虛擬坐標測量機設(shè)計

李紅莉， 胡 毅， 張 陽， 白黎昊， 王宏濤

（合肥工業(yè)大學儀器科學與光電工程學院，合肥230009）

0 引 言

新工科人才培養(yǎng)注重提升學生的綜合能力，加強實踐教學是實現(xiàn)新工科人才培養(yǎng)目標的重要環(huán)節(jié)［1］。坐標測量機（Coordinate Measurement Machine，CMM）在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，它是現(xiàn)代制造過程、工業(yè)檢測、質(zhì)量控制和產(chǎn)品檢驗中不可或缺的大型高精度、高效率、萬能性測量儀器［2］。對于儀器類測控專業(yè)的學生來說，掌握坐標測量機的應用，具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)外高校都比較關(guān)注虛擬實驗室建設(shè)，但關(guān)于三坐標測量機的虛擬實驗平臺開發(fā)較少。現(xiàn)有實現(xiàn)方式主要為通過AVCMMs 提供形象的圖形表示以及CMM模擬測量操作［3］；采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)三坐標測量機虛擬建模及模擬測量［4］；基于Pro／E 三維建模軟件構(gòu)建虛擬三坐標測量機［5］。

本設(shè)計采用虛擬儀器設(shè)計思想，將虛擬技術(shù)與坐標測量技術(shù)相結(jié)合［6-9］，開發(fā)虛擬坐標測量機，完成典型幾何量測量任務(wù)，構(gòu)建虛擬坐標測量機教學平臺，以便應用于誤差理論與數(shù)據(jù)處理、檢測技術(shù)等課程教學實踐中，彌補因坐標測量機貴重稀少而難以開設(shè)實驗的問題，更好地服務(wù)于新工科人才培養(yǎng)。

1 系統(tǒng)方案

虛擬坐標測量機設(shè)計以移動橋式三坐標測量機為原型，以“機械建模-運動控制”框架為設(shè)計思路。系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程

利用SolidWorks環(huán)境完成三坐標測量機的驅(qū)動機構(gòu)和三維建模、運動分析以及添加相應的傳感器模塊；結(jié)合典型幾何量測量中的圓度測量實驗內(nèi)容，基于LabVIEW圖形化軟件開發(fā)平臺編寫測量控制實驗程序［10-11］。借助SoftMotion for SolidWorks工具包協(xié)調(diào)實現(xiàn)虛擬坐標測量機與測量控制程序之間的聯(lián)動［12-13］，方便學生進行虛擬測量實驗。

2 坐標測量機SolidWorks建模

2.1 裝配體建立

為提高程序運行效率，利用SolidWorks 對虛擬三坐標測量機裝配體進行簡化設(shè)計。虛擬坐標測量機外觀尺寸為X ＝（1 350 ±100）mm；Y ＝（1 960 ±100）mm；Z ＝（1 300 ±100）mm，坐標原點設(shè)為（200，200，800）。為方便建模及在測量過程中觀察測頭的狀態(tài)，將虛擬測量機測頭的球頭直徑選取為11 mm。

同時，為滿足圓度測量實驗的需要，將被測件設(shè)計為圓柱體，基圓半徑為200 mm，高度為200 mm，使其基圓圓心與虛擬測量機工作臺的中心重合，固定坐標為（792.5，1 082.5，0），通過左右兩半圓柱面截面圓直徑的偏差設(shè)計，將被測圓柱體圓度預設(shè)為15 mm。

虛擬三坐標測量機裝配體如圖2 所示。

2.2 傳感器添加

為方便后續(xù)能夠基于SoftMotion 工具聯(lián)動控制虛擬坐標測量機動作，需要根據(jù)測量機的測量功能要求，在三維建?；A(chǔ)上添加合適的傳感器［14］。

圖2 虛擬三坐標測量機裝配體

為獲得測量點坐標值，在X、Y、Z 軸方向上添加尺寸傳感器，通過模擬量傳遞給SoftMotion 工具模塊，以提供三軸的移動距離。

為完成虛擬三坐標測量機圓度測量實驗，需要檢測測頭和待測圓柱側(cè)曲面之間的接觸，即需要一個觸發(fā)信號表示測頭已接觸工件。因此分別在測頭與圓柱側(cè)表面之間添加測量傳感器。由于待測圓柱體左右側(cè)被特意設(shè)定為不對稱結(jié)構(gòu)，故需要分別在測頭與左圓柱面、測頭與右圓柱面之間添加測量傳感器，通過測量傳感器讀取兩表面間的距離，并通過距離小于1 mm時報警的設(shè)定，實現(xiàn)測頭觸發(fā)報警功能。設(shè)計中將報警距離設(shè)置為0.5 mm，達到報警距離時，測頭將自動停止原方向移動。

虛擬坐標測量機模型上的傳感器添加完成如圖3所示。

圖3 添加傳感器

2.3 電動機添加

在裝配體中添加了傳感器后，為使虛擬三坐標測量機的三軸能夠運動，還需要在motion 插件下選擇運動算例，在三個基準軸方向添加直線電動機，將運動模式選擇為“距離”模式，并設(shè)置起止時間。電動機添加及參數(shù)設(shè)置如圖4 所示。

對3 個線性電動機進行參數(shù)設(shè)定后，即可進行動畫仿真分析，利用SolidWorks 軟件查看motion 運動部分設(shè)置的效果，通過測試確定合適的運動參數(shù)，保證虛擬三坐標測量機各組件能夠沿軸方向運動，標注的坐標軸尺寸能夠隨動變化。最后保存好SolidWorks裝配體，即完成了虛擬坐標測量機建模過程。

圖4 線性電動機添加示意圖

3 測量控制程序

3.1 程序框架

基于LabVIEW圖形化軟件開發(fā)平臺創(chuàng)建項目，在項目中建立測量控制程序與測量機三維模型的運動控制關(guān)系。虛擬坐標測量機測量控制程序采用模塊化設(shè)計思想編寫，主程序流程如圖5 所示，LabVIEW 程序代碼如圖6 示例。

圖5 主程序流程

程序運行后，進行初始化工作，包括驅(qū)動測量機自動歸零動作以及對相應數(shù)據(jù)顯示、存儲單元的清空操作；根據(jù)人機交互要求操控虛擬坐標測量機完成相應動作和測量任務(wù)。程序核心部分是手動測量和自動測量的實現(xiàn)。

圖6 程序示例

3.2 手動測量

在手動測量模式下，程序?qū)⒏鶕?jù)人機交互中學生選擇的上下、左右、前后按鍵決定測頭沿Z 軸、X 軸或Y軸移動，按鍵按住不放將持續(xù)運動，松開按鍵即停止，當觸測到被測件時，自動輸出觸發(fā)點坐標，且使測頭模擬真實測量情景，自動回退到一定安全距離。手動測量程序流程如圖7 所示。

圖7 手動測量程序流程

3.3 自動測量

選擇自動測量模式進行測量操作時，程序?qū)⑹紫瓤刂茰y頭歸零，即令測頭自動回到初始原點，之后根據(jù)預先設(shè)定好的測量策略（包括測點數(shù)量及其分布），按照規(guī)劃好的路徑分別完成所有樣點的采集。每次采樣過程，當測頭感應觸測到被測件時，將自動輸出觸發(fā)點坐標，并使測頭自動回退到一定安全距離。自動測量程序流程如圖8 所示。

3.4 圓度計算

設(shè)計選取圓度測量為例展示虛擬坐標測量機的測量功能。采用點位法進行圓度測量［15-16］，測頭在被測截面圓周上間隔采點，對所得采樣點利用最小二乘方法擬合計算圓度。圓度計算程序如圖9 所示。

圖8 自動測量程序流程

圖9 圓度計算程序

4 系統(tǒng)測試

虛擬坐標測量機SolidWorks三維模型如圖10（a）所示，LabVIEW測量控制程序界面見圖10（b），使用虛擬坐標測量機實驗平臺需要打開虛擬坐標測量機SolidWorks三維模型，并運行LabVIEW 測量控制項目程序。學生可通過程序界面靈活操作虛擬測量機測頭沿X、Y、Z 軸向自由移動、定位移動或者執(zhí)行歸零操作，移動到位時將點亮相應“歸位”或“到達”指示燈。

學生可以選擇手動或自動模式進行圓度測量實驗。如圖11（a）所示，當測頭接近圓柱體發(fā)出觸測信號時，將點亮對應“碰撞”指示燈，同時反方向回退一定安全距離，模擬真實測量機的測頭觸測動作；同時將三軸坐標值反饋顯示在程序界面上，見圖11（b）。

在測得圓周分布一定點數(shù)后，可通過計算按鈕自動求出圓度誤差。學生通過圓度計算將會發(fā)現(xiàn)所得結(jié)果與圓度預設(shè)值存在差異，該誤差主要是由兩個軟件平臺運行同步差異以及測頭的觸測誤差引起的，同時包括系統(tǒng)誤差和隨機誤差的影響，不同測量循環(huán)的圓度計算結(jié)果是不同的，該現(xiàn)象符合真實測量的情景，有助于學生深刻理解測量誤差的概念、來源及其影響。

圖10 虛擬坐標測量機測頭移動

圖11 虛擬坐標測量機測量顯示

5 結(jié) 語

設(shè)計、搭建虛擬坐標測量機教學平臺，對移動橋式三坐標測量機進行SolidWorks 建模，編制了LabVIEW測量控制程序，實現(xiàn)對虛擬三坐標測量機的運動控制。虛擬實驗平臺人機交互友好，結(jié)合《檢測技術(shù)》等課程，能夠?qū)崿F(xiàn)圓度測量實驗。該實驗平臺能夠有效避免坐標測量機設(shè)備不足或損傷問題，節(jié)約教學成本，增強教學效果。后續(xù)將不斷豐富實驗內(nèi)容，以方便學生更好地掌握坐標測量機的應用。