华中I型数字化仿型系统的开发与应用

mejxw · 发表于 2016-11-13 22:34:59

具有网络功能的华中I型数字化仿型系统的开发与应用

武汉华中数控系统有限公司开发部

摘要简要介绍华中I型数字化仿型系统的开发背景与应用；仿型数控系统加上网络功能的意义与必要性；华中I型仿型系统的曲面测量与造型功能。

关键词数字仿型华中I型仿型系统曲面测量与造型

一、华中I型数字化仿型系统的开发背景与意义

随着航天、航空、造船、汽车和模具工业的发展，越来越多的零件的外形由复杂曲面构成。这类零件的设计／加工／测量以及测量／设计／加工是制造过程中的重点，在整个产品开发、生产过程起着举足轻重的作用。

测量几何造型系统与目前广泛使用的计算机辅助几何造型系统( CAD System )出发点不完全相同，它不是根据已知的理论数据开始，而是直接从实物模型的几何尺寸来进行的。例如在飞机机身设计过程中，设计工作是直接在机身吹风模型上进行的。通过对机身吹风模型的试验，反复对吹风模型修改，直至找到最佳机身模型，然后根据最佳结果，进行测量并建立相应的几何模型。这种在实物模型上直接修改和试验的设计方法（称为模型化设计方法），往往导致原始理论数据失效，最后的设计数据必须从实物模型上测量得到。又如在模具和快速成型制造中，也常常是从测量实物模型开始，建立模具表面的数学模型，进而编制数控加工程序，进行数控加工或快速成型制造。此外，曲面在线自动测量是提高模具、刀具等复杂型面加工精度，实现加工误差的反馈控制和实时补偿的关键技术。由于曲面测量能缩短开发周期，并增加设计灵活性，制造业迫切需要将复杂曲面的测量引人到设计／加工过程中，构成测量／造型／加工集成化系统，实现复杂型面的仿型、变型和示教数控编程与加工，这将为制造业提供先进手段，使产品的设计和生产过程大大简化，效率成倍提高，生产周期明显缩短，产品质量得到保证，生产成本也相应降低。生产实践迫切需要将复杂曲面的测量引入到设计、加工过程，以显著提高设计和制造效率。

复杂曲面测量几何建模技术在现代社会生生活中亦有着非常广泛的用途。例如医学界曾召开CAD/CAM国际学术会议，探讨人造牙齿( 典型的复杂曲面 )的计算机辅助测量(Measuring)、建模(Modeling)及制造(Manufacturing)，即3M系统集成技术。在美国和日本，现有的制造技术生产一颗人造牙齿将花费4~7万美金，当采用计算机辅助测量、建模与制造3M集成技术后，所需费用将降低50% ~ 70%。又如美国Hollywood 制片商使用测量几何造型技术制作骇人听闻的真实感三维动画。首先，他们制作一个小比例的史前动物的实体雕塑模型，通过三维测量装置对其测量，建立该实体模型的数学模型。然后，在计算机上对该数学模型进行局部修改、放大、缩小和变形夸张等操作，模拟动物运动的各种复杂动作，达到逼真的艺术效果。这一技术在《侏罗纪公园》、《玩具总动员》等著名影片中大显身手，节约了大量人员及场景开销。

目前，设计、加工和测量技术均已各自发展到相当成熟的程度，但将测量技术与设计、加工技术有机地集成，尚不能满足生产实际的要求。先进制造技术对产品的测量提出了集成化和智能化的要求。集成化表现为以CNC三坐标测量机为代表的测量设备不再只是与加工过程相隔离的实验室仪器，而是必须搬到生产车间使用，甚至测量设备在硬件上与加工设备一体化；智能化表现为面向任务级的测量规划系统能自动确定零件、部件或产品的检测规程，自动确定测位数据，自动生成测量路径、测量轨迹和NC指令。

测量系统按照CAD曲面几何建模的要求与特点，进行测量轨迹智能规划。然后，测量系统对实物模型三维采样，将实物模型的几何模拟量精确地转换成CAD/CAM系统能够接收的几何数字量，输入到CAD系统中进行几何建模，并应用数学方法进行曲面拟合、光顺处理，由此而产生设计图纸，并由CAM系统生成相应的数控指令，由数控机床实现数控加工。测量系统可看作CAD/CAM系统的实物模型三维扫描输入装置。由此可见，测量／造型／加工的集成化与一体化将大大提高复杂曲面零件的设计、制造效率。

测量系统亦可望用于智能制造和柔性制造系统中的质量检测、系统监视和安全保证体系，成为先进制造系统中的质量保证体系的重要组成部分。测量、建模及制造3M系统集成是未来制造业发展的方向之一，测量系统和数控加工系统的集成在3M集成中占有重要的地位。

因此，能够将测量系统、CAD几何建模系统与数控加工系统进行集成是现代制造业加工工具先进性的一个重要标志。而华中I型数字化仿形测量系统现在已率先在国内朝着这个方向迈出了重要的一步。

开发实用的测量／建模／加工一体化系统，可迅速将实物模型转化为产品，大大节省实物模型的测量、绘制、设计全过程的时间及各种工装夹具的费用，最大限度地扩展数控加工中心的用途，实现一机多用。具有这种性能的数控加工中心特别适合于模具、复杂刀具表面、发动机、压缩机叶轮、叶片等复杂型面的设计、仿型加工、雕塑曲面的数控加工、快速成型、玩具制造、艺术造型等广泛的领域。也可部分代替三坐标测量机，作为曲面制造精度的测量设备。

由此可见华中I型数字化仿形测量系统具有广阔的应用前景和市场前景。

华中I型数字化仿形测量系统是基于国家“八·五”科技攻关项目“华中 I 型高性能数控系统”和我校华中 I 型高性能数控加工中心，结合我们已开发出的激光–机器视觉检测技术、三维接触式测头仿型系统、密集三维散乱点重建技术，响应生产实际的要求而开发出来的。

因为客户热切盼望所购买的数控加工中心能够配备相应的数控测量设备，即可作为数控加工机床使用，又可作为数控三坐标测量机使用；进一步，他们不仅希望检测数据用以检测加工精度，更希望用于实物模型的再设计(反求工程)与数控加工。从另一个角度来说，数控机床在我国的推广使用一方面受到机床本身精度和性能稳定与可靠性的限制，另一方面受到使用功能的限制。很多中小模具生产厂家，面对着大量、多品种、复杂表面的实物模型(如塑料玩具)，如果仅买一台数控加工中心，则苦于没有合适的、价廉物美的技术设备迅速把实物模型转化为数控加工指令；如果买一台三坐标测量机与数控加工中心配套，则投资太大而无法承受。这种现状不仅阻碍了数控机床在我国机械行业的推广应用，而且导致市场需求疲软，面对国外数控机床生产厂家的倾销，严重阻碍了我国数控机床生产厂家的成长和发展。

因此，华中I型数字化仿形测量系统既肩负着扩展数控加工中心的功能，又肩负着国产数控机床的推广应用的使命。它将为中国机械制造行业在二十一世纪的腾飞打下坚实的技术基础。

二、华中I型数字化仿型数控系统的为什么要加上网络功能

具有网络功能的数控系统必将成为各种先进制造环境的基本单元。仿型数控系统相应地也应具有网络功能。发展数控技术已成为振兴我国机械工业的重中之重。世界制造业的发展与竞争迫使我国不得不加快技术改造的进度和力度。实践已证明，数控改造是发展我国机械工业的可行的必由之路。

但由于工厂环境的限制，我国生产的数控系统及现有的数控改造系统一般没有网络功能且大多都没有挂上大容量存储设备(如硬盘)，而只使用高可靠性、高价位、低容量的电子盘设备。随着仿型测量系统及各种机加工辅助设计/制造(CAD/CAM)系统的完善与发展，这些仿形系统及CAD/CAM系统越来越快地进入实际加工系统，并需要方便快捷地与数控系统进行大容量信息的通信与交换。这些辅助系统生成的加工G代码程序量一般以十兆字节为计量单位，而我国大部份数控系统使用的电子盘只有2-4兆，而且如果不具备联网功能，很难与办公室的CAD/CAM系统及三坐标测量系统相连接。如果恶劣环境厂房中的数控加工系统具有联网功能并能共享环境洁静的办公用大容量硬盘，办公室里的CAD/CAM系统及各种测量系统只需将其生成的冗长G代码存入本地硬盘，然后即可由数控加工系统通过高速局域网读取该G代码并进行零件加工。

同时，联网后的数控加工系统也加强了工厂的信息管理与传递，在某些情况下还可大大提高生产效率。如我单位在常州柴油机厂进行仿型铣数控改造时，该厂就提出通过网络只用一台数控仿型铣床来控制多台没有仿形功能的普通数控铣床来同时仿型加工零件，提高仿型加工效率。这就需要所涉及到的数控系统都具有网络功能。当仿型铣产生仿型加工数据时，必须保存其三维仿型数据在某个安全可靠的大容量硬盘上，并传递给其它数控铣床以便同时加工。

数控机床的网络化，也为远程监控及网络制造提供了最坚实的基础。网络数控系统通过高速通信网络应及时地向远程监控点提供当前加工状态信息并接收远程监控命令，为真正的网络制造提供最起码的支持。更进一步地，我们甚至可以把某个数控加工机床类似办公网络中的共享打印机一样共享到网络上。其应用之一便是大大减少我国大中专院校数控技术培训与教学的设备购置费，一个教室只要一到两套实际的数控机床，学生通过计算机网络编写G代码程序并输出到网络机床上即可检验练习结果。当然，这些功能对数控系统的开放性及自诊断性提出了更高的要求。

网络数控系统不仅可以大大加强工厂加工信息的传递与管理、提高机加工自动化程度及远程监控，而且还可以为数控系统生产厂家提供远程诊断与维护。当数控系统产生故障时，数控系统生产厂家可以通过广域网或电话网对数控系统进行诊断与维护。特别是对各种数控改造项目，远程诊断可以大大减少维护的盲目性及相关生产费用。

基于我国机械行业的实际状况，为了使数控改造后的机床具有网络功能，网络数控系统的体系结构较一般的数控系统要具有更高的开放性和灵活性。随着网络技术及国产数控系统的不断完善与发展，开放式网络数控改造对改善我国数控机床方面的落后面貌具有重要意义。这不仅可以逐步夺回失去的数控技术市场，为国家节约大量外汇，赢得可观的经济效益，而且能使我国掌握和应用数控关键技术，打破西方国家的技术封锁，提高制造业的现代化水平，振兴民族数控产业。

当前，由于计算机技术日新月异，通用微机进入数控领域并构成数控平台已成为数控系统的最佳发展方向，使我国在数控硬件上与国外基本处于同等条件，给我国数控技术发展提供了极好的机遇，而今后国内外数控技术的竞争则主要在软件技术上的竞争。

具体地说，基于微机环境开发开放式网络数控软件平台具有如下优点：

1、由于工业控制微机的MTBF可达3万小时以上，使得数控系统长期运行的可靠性有技术上的切实保障。

2、与通用微机完全兼容，微机的外部设备如显示卡、电子盘、软硬驱动器、RS232通讯接口、网络卡、语音卡、视频卡均可直接在基于微机的数控系统上使用。

3、通用微机软件、硬件资源丰富，使得网络数控系统的开发环境非常方便、友好，且用户可方便地进行二次开发。在基于微机的网络数控系统软件、硬件平台上，可方便开发各种新的数控机床应用系统，例如：我们与常州柴油机厂合作，仅用半年时间就改造成功带网络功能的数控仿型铣床，利用该仿型铣可以控制多台普通铣床进行仿型加工。

4、高性能价格比的开放式、模块化网络体系结构，使得基于微机的网络数控系统可方便地与CAD/CAM/CAQ系统、数字化仿型测量系统、智能化故障诊断与误差补偿系统一体化，为各种先进制造环境下的进一步信息集成提供了良好的技术条件。

5、支持远程诊断与远程机床共享,支持工厂工业加工网络与工厂办公网络进行快速简捷的连接和相互共享各种资源。

如何建立起能促进数控功能迅速开发的开放式数控系统软件平台，对我国数控技术的发展具有重要的战略意义。同时，使数控系统具有网络功能，将为我国机械工业实现各种先进制造技术提供最坚实的基础，从根本上保证我国制造业能跟踪并最终领先世界制造业。

武汉华中数控系统有限公司正是根据这些时代要求，将华中I型开放式数控系统与网络功能进行无隙整合，为我国机床数控改造及我国的数控系统用户提供了一份重要选择。

要使我国现有的机床具有联网功能，可利用华中数控系统根据具体的机床选择如下三种改造方式：一是对现有的机床直接进行数控改造，并使数控系统与网络功能无隙地集成在一起；一是利用某些机床具有的RS232接口，配上网络功能接口；最后一种方法是改造纸带输入的接口，使其变成具有网络功能的RS232接口或通用的网络接口。

三、华中I型仿型系统与建立三维曲面数学模型

目前复杂曲面零件通常由数控机床加工完成。而实现数控加工的前提是必须建立曲面的数学或数字模型。常用的方法有三种：

(1) 以工程图纸上的理论数据或者以设计人员的创造性艺术才能为依据，利用计算机辅助几何造型系统(CAD)建立曲面的数学模型。

(2) 利用数控仿型机床直接复制实物模型，即接触式仿型加工。这种方法存在着一定的缺陷：(a) 加工精度低、效率低；(b) 实物模型和仿型头易磨损，产生难以弥补的原始测量误差；(c) 表面柔软物体(如橡胶、塑料件等)，不能使用接触式仿型加工；(d) 测头半径补偿问题；(e) 难以实现镜像加工、旋转加工，即仿型加工仅能制造与原实物模型形状相同的零件(可在尺寸上放大或缩小)。

(3) 由数控三坐标测量机从实物模型上得到实物表面的三维几何数据，根据这些数据构造实物模型表面的数学模型，进而编制数控加工指令，进行数控加工。此即所谓的反求工程(Reverse Enginerring)。

上述三种数控编程与加工方法中前两种都已比较成熟。然而，在实践中人们逐渐认识到它们的局限性，开始结合前两种方法的优点进行第三种方法的研究。即实现复杂曲面零件的测量／造型／加工集成化与一体化。其关键技术是三维数字化测头、测量智能规划与数据处理、面向测量的曲面几何重构。

A. 三维数字化测头

目前，复杂曲面零件的测量基本上都是在数控仿型机床，或三坐标测量机上完成的。常用的测头是接触式测头。华中I型数控系统因此也相应派生出接触式仿型测量数控系统，它的价格只有进口仿型系统的十分之一到十分之三。但接触式仿型测头也存在一些缺点，如：

1. 测量效率低：由于该测头沿零件表面逐点扫描测量，测头的移动速度不可太高，测量速度受到严重限制。

2. 测量精度不高：虽然接触式测头本身的精度通常较高，但由于测头与是物模型之间的接触压力，以及实物模型和测头易于磨损，影响了系统测量精度和稳定性。

3. 安全性差：NC坐标测量系统与CNC加工系统的最大区别在于前者通常是针对未知型面进行的，型面的数学模型在测量前是未知的，CNC测量指令必然是在测量过程中产生的。据有关用户反映，用CNC坐标测量机测量大型模具时，经常出现测头被撞坏的事故，经济损失极大。

4. 需进行测头半径补偿：测头测量的点位数据实质上是测头球心的位置坐标，而不是实物表面接触点的空间坐标。这给数控编程带来极大困难。

针对上述缺陷，人们陆续开发出各种新型电感式测头，解决了数控仿型和三坐标测量机自动测量的难题。例如，日本的法面线接触式测头，在石英球上镀上TiN石阻膜，以传感测头与被测表面的接触点空间位置；德国 Leitz 公司和英国雷尼绍(RENISHAW)公司研制了能够感知测量力在接触点上的三个分力的的电感测头，以测出实物表面被测点的法矢用于测头半径的补偿。系统的复杂性大大增加，仍不能克服测量效率低，测量力和测头的磨损导致的测量误差，且其价格非常昂贵。

鉴于接触式测量本身固有的缺陷，世界各国对非接触式测头开展了广泛研究，并取得大量的实践经验。非接触式测头具有以下优点：

测量效率高：由于测头不与零件表面接触，测头的移动速度可大大提高。特别是非接触式测头通常采用逐线测量方式，测量速度可高达1500点/秒以上。

克服了接触式测头和实物模型易于磨损及接触压力引起的测量误差。系统测量精度稳定性好。

安全性好，由于非接触式通常与被测零件表面有较大的距离，可有效地避免测头被撞坏的事故。

不需进行测头半径补偿：测头直接传感被测表面的位置坐标，避免了测头半径三维补偿问题。

对被测表面没有任何干扰，不会在测量过程中划伤工件表面，对被测表面的硬度要求很低，可直接对高弹性、柔软物体( 甚至液体)表面进行测量。

由此可见非接触式测头可避免接触式测量中几乎所有缺陷，因而受到了各国科学家和企业极大的重视。其中激光非接触式测头的性能尤为优越，国内外在此方面的研究非常深入。特别是随着高速计算机和高分辨率的摄像机的迅速发展，基于激光和机器视觉的测量技术前景更为看好。常见的激光非接触式测量的方法有：光外差法激光测量、深度图像三维测量、激光全息测量和结构光法。其中结构光法以其测量精度较高，测量速度快、量程大、对被测表面的适应性好、测头到被测表面的工作距离大等优点倍受重视。

华中数控及其前身华中理工大学数控中心早在九十年代初即已开始对结构光法进行研究，目前已开发出线结构光及点光源测量仿型系统。

目前国内外对非接触式测头的研究正在进行之中，存在的主要问题有：精度尚不够高、对被测表面的粗糙度、漫反射率和倾角过于敏感，存在“阴影效应”，严重限制了激光非接触式测头的适用范围。因此，需要研制高精度、可广泛适用的激光非接触式测头。相信在不久的将来，华中I型会推出新型激光机器视觉检测头，解决目前非接触式测头的大部分问题。

B. 测量智能规划与数据处理

测量智能规划不但在计算机的辅助下完成曲面测量的优化方案，还能对测量过程动态仿真和测量模拟，从而缩短测量程序的调试过程，大大提高测量效率。测量数据处理是实现曲面造型和加工的重要环节，包括数据的滤波、拟合、重建和消隐、测头半径补偿等方面。

世界上著名的坐标测量机公司，诸如英国的RENISHAW公司、意大利DEA公司、日本三丰公司以及美国的Brown& Sharp公司，在开发测量机的机械系统、数控系统、三向测头的同时，着力开发完整的测量控制与规划软件，已在这些方面作了大量有意义的实际工作。而国内仅有的几家坐标测量机生产厂则仅限于生产三坐标测量机的机械部分。数控部分和测量规划软件基本使用国外产品和技术，没有独立开发出一套比较全面、完整的测量规划软件。

国外数控坐标测量机一般都配有丰富的基于PC计算机的数据处理、测量控制软件，以完成大量复杂的测量任务。如日本的自由曲面测量评估系统T-DICS包含：自由曲面测量规划与控制、自由曲面误差评估、坐标系最佳重合和CAD/CAM接口模块。

中国航空精密机械研究所开发了“多功能轮廓测量系统”，以意大利DEA公司的IOTAO1O2 型数控三坐标测量机为硬件基础，实现各种空间自由曲面、曲线的自动测量，解决复杂零件的测量问题。该系统有两个显著特点：(a) 采用微平面法对测头半径进行三维补偿；(b) 对未知曲面测量时，采用自寻的原理实现自动测量。但该系统基本上是一个分层连续扫描的测量系统。

以上测量规划软件都是针对已知曲面数学模型，规划测量的路线、顺序，其目的是检测表面的加工精度。

华中I型仿型测量系统将测量规划任务定为未知曲面，即在不知道曲面数学模型的情况下进行测量规划。这是一项更为艰巨的任务。

C. 面向测量的曲面几何造型

虽然利用数控仿型机床可直接复制实物模型，但仿型不等于造型。仿型的密集测量数据很难输入CAD系统进行造型和修改。特别是对于模具制造业来说，由于零件被注塑、冲压后的弹性恢复和低温收缩，零件的模具与被测实物模型的形状有一定的差异，仅仅用仿型直接复制实物模型的方法已不能满足用户的需求。用户测量实物模型后，还必须根据测量数据进行曲面造型，并对曲面进行编辑、修改和再设计。此外，与仿型的数字化模型相比，造型的优点是：数控刀具的轨迹可与扫描测量的轨迹不同；数控刀具尺寸和形状可与仿型测头的尺寸不同；加工步距也可与扫描测量的步距不同。因而，一次扫描测量的数据可生成多组用不同尺寸和形状的刀具按不同加工步距(如粗加工、精加工等)的数控指令。

测量系统与CAD/CAM系统的集成化方面的研究，已引起越来越多的学者的重视。当今国内外一些学者采用对复杂曲面测量数据进行局部插值的方法来产生复杂曲面的数学模型，并以此模型作为与通用CAD系统的接口。近年来，国际上已出现了数控机床、坐标测量机一体化的生产设备，该种设备在加工完零件后，将切削刀具换成测头，即可对被加工面进行测量。同样，将测头改为切削刀具，又能对零件进行加工。

可见只有将测量系统与几何造型系统相结合，才能开发满足生产实际的测量／造型／加工一体化系统。华中I型已研制出点光源及线激光三维数字化测头，已具备复杂曲面零件测量的技术和方法。这些成果在研究开发过程中得到了国家自然科学基金、“八六三”计划及国家计委及科技部的支持。相信在不久的将来华中I型会开发出一个实用的曲面数控加工/测量一体化、集成化系统。

四、结束语

使中国能跟踪并最终领先世界先进科技是所有中国科技工作人员的梦想。建国以来，特别是改革开放20年来，华中数控及其创办者华中理工大学数控中心为使中国制造业跟踪并最终领先世界作出了巨大的努力，并得到了国内外制造业学术界及工程界的注意。如最近华中数控中心所在的华中理工大学获得美国机械工程师协会颁发的SME大学领先奖；经过多方努力，华中I型数控系统及仿型系统最终进入北京第一机床厂为主机进行数控系统配套；华中I型仿型数控系统对常州柴油机厂早年进口的仿型系统进行改造等。

我们相信，华中数控及华中I型数字仿型系统会有一个美好的明天。