面向工程應(yīng)用的仿真測量機系統(tǒng)

王小剛，白躍偉，聶黎，劉凱

(上海第二工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，上海201209)

0 前言

坐標(biāo)測量機 (Coordinate Measuring Machine，CMM)作為一種高精密測量設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各種零部件的尺寸、形狀及相互位置的精密測量過程中，但由于其價格昂貴，測量過程中離線測量路徑的規(guī)劃、模擬和準備需要大量占用機時，并且對操作環(huán)境和操作人員的要求極高，因此其實際使用成本非常高，因此業(yè)界迫切需要一種替代真實設(shè)備的仿真環(huán)境進行工程應(yīng)用。

而虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality，VR)作為一種集計算機圖形學(xué)、仿真技術(shù)等為一體的高科技成果，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實生活中，可以部分或全部替代真實設(shè)備，能極大地降低了設(shè)備的使用成本和操作風(fēng)險。因此，近年來國內(nèi)外學(xué)者在基于虛擬顯示技術(shù)的交互仿真模擬系統(tǒng)上進行了廣泛的研究。

王智利在對CAD 模型研究的基礎(chǔ)上，建立了智能三坐標(biāo)測量規(guī)劃原型系統(tǒng);車仁生等基于模塊劃分了虛擬坐標(biāo)測量機(Virtual CMM)的架構(gòu)，并基于OpenGL 開發(fā)了相應(yīng)的原型系統(tǒng);PTB 等國際機構(gòu)發(fā)布了虛擬坐標(biāo)測量機應(yīng)用于真實CMM 設(shè)備及相關(guān)軟件的不確定度的校驗;李達等人基于VRML 或EON等虛擬仿真軟件進行虛擬仿真，開發(fā)了相關(guān)的虛擬三坐標(biāo)測量設(shè)備，應(yīng)用于教學(xué)或工程培訓(xùn)中［1－4］。但由于相關(guān)研究成果或偏重于測量機檢測規(guī)劃等方法的研究，或用于相關(guān)課程教學(xué)的演示或示范，并沒有與實際的CMM 坐標(biāo)測量軟件進行集成與交互，測量結(jié)果無法準確反映真實結(jié)果，與真實設(shè)備存在較大的出入，在工程實踐與應(yīng)用中，可以用于示教領(lǐng)域，但還是存在不足。

因此，實現(xiàn)與三坐標(biāo)測量軟件系統(tǒng)交互集成、基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的仿真測量系統(tǒng)，不但能夠大大降低設(shè)備使用成本，保護昂貴的CMM 設(shè)備，還可以應(yīng)用于工程實踐中對CMM 操作人員培訓(xùn)和考核及相關(guān)教學(xué)實踐中，具有重要的工程實踐意義。

文中介紹了所開發(fā)的面向工程應(yīng)用的仿真測量機系統(tǒng)，通過集成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三坐標(biāo)測量軟件，有機地將仿真測量機和測量應(yīng)用系統(tǒng)集成一起，實現(xiàn)了工程實踐中虛擬仿真應(yīng)用與實際操作效果的統(tǒng)一。測量系統(tǒng)包括虛擬坐標(biāo)測量設(shè)備環(huán)境的建立、運動學(xué)仿真、動態(tài)交互仿真及數(shù)據(jù)交互與集成等。

1 系統(tǒng)的總體框架

仿真坐標(biāo)測量機將坐標(biāo)測量機技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)有機地結(jié)合在一起，通過實現(xiàn)坐標(biāo)測量機模型裝配與可視化、模型運動學(xué)仿真和測量仿真等關(guān)鍵模塊，把坐標(biāo)測量機、精密測頭和零件的三維實體模型放到虛擬現(xiàn)實的環(huán)境中，通過虛擬測頭觸測仿真真實環(huán)境下坐標(biāo)測量機的零件測量過程。VCMM 實現(xiàn)了CMM可視化、測量路徑規(guī)劃、CMM 測量過程分析，設(shè)備操作仿真及CMM 的誤差分析和補償?shù)裙δ?。根?jù)仿真坐標(biāo)測量機(VCMM)的定義和CMM 的特點，提出了VCMM 的系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 虛擬測量機系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)包括測量機建模環(huán)境、運動仿真與控制及用戶交互與結(jié)果處理3 個主要框架。其中建模環(huán)境主要負責(zé)為VCMM 系統(tǒng)提供必要的基礎(chǔ)環(huán)境和工具;運動仿真與控制是VCMM 運動控制的核心環(huán)境，具有可視化的運動建模、運動仿真、碰撞和干涉檢測等多種功能;用戶交互與結(jié)果處理是用戶與VCMM 進行交互和數(shù)據(jù)交換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能實現(xiàn)測量特征的選擇、測量程序的生成、檢測與評價方法的獲取及最終檢測文件的生成。

該框架具有如下主要特征:

(1)仿真坐標(biāo)測量機是一個虛擬環(huán)境，實現(xiàn)了計算機環(huán)境中對坐標(biāo)測量機的設(shè)計、裝配和測量過程的仿真。

(2)框架系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與仿真環(huán)境底層采用了三坐標(biāo)測量軟件的底層架構(gòu)，簡化了虛擬樣機仿真環(huán)境下構(gòu)件運動誤差處理的環(huán)節(jié)，CMM 測量機系統(tǒng)的誤差僅依據(jù)實際測量系統(tǒng)的特征參數(shù)進行設(shè)置。

(3)在仿真坐標(biāo)測量機開發(fā)環(huán)境中，僅需獲取CMM 的數(shù)據(jù)和一些關(guān)鍵參數(shù)，就可以由用戶根據(jù)自己的要求建造自己的各類模型，添加自己虛擬測量系統(tǒng)的功能。

(4)仿真坐標(biāo)測量機特別適合做教學(xué)、示教和培訓(xùn)等應(yīng)用環(huán)境。因為在這種情況下已不再需要購置大量昂貴的坐標(biāo)測量機，更多的教學(xué)環(huán)節(jié)在仿真坐標(biāo)測量機中就可以進行，在得到真實的效果的同時，也能夠節(jié)省大量費用。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

仿真測量機基于ACIS 圖形系統(tǒng)進行開發(fā)，底層采用自主開發(fā)的三坐標(biāo)測量軟件系統(tǒng)，在C + +和C#混合開發(fā)環(huán)境下實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實環(huán)境仿真及真實感操作交互體驗。具體來說，系統(tǒng)通過導(dǎo)入商業(yè)化三維CAD 軟件所建立的各類測量機、測頭、測球及零件模型，通過模型壓縮與轉(zhuǎn)換模塊，生成特定的虛擬測量機模型庫、測頭數(shù)據(jù)庫及零件庫，并建立了基本的仿真顯示環(huán)境;其次通過建立虛擬測量機的運動約束和仿真方程，實現(xiàn)了各運動副和零部件的運動狀態(tài)的仿真及運動控制與交互;最后以DMIS 測量框架為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了測量采樣、測量規(guī)劃等基本功能，為用戶提供了真實的數(shù)據(jù)采集與測量評價體驗。以下對系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進行闡述。

2.1 特征建模、數(shù)據(jù)壓縮與渲染處理

在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，三維模型是組成虛擬場景的關(guān)鍵，三維模型的創(chuàng)建是首要環(huán)節(jié)。目前主流的虛擬仿真環(huán)境所使用的三維模型都是通過商業(yè)CAD 軟件建立的。該系統(tǒng)中三坐標(biāo)測量機3D 模型，是依據(jù)HXD 544 三坐標(biāo)測量機的真實尺寸，利用Pro/E 完成的。但如果直接將該模型導(dǎo)入到虛擬環(huán)境中，一方面3D 模型的外觀顏色較為單一，與真實的設(shè)備的外觀相差甚遠，在視覺上遠遠不能滿足用戶的要求，另外一方面，裝配CAD 模型在未壓縮狀態(tài)下，進行運動仿真所需的計算機硬件配置要求很高。因此，采用自主開發(fā)三維模型處理軟件對測量機模型進行了模型輕量化處理，一方面提高了數(shù)據(jù)壓縮率，另一方面也在保證足夠真實感的情況下進行了渲染處理，系統(tǒng)仿真效果也較好。圖2 是虛擬測量機系統(tǒng)的實際模型與VCMM 環(huán)境下模型的對比。

圖2 真實測量機與VCMM 效果對比

渲染的好壞直接影響了虛擬三坐標(biāo)機的視覺真實性，通過紋理貼圖使測量機模型具有較好的光照效果，加強仿真測量機的真實感。

2.2 運動學(xué)仿真

為便于研究和實現(xiàn)，VCMM 進行運動學(xué)仿真建模時基于以下三種假設(shè):裝配間隙為零、制造誤差忽略不計;不考慮溫度引起的變形;各部件均視為剛體。與此同時，在構(gòu)建過程中還要對模型進行適當(dāng)?shù)暮喕?，如刪除無關(guān)全局的零件;將零件的一些不必要特征進行隱藏;將沒有相對運動的零件進行組合等處理，形成了如圖3 所示的主要運動構(gòu)件(用戶可依據(jù)仿真復(fù)雜度自主設(shè)置零件構(gòu)件數(shù))。

圖3 VCMM 主要運動構(gòu)件組成

由于三坐標(biāo)測量機是由3 個相互垂直的可移動X，Y，Z 坐標(biāo)軸構(gòu)成的，因此，根據(jù)活動橋式坐標(biāo)測量機幾何模型，就可以確定活動橋式坐標(biāo)測量機的運動模型，即CMM 的主要運動構(gòu)件包括:工作臺部件、龍門部件、鞍架部件、Z 軸部件以及測頭部件。活動橋式坐標(biāo)測量機的運動關(guān)系為:當(dāng)Y 軸移動時，立柱、橫梁和測頭都要作相應(yīng)的平移;當(dāng)X 軸移動時，只有立柱和測頭需要作相應(yīng)的平移;當(dāng)Z 軸移動時，只有測頭需要作相應(yīng)的平移。運動模型建立后，就可以用平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等函數(shù)完成運動關(guān)系的表示。各部件間的約束關(guān)系如圖4 所示［5－6］。

圖4 VCMM 運動構(gòu)件的運動約束

基于上述基本約束，建立了VCMM 的運動學(xué)仿真模塊，并實現(xiàn)了對碰撞和干涉的識別，為測量路徑的自動規(guī)劃提供了仿真依據(jù)。

2.3 動態(tài)交互仿真與實現(xiàn)

虛擬仿真系統(tǒng)最主要的功能是實現(xiàn)替代真實設(shè)備進行人機交互，因此動態(tài)交互仿真是VCMM 系統(tǒng)的一個重要組成部分。

為支持快速的幾何檢測規(guī)劃仿真控制與交互，系統(tǒng)通過區(qū)分仿真數(shù)據(jù)的來源，在離線模式下，主要是通過人機交互進行脫機測量仿真;在在線模式下，可以通過手動操作CMM 進行測量仿真，也可以進行設(shè)備自動驅(qū)動仿真。為保證系統(tǒng)在仿真控制過程中不出現(xiàn)高速數(shù)據(jù)緩沖及交互造成的沖突，需要將數(shù)據(jù)交互與產(chǎn)生過程及仿真環(huán)節(jié)進行過程分離，因此采用了圖5 所示的仿真處理流程［7］。

圖5 仿真動作控制流程

其中交互過程的數(shù)據(jù)產(chǎn)生主要由動畫數(shù)據(jù)產(chǎn)生線程實現(xiàn)，測量點通過數(shù)據(jù)緩沖池進行順序存放，仿真過程的顯示主要是動畫執(zhí)行線程進行，緩沖池的數(shù)據(jù)實現(xiàn)了有序調(diào)用，仿真過程安全可靠。

2.4 數(shù)據(jù)交互與集成

由于CMM 技術(shù)的發(fā)展是獨立于一般CAD、CAM技術(shù)發(fā)展的，因此，CMM 系統(tǒng)有自己的信息處理系統(tǒng)。為了直接對CMM 設(shè)備進行仿真，VCMM 系統(tǒng)采用了DMIS (Dimensional Measurement Interface Specification)文件格式。因此工件坐標(biāo)系建立、特征定義、測量公差及檢測報告結(jié)果的輸出都是直接以DMIS 零件程序為基礎(chǔ)［8］。

CMM 硬件系統(tǒng)、CAD 系統(tǒng)及測量軟件之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程如圖6 所示。

圖6 測量系統(tǒng)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

DMIS 支持的幾何特征及公差信息包括點、線、復(fù)雜曲線、圓(橢圓)、圓柱(圓錐)、球和尺寸公差、形狀公差、跳動公差、方位公差及定位公差等，全面覆蓋了高精度測量的要求。采用DMIS 作為數(shù)據(jù)傳輸交互與集成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將數(shù)據(jù)運算轉(zhuǎn)移到測量軟件端，一方面能減少運動建模的工作量，另外一方面也降低了采用ADAMS 等運動仿真軟件進行虛擬建模時進行誤差建模的難度［8］。

3 VCMM 系統(tǒng)的實現(xiàn)

VCMM 測量系統(tǒng)采用圖7 所示的仿真工作過程。VCMM 測量機裝配模型和數(shù)據(jù)交互是實現(xiàn)動態(tài)仿真的關(guān)鍵。

圖7 VCMM 系統(tǒng)的仿真工作過程

在VCMM 模型裝配環(huán)節(jié)，基于優(yōu)化后的三維模型，基于約束和特征關(guān)系，進行裝配，并抑制了無需顯示的特征，形成了VCMM 系統(tǒng)的基本單元，主要實現(xiàn)了建立機座、工作臺、橋架、橫梁、主軸架、測桿與測頭等三坐標(biāo)測量機主要部件的模型(模型仿真效果見圖3)。

在數(shù)據(jù)交互環(huán)節(jié)，系統(tǒng)為了和真實的三坐標(biāo)測量機在操作上相似，因此采用操縱桿的控制方式來對虛擬三坐標(biāo)測量機的運動進行控制?；谄胀ǖ挠螒蚴直蜴I盤分別控制測量探針、探針座和橫梁的移動，此時就可用操縱桿控制虛擬三坐標(biāo)測量機的運動。

在脫機或聯(lián)機模式下，測頭探針在虛擬環(huán)境下移動，當(dāng)觸針接觸到被測模型后，發(fā)生碰撞提示，并記錄下該點的坐標(biāo)值。VCMM 作為服務(wù)器端程序，基于連接的客戶端/服務(wù)器模型即流套接字編程模型實現(xiàn)向DMIS 測量軟件端發(fā)送數(shù)據(jù)，測量軟件進行演算和精度分析。圖8 和圖9 分別是VCMM 與測量軟件進行測量仿真的實際效果演示。

圖8 VCMM-測量軟件的應(yīng)用交互

圖9 實際應(yīng)用效果展示

4 結(jié)束語

仿真坐標(biāo)測量機是一種數(shù)字化軟件產(chǎn)品，是虛擬制造的重要組成部分。研究利用DMIS 構(gòu)建虛擬設(shè)備交互的仿真系統(tǒng)，可以進一步提高離機編程的效率，減少測量程序錯誤檢查和仿真運行時所占用的大量機時，還可用于坐標(biāo)測量機的技術(shù)培訓(xùn)或訓(xùn)練，以及新型坐標(biāo)測量機的設(shè)計、研究和仿真等領(lǐng)域，因此，仿真坐標(biāo)測量機的研究具有較強的理論意義和廣闊的工程應(yīng)用前景。

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