虛擬仿真技術實現高精密檢測補償的方法及應用

胡曾堯

摘要：本文根據虛擬仿真技術數模的構成方式和數學的浮點算法，提出了基于三坐標測量、大型工具顯微鏡測量、表面質量測微儀為代表的三種獲取物理模型精準測量點的核算方法，針對三種不同檢測中存在的差異，對測量碰撞標定方法、測點誤差補償方法、射線取點法進行了研究，最終在高精密檢測中心實現了虛擬仿真交互功能系統。

關鍵詞：高精密檢測；虛擬現實；碰撞標定；誤差補償

以高精密測量儀器為載體，針對精密模具零件進行的虛擬仿真測量，依托大學高精密檢測中心掌握的學生日常研究所得的檢測數據，對應企業高精測量方法，以高精密測量的核心精準點為目標，探討不同高精密設備在虛擬仿真中獲得精準測量點的不同方法。憑借大量實驗數據虛擬仿真高精密測量結果，測試在虛擬仿真平臺下對精密模具測量產生的誤差進行補償，從而促使最終測量結果擁有較高的真實性和參考性。

1 虛擬三坐標側頭精準測量方法

三坐標測量為點對工件進行的接觸法測量，即點對面碰撞測量。在虛擬現實技術應用中所有的模型都為美工模型，即使用3D MAX/MAYA等軟件構建的數據模型，數據模型的點為模型幾何坐標點，數據模型的面為相關三點構建的法相平面。

在虛擬的交互世界中，初始發生碰撞時，信號的輸出會產生1個運算循環的時間延遲，即當計算機因碰撞信號停止兩物體動作時，兩物體已經因為碰撞發生了一定的相交區域。這對檢測的精準度是有嚴重影響的。為保證測量的精密性，要對發生碰撞的兩個主物體“側頭”“工件”經行定位或限位。

此外由于碰撞測量在虛擬世界中的實質是點與面的碰撞，設點為P，面是由A、B、C三個點構成的工件表面（碰撞處），則利用重心法計算點在平面內的坐標。

下圖為反饋效果圖：

通過重心法獲取的點為白色標記圖

2 虛擬大型工具顯微鏡精準測量方法

大型工具顯微鏡是采用紅外線對工件掃描，撲捉反饋震蕩波信號進而獲取測量點坐標位置的一種方法，該方法屬于非接觸類測量。依據鼠標原始撲捉算法，需要在虛擬空間做一個仿真的“鼠標”和一個假設的攝像機平面。使用三維幀功能創建一個虛擬物，虛擬物沒有任何構成體，僅存在一個坐標和朝向。設這個虛擬物X軸、Z軸構建一個平面。將這個面當成是攝像機平面，則Y軸方向就是平面法線方向，這時可以與獲取鼠標撲捉效果一樣的射線效果。

利用上述的固定信號循環檢測，可以發現反饋信號的特點，分別是“A、A”型、“B、B”型、“A、B”型、“B、A”型四種存在方式。A代表撲捉信號為存在，B代表撲捉信號為空，即“A、A”型表示撲捉器一直在物體范圍內移動，“B、B”型表示撲捉器一直在物體范圍外移動，“A、B”型表示撲捉器離開物體的瞬間，“B、A”型表示撲捉器進入物體的瞬間。依次邏輯排除前三種方式，在且僅在“B、A”型時進行空間位置記錄，此時記錄的點一定是被測物邊緣，而B至A的單位脈沖就成為限定移動誤差的最大值。

3 虛擬表面質量測微儀測量方法

顯微效果在真實世界中因為物質的組成是多層的，放大后可以看到微觀結構，乃至構成原子排列?？稍谔摂M世界中，虛擬物的微觀結構實際就是模型頂面中隱藏的面頂點坐標，面頂點的數量即使是高精密的模型也無法做到與實際相符的表面結構。這樣在測量后就會因為點間距過大而形成“低像素”的現象，無法滿足大學虛擬實驗的精度要求。本軟件是采用了隨機取值與參數表格相關聯的方式，獲取與實驗相近似的效果。首先將大量學生實驗數據繪制成表格，依據表格繪制三條主要參數變化范圍的依據，分別是工件材質、加工方法、熱處理方法。依據數據模型中點與點的距離生產曲線變化效果，并將這些效果關聯像素大小。簡單的說就是先獲取一段被測表面的X軸直線，再獲取該段直線的參數表，然后隨機刷新在參數范圍內的曲線變化效果，再然后在后臺提交給相應的X軸方向像素值，最后用相同手段獲取Y軸方向像素值后合并，生產效果2D圖和2D曲線。

4 結語

通過上述三種虛擬測量方法的應用，基本可以對應絕大部分檢測設備的測量算法。光學比較類設備可以參考大功顯的非接觸類測量算法，此外如果需要強行拉升測量精度值的位數，在數據模型處理上可以先放大100倍獲取，然后運算浮點即可。

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