CN101702087A - 基于cad模型修正与测量路径规划的反求方法 - Google Patents

基于cad模型修正与测量路径规划的反求方法 Download PDF

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岳彦芳
常宏杰
杨光
刘利剑
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Abstract

本发明涉及一种基于CAD模型修正与测量路径规划的反求方法，用于机械零件的设计加工，属于机械逆向工程技术领域。技术方案是①在UG NX4.0软件中建立工件的大致初始模型；②选取关键几何要素，规划测量路径；③根据路径文件生成测量主程序；④执行测量主程序，测量被测要素；⑤重构被测要素；⑥修正初始模型；⑦依据最终CAD模型，生成数控代码，传递给数控加工设备，实现零件加工，完成反求过程。本发明采用模型修正的思路，充分发挥人的主观能动性，仅对精度要求较高的关键几何要素进行测量与重构，极大地简化了测量过程和重构算法。同时，基于UG NX4.0模型空间的路径规划和测量程序的自动生成，保证了测量的安全性、快速性和精确性。

Description

基于CAD模型修正与测量路径规划的反求方法
技术领域：
本发明涉及一种基于CAD模型修正与测量路径规划的反求方法，用于机械零件的设计加工，属于机械逆向工程技术领域。
背景技术：
反求工程，也称为逆向工程，是指设计人员根据已有的零件原型，采用某种测量设备对其进行数字化处理，再根据测量数据反求得到其CAD模型，生成数控代码，加工出新零件的过程。实施反求工程需要高精度的测量设备和专业反求软件，前者广泛采用三坐标测量机，后者多为通用商业软件。上述设备和软件大多价格昂贵，许多中小企业无力或无意购买。随着加工中心的大量使用，在加工中心主轴上装上三维导电测头，辅以相应测量与反求软件构成在机测量反求系统，也可以实现反求工程。但在该系统中，如果按照常规思路对工件所有组成要素进行测量，必然需要大量的测点数据，这将使测量过程变得非常漫长，数据信息处理量非常庞大，而且还会有复杂曲面难以拟合的问题。因此，简单易行的反求方法对于基于在机测量装置的反求系统在中小企业中推广应用非常重要，是当前急需解决的问题之一。
发明内容：
本发明目的是提供一种基于CAD模型修正与测量路径规划的反求方法，简单易行，快速精确，便于推广，解决背景技术存在的上述问题。
本发明目的是通过下面的技术方案实现的：
一种基于CAD模型修正与测量路径规划的反求方法，包含如下步骤：①在UG NX4.0软件中建立工件的大致初始模型；②选取关键几何要素，规划测量路径；③根据路径文件生成测量主程序；④执行测量主程序，测量被测要素；⑤重构被测要素；⑥修正初始模型；⑦依据最终CAD模型，生成数控代码，传递给数控加工设备，实现零件加工，完成反求过程。
本发明更具体的方法步骤如下：
(1)在UG NX4.0软件中建立工件的大致初始模型
利用普通测量工具(如卡尺、高度尺等)对工件进行简单测量，利用测得的数据在UG NX4.0软件的模型空间中建立工件的大致初始模型；
(2)选取关键几何要素，规划测量路径
分析工件技术特点和精度要求，选取需要精确测量的关键几何要素(如：平面、圆柱面、圆孔面等)，规划测量路径；在UG模型空间中，测量路径由操作者在工件表面或周围添加一系列断续的路径点来描述；将规划完后的路径点信息保存为纯文本的路径文件；
(3)根据路径文件生成测量主程序
在要素测量与重构软件中读入上述路径文件，根据该文件中的路径信息生成测量主程序，检查确认后将该测量主程序通过串口数据线传送到加工中心；
(4)执行测量主程序，测量被测要素
在加工中心上执行该测量主程序，按照规划好的测量路线依次对路径点中的测量点进行测量，测量过程中根据测量点所属的几何要素调用相应的要素测量宏程序；测得的数据经串口数据线传送到装有要素测量与反求软件的计算机中，并写入数据库；
(5)重构被测要素
要素测量与重构软件读取数据库中的测量点数据，根据测量点所属的要素类型调用相应的要素重构程序，计算求得该要素的模型参数，并以IGES接口文件的形式保存；
(6)修正初始模型
在UG NX4.0的工件初始模型空间中读入上述IGES接口文件，获得被测要素的几何模型；将测得的要素几何模型与原有的工件初始模型手工运算，修正初始模型，并可根据需要进行改进设计，得到该工件的最终的CAD精确模型；
(7)依据最终CAD模型，生成数控代码，传递给数控加工设备，实现零件加工，完成反求过程。
本发明所述的路径点，其特别之处是：
(一)点与点之间有先后顺序，先生成点顺序在前，后生成的点顺序在后，测头按照点生成的先后顺序依次测量；
(二)为保证测量的快速性、精确性和安全性，将路径点分为三种：测量点、过渡点和基准点；测量点是测头必须每次都要实际测量的点，测量点一定都位于被测要素表面上；过渡点只是为了使测头安全移动而添加的路径信息点，测头在过渡点处不测量，只过渡一下，过渡点可以位于实体的某个表面上，也可以不在实体上；基准点是为了使加工中心所用的工作坐标系与UG NX4.0模型空间中的工作坐标系相协调而设定的，用于坐标换算；
(三)为相互区分，每个路径点都有不同的属性，包括顺序号(ID号)、坐标值、所在图层、颜色等信息；依据“所在图层”属性区分其属于哪个被测几何要素及要素类型。例如规定：1-20层为平面层；21-40层为圆柱层；41-60层为圆孔层，其它要素所属图层向后类推，100层上的点为基准点。过渡点和测量点之间依据“颜色”属性来区分。规定：测量点为蓝色，颜色代号212，过渡点为红色，颜色代号191。
本发明的积极效果是：
对于大部分的机械类零件来说，并不是所有几何要素都需要精确测量和反求，本发明采用模型修正的思路，充分发挥人的主观能动性，仅对精度要求较高的关键几何要素进行测量与重构，极大地简化了测量过程和重构算法。同时，基于UG NX4.0模型空间的路径规划和测量程序的自动生成，保证了测量的安全性、快速性和精确性。本发明适用于基于在机测量的反求系统，能用于对常规机械类零件的反求，为基于在机测量的反求系统的实用化提供了一种新思路。
附图说明
附图1本发明流程图；
附图2本发明设备系统构成图；
附图3本发明实施例需要加工的工件初始模型及被测要素；
附图4本发明实施例中路径规划后的工件模型及路径点；
附图5本发明实施例中路径点的属性信息；
附图6本发明实施例中测量程序生成界面；
附图7本发明实施例中IGES接口文件；
附图8本发明实施例中导入IGES文件后的工件模型及被测要素模型；
附图9本发明实施例中修正后的工件精确模型。
图中：1-被测平面一，2-被测圆孔一，3-被测平面二，4-被测圆孔二，5-过渡点，6-测量点，7-基准点，8-重构平面一，9-重构圆孔一，10-重构平面二，11-重构圆孔
具体实施方式：
以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
参照附图1，基于CAD模型修正与测量路径规划的反求方法，包含如下步骤：
(1)利用普通测量工具(如卡尺、高度尺等)对工件进行简单测量，利用测得的数据在UG NX4.0软件的模型空间中建立工件的大致初始模型；
(2)分析工件技术特点和精度要求，选取需要精确测量的关键几何要素(如：平面、圆柱面、圆孔面等)，规划测量路径；在UG模型空间中，测量路径由操作者在工件表面或周围添加一系列断续的路径点来描述；将规划完后的路径点信息保存为纯文本的路径文件；
(3)在要素测量与重构软件中读入上述路径文件，根据该文件中的路径信息生成测量主程序，检查确认后将该测量主程序通过串口数据线传送到加工中心；
(4)在加工中心上执行该测量主程序，按照规划好的测量路线依次对路径点中的测量点进行测量，测量过程中根据测量点所属的几何要素调用相应的要素测量宏程序；测得的数据经串口数据线传送到装有要素测量与反求软件的计算机中，并写入数据库；
(5)要素测量与重构软件读取数据库中的测量点数据，根据测量点所属的要素类型调用相应的要素重构程序，计算求得该要素的模型参数，并以IGES接口文件的形式保存；
(6)在UG NX4.0的工件初始模型空间中读入上述IGES接口文件，获得被测要素的几何模型；将测得的要素几何模型与原有的工件初始模型手工运算，修正初始模型，并可根据开发设计的需要，按常规设计进行改进，得到该工件的最终的CAD精确模型；
(7)依据最终CAD模型，生成数控代码，传递给数控加工设备，实现零件加工，完成反求过程。
参见附图2，在实施例中，本发明所用反求系统，包括一台台湾友嘉立式加工中心FV-1000、哈尔滨先锋EP6BL-M40三维导电测头和一台工业计算机。工业计算机中安装有UG NX4.0软件和自行开发的要素测量与重构软件，通过RS232串行接口和加工中心通讯。测头安装在加工中心主轴上，并通过专用接口和加工中心数控系统连接。
运用本发明所述方法对某一工件实施反求过程如下：
第一步，在UG NX4.0软件中建立工件的大致初始模型。
UG NX4.0软件的建模功能非常强大，利用卡尺、高度尺等测量工具，借助软件中拉伸、回转等各种功能建立工件的大致初始模型，参见附图3、8。
第二步，选取关键几何要素，规划测量路径。
参见附图3、8，假设该工件中两个圆孔和两个平面精度要求较高，需实施精确测量反求。根据需反求的平面和圆孔的位置，考虑到测量的安全性和效率，确定测量的顺序为被测平面一→被测圆孔一→被测平面二→被测圆孔二。
参见附图4、8，通过在UG NX4.0模型空间中添加路径点的方式指定测量路径，先添加的点先测，点与点的顺序通过其ID号来区别。其中，蓝色(颜色代号212)的点为测量点，红色(颜色代号191)的点为过渡点。通过UG NX4.0软件中“图层设置”工具将不同被测面上的点归置到不同的图层上。本实施例将被测平面一上的点归置到第3层上，被测平面二上的点归置到第4层上，被测圆孔一上的点归置到第41层上，被测圆孔二上的点归置到第42层上。除过渡点和测量点外，在工件左上顶点添加一个基准点，归置到第100层上。
利用UG NX4.0软件所提供的“信息查看”功能，选取所有路径点，将所有路径点的信息提取出来，包括各点的图层、颜色、坐标值、ID号等。参见附图5。并将该信息另存为扩展名为.txt的路径文本文件，本实施例命名为ceshi(fan)-1.txt。
第三步，根据路径文件生成测量主程序。
在要素测量与重构软件中，读入上述名为ceshi(fan)-1.txt的路径文件，选取测量参数及基准点坐标值(可先行手动测得)，生成测量主程序。参见附图6。主程序中的8080为测量宏程序名(已提前编好，位于加工中心上)。点击附图6中的“发送”按钮将该测量主程序发送到加工中心。
第四步，执行测量程序，测量被测要素。
在加工中心上执行测量主程序，测量主程序按照路径点的顺序依次调用要素测量宏程序8080，宏程序中自动判断路径点的属性，对于过渡点，测头快进到该点后，并不测量而直接移动到下一点。对于测量点，根据其所在不同的图层而调用不同的要素测量宏程序，执行不同的测量动作。测头在与工件表面接触瞬间，向加工中心控制系统发出一个TTL信号，控制系统产生中断，通过G31指令使测量程序产生跳步，跳转到下一段，同时记下接触点的坐标值。所有测量点的实测值通过RS232通讯接口传送回工业计算机上的要素测量与重构软件中，并写入数据库。
第五步，重构被测要素。
所有测量数据传送完毕后，在要素测量与重构软件中根据测点数据所在图层，分别重构各被测要素。对于位于1-20层(平面层)上的点，采用最小二乘法重构平面，对于21-40层(圆孔面层)和41-60层(圆柱面层)上的点，采用最小二乘法重构圆孔面或圆柱面。本实施例中，部分点在第3层和第4层上，分别重构出两个平面；部分点在第41层和第42层上，分别重构出两个圆孔面。为使重构出的被测要素能够被UG NX4.0软件识别，将其按照IGES接口文件格式保存，文件名为ceshi(fan)-1.igs，参见附图7。
第六步，修正初始模型。
在UG NX4.0的工件初始模型空间内，利用其“导入IGES…”工具将ceshi(fan)-1.igs文件导入，获得被测要素模型，参见附图8。其中，两个平面以无界平面形式表示，两个圆孔面的高度不超过各自图层上测量路径点的坐标范围。UG NX4.0软件提供了多种实体、片体运算功能，利用其中的“约束面”或“替换面”等工具将导入后的要素模型与工件初始模型上原有要素运算，修正初始模型，得到工件的精确模型，运算后的结果参见附图9。精确模型与初始模型在直观上无明显变化，但从数据上，无论是平面的方位、圆孔面的直径和轴线位置都得到了修正。
有了工件的CAD模型，就可以方便地生成数控代码，传送到数控加工设备上制造出工件，完成整个反求过程。
本发明的特点是，仅对工件上精度要求高的要素进行测量和重构，并修正其初始模型，从而简化了测量过程和重构算法。在CAD模型空间内规划好测量路径，保证了测量的安全性、快速性和精确性。

Claims (3)

1.一种基于CAD模型修正与测量路径规划的反求方法，其特征在于如下步骤：包含如下步骤：①在UG NX4.0软件中建立工件的大致初始模型；②选取关键几何要素，规划测量路径；③根据路径文件生成测量主程序；④执行测量主程序，测量被测要素；⑤重构被测要素；⑥修正初始模型；⑦依据最终CAD模型，生成数控代码，传递给数控加工设备，实现零件加工，完成反求过程。
2.根据权利要求1所述之基于CAD模型修正与测量路径规划的反求方法，其特征在于更具体的方法步骤如下：
(1)在UG NX4.0软件中建立工件的大致初始模型
利用普通测量工具对工件进行简单测量，利用测得的数据在UG NX4.0软件的模型空间中建立工件的大致初始模型；
(2)选取关键几何要素，规划测量路径
分析工件技术特点和精度要求，选取需要精确测量的关键几何要素，规划测量路径；在UG模型空间中，测量路径由操作者在工件表面或周围添加一系列断续的路径点来描述；将规划完后的路径点信息保存为纯文本的路径文件；
(3)根据路径文件生成测量主程序
在要素测量与重构软件中读入上述路径文件，根据该文件中的路径信息生成测量主程序，检查确认后将该测量主程序通过串口数据线传送到加工中心；
(4)执行测量主程序，测量被测要素
在加工中心上执行该测量主程序，按照规划好的测量路线依次对路径点中的测量点进行测量，测量过程中根据测量点所属的几何要素调用相应的要素测量宏程序；测得的数据经串口数据线传送到装有要素测量与反求软件的计算机中，并写入数据库；
(5)重构被测要素
要素测量与重构软件读取数据库中的测量点数据，根据测量点所属的要素类型调用相应的要素重构程序，计算求得该要素的模型参数，并以IGES接口文件的形式保存；
(6)修正初始模型
在UG NX4.0的工件初始模型空间中读入上述IGES接口文件，获得被测要素的几何模型；将测得的要素几何模型与原有的工件初始模型手工运算，修正初始模型，并根据需要进行改进设计，得到该工件最终的CAD精确模型；
(7)依据最终CAD模型，生成数控代码，传递给数控加工设备，实现零件加工，完成反求过程。
3.根据权利要求2所述之基于CAD模型修正与测量路径规划的反求方法，其特征在于所述的路径点，其特别之处是：
(一)点与点之间有先后顺序，先生成点顺序在前，后生成的点顺序在后，测头按照点生成的先后顺序依次测量；
(二)为保证测量的快速性、精确性和安全性，将路径点分为三种：测量点、过渡点和基准点；测量点是测头必须每次都要实际测量的点，测量点一定都位于被测要素表面上；过渡点只是为了使测头安全移动而添加的路径信息点，测头在过渡点处不测量，只过渡一下，过渡点可以位于实体的某个表面上，也可以不在实体上；基准点：是为了使加工中心所用的工作坐标系与UG NX4.0模型空间中的工作坐标系相协调而设定的，用于坐标换算；
(三)为相互区分，每个路径点都有不同的属性，包括顺序号、坐标值、所在图层、颜色等信息；依据“所在图层”属性区分其属于哪个被测几何要素及要素类型。
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