面向工程應用的仿真測量機系統

王小剛，白躍偉，聶黎，劉凱

(上海第二工業大學機電工程學院，上海201209)

0 前言

坐標測量機 (Coordinate Measuring Machine，CMM)作為一種高精密測量設備，廣泛應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劃、模擬和準備需要大量占用機時，并且對操作環境和操作人員的要求極高，因此其實際使用成本非常高，因此業界迫切需要一種替代真實設備的仿真環境進行工程應用。

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

王智利在對CAD 模型研究的基礎上，建立了智能三坐標測量規劃原型系統;車仁生等基于模塊劃分了虛擬坐標測量機(Virtual CMM)的架構，并基于OpenGL 開發了相應的原型系統;PTB 等國際機構發布了虛擬坐標測量機應用于真實CMM 設備及相關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，開發了相關的虛擬三坐標測量設備，應用于教學或工程培訓中［1－4］。但由于相關研究成果或偏重于測量機檢測規劃等方法的研究，或用于相關課程教學的演示或示范，并沒有與實際的CMM 坐標測量軟件進行集成與交互，測量結果無法準確反映真實結果，與真實設備存在較大的出入，在工程實踐與應用中，可以用于示教領域，但還是存在不足。

因此，實現與三坐標測量軟件系統交互集成、基于虛擬現實技術的仿真測量系統，不但能夠大大降低設備使用成本，保護昂貴的CMM 設備，還可以應用于工程實踐中對CMM 操作人員培訓和考核及相關教學實踐中，具有重要的工程實踐意義。

文中介紹了所開發的面向工程應用的仿真測量機系統，通過集成具有自主知識產權的三坐標測量軟件，有機地將仿真測量機和測量應用系統集成一起，實現了工程實踐中虛擬仿真應用與實際操作效果的統一。測量系統包括虛擬坐標測量設備環境的建立、運動學仿真、動態交互仿真及數據交互與集成等。

1 系統的總體框架

仿真坐標測量機將坐標測量機技術和虛擬現實技術有機地結合在一起，通過實現坐標測量機模型裝配與可視化、模型運動學仿真和測量仿真等關鍵模塊，把坐標測量機、精密測頭和零件的三維實體模型放到虛擬現實的環境中，通過虛擬測頭觸測仿真真實環境下坐標測量機的零件測量過程。VCMM 實現了CMM可視化、測量路徑規劃、CMM 測量過程分析，設備操作仿真及CMM 的誤差分析和補償等功能。根據仿真坐標測量機(VCMM)的定義和CMM 的特點，提出了VCMM 的系統構成如圖1 所示。

圖1 虛擬測量機系統構成

該系統包括測量機建模環境、運動仿真與控制及用戶交互與結果處理3 個主要框架。其中建模環境主要負責為VCMM 系統提供必要的基礎環境和工具;運動仿真與控制是VCMM 運動控制的核心環境，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;用戶交互與結果處理是用戶與VCMM 進行交互和數據交換的關鍵環節，能實現測量特征的選擇、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)仿真坐標測量機是一個虛擬環境，實現了計算機環境中對坐標測量機的設計、裝配和測量過程的仿真。

(2)框架系統數據處理與仿真環境底層采用了三坐標測量軟件的底層架構，簡化了虛擬樣機仿真環境下構件運動誤差處理的環節，CMM 測量機系統的誤差僅依據實際測量系統的特征參數進行設置。

(3)在仿真坐標測量機開發環境中，僅需獲取CMM 的數據和一些關鍵參數，就可以由用戶根據自己的要求建造自己的各類模型，添加自己虛擬測量系統的功能。

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

2 系統關鍵技術

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

2.1 特征建模、數據壓縮與渲染處理

在虛擬現實系統中，三維模型是組成虛擬場景的關鍵，三維模型的創建是首要環節。目前主流的虛擬仿真環境所使用的三維模型都是通過商業CAD 軟件建立的。該系統中三坐標測量機3D 模型，是依據HXD 544 三坐標測量機的真實尺寸，利用Pro/E 完成的。但如果直接將該模型導入到虛擬環境中，一方面3D 模型的外觀顏色較為單一，與真實的設備的外觀相差甚遠，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，一方面提高了數據壓縮率，另一方面也在保證足夠真實感的情況下進行了渲染處理，系統仿真效果也較好。圖2 是虛擬測量機系統的實際模型與VCMM 環境下模型的對比。

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 運動學仿真

為便于研究和實現，VCMM 進行運動學仿真建模時基于以下三種假設: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，在構建過程中還要對模型進行適當的簡化，如刪除無關全局的零件;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 所示的主要運動構件(用戶可依據仿真復雜度自主設置零件構件數)。

圖3 VCMM 主要運動構件組成

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

圖4 VCMM 運動構件的運動約束

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

2.3 動態交互仿真與實現

虛擬仿真系統最主要的功能是實現替代真實設備進行人機交互，因此動態交互仿真是VCMM 系統的一個重要組成部分。

為支持快速的幾何檢測規劃仿真控制與交互，系統通過區分仿真數據的來源，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，也可以進行設備自動驅動仿真。為保證系統在仿真控制過程中不出現高速數據緩沖及交互造成的沖突，需要將數據交互與產生過程及仿真環節進行過程分離，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

其中交互過程的數據產生主要由動畫數據產生線程實現，測量點通過數據緩沖池進行順序存放，仿真過程的顯示主要是動畫執行線程進行，緩沖池的數據實現了有序調用，仿真過程安全可靠。

2.4 數據交互與集成

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

CMM 硬件系統、CAD 系統及測量軟件之間的數據轉換流程如圖6 所示。

圖6 測量系統間數據轉換流程

DMIS 支持的幾何特征及公差信息包括點、線、復雜曲線、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 作為數據傳輸交互與集成的關鍵環節，將數據運算轉移到測量軟件端，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 系統的實現

VCMM 測量系統采用圖7 所示的仿真工作過程。VCMM 測量機裝配模型和數據交互是實現動態仿真的關鍵。

圖7 VCMM 系統的仿真工作過程

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

在數據交互環節，系統為了和真實的三坐標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測量機的運動進行控制。基于普通的游戲手柄或鍵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測量機的運動。

在脫機或聯機模式下，測頭探針在虛擬環境下移動，當觸針接觸到被測模型后，發生碰撞提示，并記錄下該點的坐標值。VCMM 作為服務器端程序，基于連接的客戶端/服務器模型即流套接字編程模型實現向DMIS 測量軟件端發送數據，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-測量軟件的應用交互

圖9 實際應用效果展示

4 結束語

仿真坐標測量機是一種數字化軟件產品，是虛擬制造的重要組成部分。研究利用DMIS 構建虛擬設備交互的仿真系統，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，還可用于坐標測量機的技術培訓或訓練，以及新型坐標測量機的設計、研究和仿真等領域，因此，仿真坐標測量機的研究具有較強的理論意義和廣闊的工程應用前景。

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