基于教學的三坐標測量虛擬仿真系統研究與開發

劉俊英，黃德鵬

（1.河源職業技術學院，廣東河源 517000；2.杭州中測科技有限公司，杭州 310000）

0 引言

隨著科技的發展，產品加工質量與精度要求越來越高，產品形狀更加復雜化與多樣化，對產品質量檢測設備的功能要求不斷增強，促使三坐標測量機的應用愈來愈普及[1]。但在目前的教育培訓中，仍存在因教學資源有限、費用昂貴而導致學生缺少實訓時間；因教學形式落后而導致學生未能掌握操作技能以及各大企業因無三坐標測量機行業操作考核而導致售后和崗前培訓周期長、人力資源消耗大等現象[2]。虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術，是一種由計算機生成的高技術模擬系統[3]。虛擬現實技術實際上是在重塑一個世界，現實世界中的一切，都可以再次呈現在虛擬現實平臺上[4]。將虛擬現實技術應用到真實設備中，可以極大地降低設備成本，較好地開展科研和訓練工作。三坐標測量虛擬仿真系統可實現與真實的三坐標設備相同的仿真測量功能，因其成本低、安全系數高、培訓效果好等特點，廣泛應用于計量領域，尤其適合國內大專院校相關專業的教學，是計量行業教學的首選高性價比工具。

1 坐標測量虛擬仿真軟件

本仿真測量軟件的研究借鑒了市面上現有軟件的設計思路，并且進行了創新設計和研發，利用虛擬現實技術（VR）以及相應的程序設計語言，以用戶為核心，設計了新穎的軟件交互方式，在提高用戶感官體驗的同時，降低了用戶關于軟件操作學習的難度，便于用戶使用。

1.1 主界面

軟件主界面如圖1所示，為使用戶擁有更好的感官體驗，主界面中只包含了逼真的三坐標測量機本體，去除了其他功能菜單對于用戶使用時的干擾，避免了將軟件界面分成若干分裂的小區域，嚴重影響了用戶的使用體驗。

在主界面中，為減少用戶的學習成本，采用了UG軟件的視圖操作方式，可以方便地對三坐標測量機進行全方位的觀察體驗。

圖1 仿真軟件主界面

1.2 功能界面

本系統仿真軟件功能界面[5]如圖2所示，為保證軟件界面的清爽整潔，特在界面上方設計了一個隱匿式菜單[6]，將系統主要功能選項都集中在此菜單中。使用系統時，當鼠標移動到界面上方區域時該隱匿式菜單就會自動出現，否則該菜單隱藏不見，點擊某項功能后，如果有子功能選項時，會啟動相應的下拉列表式菜單，以便于用戶選擇使用。

為更方便用戶使用，軟件中將一些常用的菜單集中到了右鍵快捷菜單中，用戶在使用時可以隨時單擊右鍵調出。

圖2 仿真軟件功能界面

1.3 軟件特點

與市面上現有的三坐標仿真軟件相比，本三坐標測量機仿真軟件主要具有以下特點。

（1）設備模型完全按照真實三坐標測量機的結構和比例來進行建模，并對三維模型進行了真實感優化，具有逼真的外觀體驗。

（2）三坐標測量機的各項功能都利用右鍵快捷菜單和隱匿式菜單來管理，將屏幕完全用于測量機的完整顯示，改善用戶的操作體驗。

（3）對三坐標測量機的PC-DMIS系統進行了仿真，并可對其進行顯示模式切換和隱藏控制，方便用戶的觀察。

（4）結合部件提示、結構認知、測量機顯示控制和鼠標視圖控制等功能，可對測量機模型進行全方位的觀察和學習，便于用戶熟悉測量機結構。

（5）在教學模式下，為了避免不同軟件之間的頻繁切換，嚴重影響用戶的使用體驗，特將PC-DMIS軟件中的操作錄制為視頻。當在仿真軟件執行到特定的步驟的時候，可直接在仿真軟件界面內實現視頻的播放和連貫性學習，一氣呵成。

（6）軟件可對導入測量空間內的任意被測物體進行測量，評價和生成評價報告。具備坐標系建立、對被測量工件的三維模型比對、測量常用數據、評價常用公差、生成測量數據報告等功能。軟件的擴展性和開發性得到顯著提升的同時，也極大地滿足了用戶的定向開發和多案例展示的需求。

2 三坐標測量手持控制器

三坐標系統的手持控制器是通過USB接口與計算機相連接的，可以通過手持器的各種操作，與軟件進行通信，以達到測量尺寸、計算公差等功能。手持控制器的設計借鑒目前市場上的真實三坐標測量設備所帶有的手持器的外觀，利用逆向設計對其進行創新設計。

2.1 產品分析

（1）手持器組成：手持器由上、下蓋2部分主體組成，如圖3、圖4所示。

（2）材質結構分析：分析正反兩面是否有不同材質，經分析均為塑料材質，結構比較簡單。

（3）技術要求分析：手持器整體精度要求保證在0.2 mm以內，配合部分及孔位要求保證在0.1 mm以內，對外型及內部結構進行創新設計。

（4）由于手搖桿結構簡單，形狀比較規則，要求精度中等，因此選擇非接觸式掃描，一般情況下，選擇手持激光掃描儀設備。

圖3 市場上常用手持器外觀正面

圖4 市場上常用手持器外觀反面

2.2 數據采集及點云后處理

具體步驟如下。

（1）工件表面用無塵紙擦拭干凈。

（2）因工件特征比較復雜，需要在工件表面上粘貼標志點。標志點的粘貼間距要根據工件實際情況確定，一般來講每兩顆標記點之間的間距在30～100 mm范圍內。如果工件表面比較平緩，曲率小，粘貼距離可以適當大一些，反之要適當減小間距。手持器標志點的粘貼結果如圖5、圖6所示。

圖5 正面貼標志點

圖6 反面貼標志點

（3）預先掃描物體表面上的標志點，這樣方便掃描的時候過渡正、反掃描。

（4）周圍的雜亂數據要盡量少的掃進去，不然數據多于工件，雜亂的數據會被定為主體數據。

（5）預先掃描平面標記點設置為背景板，可以避免掃描到平板以下的物體，需要多角度掃描掃全背景標記點以提高掃描的精度，如圖7所示。

（6）掃描參數設置解析度為0.4 mm，勾選黑色物體掃描，曝光率為3.0。

（7）從準備工作到掃描完成，花費的時間為20 min左右，手持器掃描結果如圖8所示。

圖7 掃描標志點

圖8 掃描手持器

2.3 逆向建模創新設計

設計過程如下。

（1）產品的分析：在造型過程中分析產品結構非常重要，要深刻理解產品的各個面之間的連接關系，抓取產品的主要特征，在此基礎上確定各面之間的拓撲關系，以此來快速、高質量地完成產品造型。

（2）確定產品的分型線走向，分型線走向是確立拔模方向的重要依據。

（3）拔模方向的確立在產品造型中也極其重要，不能使做出來的產品產生倒拔模，在手持控制器中出現了多個抽塊，抽塊方向盡量與拔模方向垂直或平行，如無法做到垂直或平行就盡量與拔模方向成規整夾角。

（4）在制作過程中先制作主體，然后再制作結構特征，要注意橫平豎直，尺寸規范，主體過點情況在0.2 mm，孔位及配合處0.1 mm以內，實際尺寸都已參考原樣件為準。

（5）外觀創新設計，兩邊的耳朵去除，整體的高度加高，按鈕孔位按新的電路板設計，背部結構特征的設計，加密狗內部放置。

（6）制作完成之后移動到絕對坐標系下，并且給予拔模坐標系、抽塊、分型線，數據和線放到相應的圖層，創新設計之后的手持器如圖9、圖10所示。

圖9 創新設計后的手持器正面

圖10 創新設計后的手持器反面

2.4 產品質量檢驗

質量檢驗內容如下。

（1）造型范圍：手持控制器的造型范圍包括所有造型表面及可見的定位扣，產品造型以分型線為邊界，配合螺孔不屬于造型范圍，但需給出軸線；塑件的拔模方向和反面結構的測量數據經檢驗后符合質量要求。

（2）外觀：設計后的手持控制器造型形象地表達了產品的形狀特征，各特征包括倒角和圓角半徑都清晰、準確、簡潔、流暢；沒有與產品不符的凸凹現象。

（3）精度與配合：創新設計后的手持控制器修改了原產品的外形，但大部分尺寸保持未變，孔位及配合處精度控制在0.1 mm以內，實際尺寸都已參考原樣件為準。

（4）拔模：未出現倒拔模現象，每個抽塊方向都沒有出現倒拔模現象。

（5）檢驗數據是否清理：手持控制器的設計數據和拔模線放置到了相應圖層，數據是在絕對坐標系下，除了相應需要其它數據都已清理干凈，數據名稱簡潔明了。

產品結構檢驗及CAE分析如圖11、圖12所示。

圖12 產品CAE分析

2.5 3D打印三坐標仿真測量手持器

將手持器逆向創新設計后，如果要大批量生產，可以進行開模，制作模具再用注塑的方式加工出三坐標仿真測量手持器。本文為節省經費成本，使用3D打印的方式打印出三坐標仿真測量手持器。將生成的數據模型導入到FDM桌面3D打印機，進行3D打印，打印出來的手持器產品如圖13所示。將3D打印出的手持器進行拋光處理，再噴漆后，形成的最終產品如圖14所示。手持器中間的三維搖桿是直接購買的配件，安裝后整個仿真測量手持器就完成了。

圖13 3D打印后的手持器

圖14 噴漆處理后的手持器

3 系統功能實現

本系統基于DMIS開發，提供計算機系統和仿真測量手持器之間雙向傳遞檢測數據，進行數據通信和處理，并將傳遞數據的功能存入加密狗中，加密狗內置于手持器內；通過電路設計及購買電路板安裝后，手持控制器上的三維搖桿能控制仿真測量軟件的3個空間X/Y/Z軸向移動，通過面板上的鍵盤按鍵來實現常用的測量功能，如X鎖定、Y鎖定、Z鎖定、采點、刪除點、采點確認、插入空走點的控制。

4 結束語

本文所述的基于教學的三坐標測量虛擬仿真系統適用于各類院校精密測量教學使用，主要是針對此類院校真實三坐標測量機設備較少，或防止不熟練學員撞壞真實的昂貴[7]的三坐標測量機而開發。整套系統由2部分組成，一是專門的三坐標測量虛擬仿真軟件；二是自主研發的3D仿真測量手持器。本虛擬仿真系統可以實現與真實的三坐標設備相同的測量操作功能，具有高度仿真的三坐標測量環境，可以實現被測量工件的三維模型比對、測量常用數據、評價常用公差、生成測量數據報告等功能。本系統應用于教學中，可以使教與學變得更加直觀、生動，降低經費投入，縮短教學時間，快速提高計量人員的整體水平。