等分缩短为原来的一半以用于再分出更多的采样点: du = du/2; dv = dv/2;
Step6. if iter > 1, 对原始起点u00、 v00增加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超出参数范围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, 满足要求3;
if 点存在于表面上 then
继续检查采样方向上距离(U、 V)点±0.5dsafe处的点是否存在以避免采样点太靠近各种边界, 满足要求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。由此便可确定采样原始起点(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中较大者对应的方向进行一维步长再分和迭代起始点设置, 另一个方向的设置保持不变。这样做也是为了满足均匀性要求1, 使得采样点之间行列间距不至于相差太大。在确定u、 v方向的迭代起始点和步长后, 便能够行为主方向(u或v方向)逐行进行du、 dv循环增加获取采样点。
3.2.2　路径规划
检测路径规划作为增加CMM工作效率的重要一环, 其目标就是要生成一个最优的无碰撞检测路径以使测量在最短的时间内完成, 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, 系统采用简单的按行列依次排序的方式规划采样点检测顺序形成初始路径。如图5, 路径根据行之间的连接点不同可能呈S形或Z形。

图5　采样点检测顺序规划
Fig.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, 系统经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: 先经过工件的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确定存在碰撞。相关的实验验证, 经过这样处理后碰撞检查的效率得到了大大提高。

图6　测头建模与运动中的碰撞检查
Fig.6 Probe modeling and collision detection
算法3　碰撞检查算法Check_Collision ()
Step1. 依次分别构造测针球、 测杆、 测座杆和测座及Z轴的运动扫描体表面PathShapei, i = 1, 2, 3, 4;
Step2. i = 1;
Step3. 构造PathShapei的AABB: PathBox;
Step4. if PathBox与PartBox不重叠, 则无碰撞, 转Step8; (其中PartBox为整个工件模型PartShape的AABB)
Step5. 遍历PartShape的面: 如果存在, 对当前遍历面Facej构造其AABB: FaceBox, 否则转Step8;
Step6. if PathBox与FaceBox不重叠, 转Step5, 否则对PathShapei与Facej两表面之间求交线SecShape:
SecShape = BRepAlgoAPI_Section (PathShapei, Facej);
Step7. if SecShape中存在一条边, 则路径存在碰撞, 算法结束, 否则转Step5;
Step8. i = i+1, if i<5, 转Step3, 否则路径无碰撞, 结束。
对于碰撞的路径段, 系统基于测头方向采用启发式规则进行避障移动规划, 结合设计的一个扩展包围盒进行避障点设定以得到无碰撞的路径。规则如下:
规则1: 避障点中任何规划的两点若能直接相连而无碰撞, 则不考虑已规划的中间插入点;
规则2: 以测头反方向为避障移动主方向, 辅之以+Z轴方向;
规则3: 避障移动以扩展包围盒边界为限, 使测头运动至自由空间又不至于移动路径过长;
规则4: 避障规划优先考虑与原碰撞路径差别最大的移动路径;
如图7所示, 扩展包围盒由零件的轴向包围盒沿三个轴往外扩大一个适当尺寸而获得, CMM按规则沿测头反方向避障的同时以扩展包围盒作为避障移动界限。间隙的存在主要是出于安全的考虑, 同时适当的间隙也能够使避障点减少, 计算复杂度降低, 如图7中扩展包围盒上的两个避障点1和2之间无需再插入避障点。

图7　以测头反方向进行避障移动规划
Fig.7 Obstacle-avoiding movement planning in negative direction according to the probe orientation
由于采用启发式规则设定避障点, 不能保证得到的路径一定是无碰撞的, 因此在整个避障过程中对于得到的各条避障路径都要进行碰撞检查; 在存在碰撞时继续采用启发式规则对其进行避障移动规划直至各点之间无碰撞存在或失败。因此无碰撞路径就是在这种规避与检查的重复进行中生成的。
3.3　自动编程
DMIS提供了一种计算机系统和测量设备之间进行数据交换的格式[16]。如图8所示为系统中DMIS编程的实现, 针对不同的功能实现, 系统按照DMIS格式设定了相应的关键词和变量以及语句字符串的输出格式, 用户只需在相应的界面上执行相关操作和数据输入而无需了解DMIS语句如何编写, 系统将自动根据得到的各种规划信息构造成不同的DMIS语句。

图8　基于DMIS的自动编程及系统信息流
Fig.8 DMIS-based automatic programming and information flow
例如对于测量功能中3点测平面时的名义特征定义和测量编程实现, 系统经过提取CAD模型上相关平面的名义几何信息并进行检测规划之后, 将得到的平面定位点和法向转换为零件坐标系下的点(xp, yp, zp)和法向(ip, jp, kp), 并将3个测量点按路径顺序依次转换到零件坐标系下, 得到点(x1, y1, z1)、 (x2, y2, z2)、 (x3, y3, z3)及其相应的法向(i1, j1, k1)、 (i2, j2, k2)、 (i3, j3, k3), 再结合平面的标签名(如PLA_1)和测量点数3, 按照DMIS的格式依次进行信息填充便得到了平面的名义定义语句和测量程序子单元:
DMIS格式:
F(label)=FEAT/PLANE,CART,x,y,z,i,j,k
MEAS/PLANE,F(label),n
PTMEAS/CART,x,y,z,i,j,k
…
ENDMES
根据规划信息依次填充后得到DMIS程序段:
　　F(PLA_1)=FEAT/PLANE,CART, xp,yp,zp,ip,jp,kp
　　MEAS/PLANE,F(PLA_1),3
　　PTMEAS/CART, x1,y1,z1,i1,j1,k1
　　PTMEAS/CART, x2,y2,z2,i2,j2,k2
　　PTMEAS/CART, x3,y3,z3,i3,j3,k3
　　ENDMES
对于DMIS语句的合法性检查和解释执行, 系统采用人工智能语言Lisp──链表处理语言建立DMIS语句的编译系统来实现。语法检查在检查语法的同时也实现信息完整性的检查, 经过程序编辑能够对语句、 信息进行修改, 最后程序运行经过从DMIS语句中提取相关信息调用相应服务完成想要实现的功能。系统整个测量规划过程能够经过相关的DMIS程序记录并经过运行而重复再现, DMIS程序包含了几乎全部规划过程的信息, 是整个系统规划信息的载体。
4　系统实现
4.1　系统工作流程
CAIP系统进行自动检测的工作流程如图9所示。系统在进行相关初始化和测头系统建立及标定后, 基于导入的工件CAD模型提供的信息, 经过工件找正在建立用户坐标系(user coordinate system, UCS), 即零件坐标系的同时确定模型的世界坐标系(world coordinate system, WCS)相对机器坐标系(machine coordinate system, MCS)的位置关系, 这样工件及其CAD模型相对MCS的位置就匹配了。有了这个基础, 规划的结果才能用于指导CMM在对应真实工件上按照模型上规划的测量点进行检测。整个测量规划, 以CAD服务从CAD模型自动获取的检测信息为依据, 经过规划服务实现, 再经过程序生成服务得到DMIS程序。如果程序语法有问题, 则启动程序编辑服务进行修改; 在语法检查确定合理后程序运行服务开启, 相关程序经过驱动服务和数据采集服务完成CMM的自动检测任务。测量数据经过计算服务分析处理得到检测结果。相关的数据、 结果和程序最后能够经过数据存储服务进行输出。

图9　三坐标测量机检测规划系统工作流程图
Fig.9 Work flow of the CAIP system for CMM
4.2　系统实例
基于以上方案并结合相应的软件编程技术, 采用Visual C++开发了基于Open CASCADE的三坐标测量机检测规划系统MWorks-DMIS, 系统界面如图10所示。下面结合实例简要说明系统的相关步骤实现。

图10　CAIP系统MWorks-DMIS的实现界面
Fig.10 Display interface of the CAIP system MWorks-DMIS
1)测头系统建立与标定: 如图11所示分别为设置测头系统和定义测针的对话框界面, 两者的3D视图窗口分别实时显示测头当前的配置组件和测针A、 B角的设置情况。系统自动从测头组件库中过滤出能与当前测头装配的各组件名称及其相关参数; 可视化修改测头系统的组件装配、 设置测针方向; 不同方向的测针经过标签和参数识别, 系统自动标定各测针。

图11　测头系统的功能实现界面
Fig.11 Realization interface of the probe system function
2)工件找正: 系统针对具有规则参考特征的工件找正提供了两种方式。第一种为宏坐标系方式, 系统提供找正宏程序指导用户操作, 最常见的是三个正交平面的宏坐标系。另一种方式是由用户自己决定用于找正的特征和找正的方式, 此时测量的特征类型和顺序不受限制, 可是要求用户必须思考好整个找正过程的操作。如图12所示为采用第二种方式进行工件找正的操作界面和结果, 经过测量一些元素, 最终由其确定了MCS、 WCS和UCS之间的关系。

图12　工件找正确定各坐标系之间的关系
Fig.12 Setup of coordinate systems with workpiece alignment
3)检测规划及DMIS程序: 经过用户选取待测的特征, 系统经过CAD服务自动从CAD模型提取与检测相关的特征几何信息, 并在此基础上利用规划服务自动规划出相应特征测量的采样点分布及无碰撞的检测路径, 最后程序生成服务根据规划信息自动生成DMIS语句。图13为测量平面时4个点的规划结果及相应生成的DMIS程序, 测量点均匀分布在表面上且避开非连续区域, 生成的检测路径顺序连接各测量点且能很好地避开可能存在的碰撞。
系统的CAD界面直观显示规划的结果, 并可实现离线整机仿真模拟测量过程和在线实时显示实际测量过程。系统的零件程序区窗口则用来显示DMIS程序, 同时提供对语句的人机交互编辑和修改。

图13　系统检测规划结果及程序界面
Fig.13 Result of inspection planning and the program window
5　结　　论
本文对基于Open CASCADE的三坐标测量机检测规划系统的开发从结构设计、 关键技术到系统实现进行了详细的讨论。三维CAD平台的引入大大支持了系统主要功能的实现, 是整个系统自动化和智能化的基础, 操作过程也更直观、 方便, 整个规划过程具有动态可视化效果, 能实现检测过程的仿真模拟。同时系统支持业界标准DMIS, 整个检测规划自动生成DMIS程序并可重复运行和输出, 也能够导入运行其它测量软件生成的DMIS程序, 兼容性和通用性非常好。实际应用表明, 本文开发的这套系统能高效率、 自动化、 智能化地完成常见零件的自动检测工作。
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