面向工程应用的仿真测量机系统

王小刚，白跃伟，聂黎，刘凯

(上海第二工业大学机电工程学院，上海201209)

0 前言

坐标测量机 (Coordinate Measuring Machine，CMM)作为一种高精密测量设备，广泛应用于各种零部件的尺寸、形状及相互位置的精密测量过程中，但由于其价格昂贵，测量过程中离线测量路径的规划、模拟和准备需要大量占用机时，并且对操作环境和操作人员的要求极高，因此其实际使用成本非常高，因此业界迫切需要一种替代真实设备的仿真环境进行工程应用。

而虚拟现实技术(Virtual Reality，VR)作为一种集计算机图形学、仿真技术等为一体的高科技成果，已广泛应用于现实生活中，可以部分或全部替代真实设备，能极大地降低了设备的使用成本和操作风险。因此，近年来国内外学者在基于虚拟显示技术的交互仿真模拟系统上进行了广泛的研究。

王智利在对CAD 模型研究的基础上，建立了智能三坐标测量规划原型系统;车仁生等基于模块划分了虚拟坐标测量机(Virtual CMM)的架构，并基于OpenGL 开发了相应的原型系统;PTB 等国际机构发布了虚拟坐标测量机应用于真实CMM 设备及相关软件的不确定度的校验;李达等人基于VRML 或EON等虚拟仿真软件进行虚拟仿真，开发了相关的虚拟三坐标测量设备，应用于教学或工程培训中［1－4］。但由于相关研究成果或偏重于测量机检测规划等方法的研究，或用于相关课程教学的演示或示范，并没有与实际的CMM 坐标测量软件进行集成与交互，测量结果无法准确反映真实结果，与真实设备存在较大的出入，在工程实践与应用中，可以用于示教领域，但还是存在不足。

因此，实现与三坐标测量软件系统交互集成、基于虚拟现实技术的仿真测量系统，不但能够大大降低设备使用成本，保护昂贵的CMM 设备，还可以应用于工程实践中对CMM 操作人员培训和考核及相关教学实践中，具有重要的工程实践意义。

文中介绍了所开发的面向工程应用的仿真测量机系统，通过集成具有自主知识产权的三坐标测量软件，有机地将仿真测量机和测量应用系统集成一起，实现了工程实践中虚拟仿真应用与实际操作效果的统一。测量系统包括虚拟坐标测量设备环境的建立、运动学仿真、动态交互仿真及数据交互与集成等。

1 系统的总体框架

仿真坐标测量机将坐标测量机技术和虚拟现实技术有机地结合在一起，通过实现坐标测量机模型装配与可视化、模型运动学仿真和测量仿真等关键模块，把坐标测量机、精密测头和零件的三维实体模型放到虚拟现实的环境中，通过虚拟测头触测仿真真实环境下坐标测量机的零件测量过程。VCMM 实现了CMM可视化、测量路径规划、CMM 测量过程分析，设备操作仿真及CMM 的误差分析和补偿等功能。根据仿真坐标测量机(VCMM)的定义和CMM 的特点，提出了VCMM 的系统构成如图1 所示。

图1 虚拟测量机系统构成

该系统包括测量机建模环境、运动仿真与控制及用户交互与结果处理3 个主要框架。其中建模环境主要负责为VCMM 系统提供必要的基础环境和工具;运动仿真与控制是VCMM 运动控制的核心环境，具有可视化的运动建模、运动仿真、碰撞和干涉检测等多种功能;用户交互与结果处理是用户与VCMM 进行交互和数据交换的关键环节，能实现测量特征的选择、测量程序的生成、检测与评价方法的获取及最终检测文件的生成。

该框架具有如下主要特征:

(1)仿真坐标测量机是一个虚拟环境，实现了计算机环境中对坐标测量机的设计、装配和测量过程的仿真。

(2)框架系统数据处理与仿真环境底层采用了三坐标测量软件的底层架构，简化了虚拟样机仿真环境下构件运动误差处理的环节，CMM 测量机系统的误差仅依据实际测量系统的特征参数进行设置。

(3)在仿真坐标测量机开发环境中，仅需获取CMM 的数据和一些关键参数，就可以由用户根据自己的要求建造自己的各类模型，添加自己虚拟测量系统的功能。

(4)仿真坐标测量机特别适合做教学、示教和培训等应用环境。因为在这种情况下已不再需要购置大量昂贵的坐标测量机，更多的教学环节在仿真坐标测量机中就可以进行，在得到真实的效果的同时，也能够节省大量费用。

2 系统关键技术

仿真测量机基于ACIS 图形系统进行开发，底层采用自主开发的三坐标测量软件系统，在C + +和C#混合开发环境下实现了虚拟现实环境仿真及真实感操作交互体验。具体来说，系统通过导入商业化三维CAD 软件所建立的各类测量机、测头、测球及零件模型，通过模型压缩与转换模块，生成特定的虚拟测量机模型库、测头数据库及零件库，并建立了基本的仿真显示环境;其次通过建立虚拟测量机的运动约束和仿真方程，实现了各运动副和零部件的运动状态的仿真及运动控制与交互;最后以DMIS 测量框架为基础，实现了测量采样、测量规划等基本功能，为用户提供了真实的数据采集与测量评价体验。以下对系统的关键技术进行阐述。

2.1 特征建模、数据压缩与渲染处理

在虚拟现实系统中，三维模型是组成虚拟场景的关键，三维模型的创建是首要环节。目前主流的虚拟仿真环境所使用的三维模型都是通过商业CAD 软件建立的。该系统中三坐标测量机3D 模型，是依据HXD 544 三坐标测量机的真实尺寸，利用Pro/E 完成的。但如果直接将该模型导入到虚拟环境中，一方面3D 模型的外观颜色较为单一，与真实的设备的外观相差甚远，在视觉上远远不能满足用户的要求，另外一方面，装配CAD 模型在未压缩状态下，进行运动仿真所需的计算机硬件配置要求很高。因此，采用自主开发三维模型处理软件对测量机模型进行了模型轻量化处理，一方面提高了数据压缩率，另一方面也在保证足够真实感的情况下进行了渲染处理，系统仿真效果也较好。图2 是虚拟测量机系统的实际模型与VCMM 环境下模型的对比。

图2 真实测量机与VCMM 效果对比

渲染的好坏直接影响了虚拟三坐标机的视觉真实性，通过纹理贴图使测量机模型具有较好的光照效果，加强仿真测量机的真实感。

2.2 运动学仿真

为便于研究和实现，VCMM 进行运动学仿真建模时基于以下三种假设:装配间隙为零、制造误差忽略不计;不考虑温度引起的变形;各部件均视为刚体。与此同时，在构建过程中还要对模型进行适当的简化，如删除无关全局的零件;将零件的一些不必要特征进行隐藏;将没有相对运动的零件进行组合等处理，形成了如图3 所示的主要运动构件(用户可依据仿真复杂度自主设置零件构件数)。

图3 VCMM 主要运动构件组成

由于三坐标测量机是由3 个相互垂直的可移动X，Y，Z 坐标轴构成的，因此，根据活动桥式坐标测量机几何模型，就可以确定活动桥式坐标测量机的运动模型，即CMM 的主要运动构件包括:工作台部件、龙门部件、鞍架部件、Z 轴部件以及测头部件。活动桥式坐标测量机的运动关系为:当Y 轴移动时，立柱、横梁和测头都要作相应的平移;当X 轴移动时，只有立柱和测头需要作相应的平移;当Z 轴移动时，只有测头需要作相应的平移。运动模型建立后，就可以用平移、旋转、缩放等函数完成运动关系的表示。各部件间的约束关系如图4 所示［5－6］。

图4 VCMM 运动构件的运动约束

基于上述基本约束，建立了VCMM 的运动学仿真模块，并实现了对碰撞和干涉的识别，为测量路径的自动规划提供了仿真依据。

2.3 动态交互仿真与实现

虚拟仿真系统最主要的功能是实现替代真实设备进行人机交互，因此动态交互仿真是VCMM 系统的一个重要组成部分。

为支持快速的几何检测规划仿真控制与交互，系统通过区分仿真数据的来源，在离线模式下，主要是通过人机交互进行脱机测量仿真;在在线模式下，可以通过手动操作CMM 进行测量仿真，也可以进行设备自动驱动仿真。为保证系统在仿真控制过程中不出现高速数据缓冲及交互造成的冲突，需要将数据交互与产生过程及仿真环节进行过程分离，因此采用了图5 所示的仿真处理流程［7］。

图5 仿真动作控制流程

其中交互过程的数据产生主要由动画数据产生线程实现，测量点通过数据缓冲池进行顺序存放，仿真过程的显示主要是动画执行线程进行，缓冲池的数据实现了有序调用，仿真过程安全可靠。

2.4 数据交互与集成

由于CMM 技术的发展是独立于一般CAD、CAM技术发展的，因此，CMM 系统有自己的信息处理系统。为了直接对CMM 设备进行仿真，VCMM 系统采用了DMIS (Dimensional Measurement Interface Specification)文件格式。因此工件坐标系建立、特征定义、测量公差及检测报告结果的输出都是直接以DMIS 零件程序为基础［8］。

CMM 硬件系统、CAD 系统及测量软件之间的数据转换流程如图6 所示。

图6 测量系统间数据转换流程

DMIS 支持的几何特征及公差信息包括点、线、复杂曲线、圆(椭圆)、圆柱(圆锥)、球和尺寸公差、形状公差、跳动公差、方位公差及定位公差等，全面覆盖了高精度测量的要求。采用DMIS 作为数据传输交互与集成的关键环节，将数据运算转移到测量软件端，一方面能减少运动建模的工作量，另外一方面也降低了采用ADAMS 等运动仿真软件进行虚拟建模时进行误差建模的难度［8］。

3 VCMM 系统的实现

VCMM 测量系统采用图7 所示的仿真工作过程。VCMM 测量机装配模型和数据交互是实现动态仿真的关键。

图7 VCMM 系统的仿真工作过程

在VCMM 模型装配环节，基于优化后的三维模型，基于约束和特征关系，进行装配，并抑制了无需显示的特征，形成了VCMM 系统的基本单元，主要实现了建立机座、工作台、桥架、横梁、主轴架、测杆与测头等三坐标测量机主要部件的模型(模型仿真效果见图3)。

在数据交互环节，系统为了和真实的三坐标测量机在操作上相似，因此采用操纵杆的控制方式来对虚拟三坐标测量机的运动进行控制。基于普通的游戏手柄或键盘分别控制测量探针、探针座和横梁的移动，此时就可用操纵杆控制虚拟三坐标测量机的运动。

在脱机或联机模式下，测头探针在虚拟环境下移动，当触针接触到被测模型后，发生碰撞提示，并记录下该点的坐标值。VCMM 作为服务器端程序，基于连接的客户端/服务器模型即流套接字编程模型实现向DMIS 测量软件端发送数据，测量软件进行演算和精度分析。图8 和图9 分别是VCMM 与测量软件进行测量仿真的实际效果演示。

图8 VCMM-测量软件的应用交互

图9 实际应用效果展示

4 结束语

仿真坐标测量机是一种数字化软件产品，是虚拟制造的重要组成部分。研究利用DMIS 构建虚拟设备交互的仿真系统，可以进一步提高离机编程的效率，减少测量程序错误检查和仿真运行时所占用的大量机时，还可用于坐标测量机的技术培训或训练，以及新型坐标测量机的设计、研究和仿真等领域，因此，仿真坐标测量机的研究具有较强的理论意义和广阔的工程应用前景。

［1］黄劲．三坐标虚拟测量及重构技术的研究［D］．武汉:武汉理工大学，2005．

［2］车仁生，林伟国，黄庆成．仿真坐标测量机的体系结构及功能模型［J］．哈尔滨工业大学学报，2000，32(2):32－35．

［3］WU Qiuxuan，CAO Guangyi．Motion Simulation and Experiment of a Novel Modular Self-reconfigurable Robot［J］．Journal of Southeast University，2006，22(2):185－190．

［4］娄燕．采用Eonstudio 技术建立虚拟三坐标测量机的研究［J］．工程图学学报，2011，32(1):76－82．

［5］刘振宇，傅云，谭建荣．基于仿真组件的数字样机运动模型构建与重用［J］．机械工程学报，2009，45(10):118－124．

［6］李金华．基于EonStudio 的模具拆装虚拟实验系统研究与开发［J］．制造业自动化，2013，35(3):3－5．

［7］白跃伟，魏双羽，刘凯，等．精密几何测量软件运动学仿真模块的设计与实现［J］．测试技术学报，2010，24(6):109－112．

［8］李海．I + +DME 在三坐标测量机系统开发中的应用［D］．成都:电子科技大学，2009．