（测试计量技术及仪器专业论文）高精度非球面测量运动仿真系统软件技术研究.pdf

厦门大学硕士论文摘要 摘要 在非球面工件加工中，精度是关键，高精度必然要求高效的非球面测量系统。 与非球面测量系统比较而言，使用软件对该系统的运动进行模拟，虽然在 测量数据的精度方面还有待提高，但已能够模拟出其各项运动控制功能， 还具有使用简便，经济实用的优点。 根据测量运动仿真系统的开发要求，通过对几种常见的面向对象编程 语言的对比，以及对几种常见的3 d 图形开发工具的对比，找出了适合开 发测量运动仿真系统的技术平台。并完成了控制界面框架和o p e n g l 编程 框架搭建。 对3 d 模型的规范化和显示问题进行了探讨，其中3 d sm a x 法是在本测 量运动仿真系统的开发过程中，总结出来的一种较为简捷方便的3 d 模型 规范化方法；阐述了3 d s 文件导入o p e n g l 框架的一般方法，并着重研究了 如何综合使用o p e n g l 中模型、视点和投影变换，来正确的显示3 d 模型。 0 p e n g l 中3 d 模型的控制方法常见的有三种：层次化控制、基本控制 函数以及运动间隔控制。通过对这三种控制方法的研究，解决了如何对模 型的各部分进行分别控制的问题，如何达到各种各样的控制效果的问题， 以及如何进行运动时间控制的问题。并且，文中对各个控制功能块的开发 实现，进行了详细的阐述。 通过对测量运动仿真系统进行的测试和结果分析，可以看到该系统的 设计目标己基本达到，实现了对非球面测量系统设置原点坐标的模拟、对 非球面测量系统所有运动控制功能的模拟和对非球面测量系统的实时同 步模拟。 关键词：运动仿真；系统；3 d 模型 厦门入学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t d u r i n gp r o c e s s i n ga s p h e r i cw o r k p i e c e s ，t h ek e yi s t h ep r e c i s i o n h i g h e rp r e c i s i o n c e r t a i n l yn e e d sm o r ee f f i c i e n ts y s t e mf o ra s p h e r i cm e a s u r e m e n t w ec a nu s et h e s o 行w a r et os i m u l a t et h em o v e m e n to ft h es y s t e m c o m p a r i n gw i t ht h es y s t e mf o r a s p h e r i cm e a s u r e m e n t t h o u g hi ti sam e t h o dt h a tn e e d st oi m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h e d a t a i tc a ns i m u l a t ek i n d so fc o n 仃0 1f u n c t i o n s a n dt h em e r i tl i e so nt h ec o n v e n i e n c eo f u s i n gi ta n dt h ee c o n o m i z a t i o no fd e v e l o p i n gi t a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p i n gr e q u i r e m e n to ft h em e a s u r i n gm o t i o ns i m u l a t i o n s y s t e m ，t h ea u t h o rc o m p a r e ss e v e r a lf a m i l i a ro b j i e c to r i e n t e dp r o g r a m i n gl a n g u a g e s a n dt o o l sf o r3 df i g u r e d e v e l o p i n g ，a n d f i n d st h eb e s t a p p r o p r i a t e t e c h n i c a l b a s e m e n t 。砀ef r a m e so ft h ec o n t r o li n t e r f a c ea n dt h eo p e n p r o g r a m m i n ga r ea l s o b u i l t t h es t a n d a r d i z a t i o no ft h e3 dm o d e l sa n dt h ep r o b l e m sd u r i n gd i s p l a y i n gt h e3 d m o d e l sa r ed i s c u s s e di nt h et h e s i s u s i n g3 dmaxt om a k es t a n d a r d3 dm o d e l si sa c o n v e n i e n tm e t h o dw h i c hi ss u m m a r i z e dd u r i n gd e v e l o p i n gt h em e a s u r i n gm o t i o n s i m u l a t i o ns y s t e m t h ec o m m o nw a yt ot r a n s m i tt h e3 d sf i l e st ot h ef r a m eo ft h e o p e n g lp r o g r a m m i n g i s e x p l a i n e d ，a n d h o wt o s y n t h e t i c a l l y u s et h e m o d e l t r a n s f o r m a t i o n ，t h ev i e w p o i n tt r a n s f o r m a t i o na n dt h ep r o j e c t i o nt r a n s f o r m a t i o nt o d i s p l a yt h e3 dm o d e l sc o r r e c t l yi st h ee m p h a s i z e dp a r t t h e r ea r et h r e ef a m i l i a rw a y st oc o n t r o l3 dm o d e l si no p e n g l ：h i e r a r c h i c a l c o n t r o l ，u s i n gb a s i cf u n c t i o n st oc o n t r o la n dc o n t r o l l i n gt h ed i s t a n c eo ft h e m o v e m e n t t h r o u g hs t u d y i n gt h et h r e ec o n t r o lw a y s ，s e v e r a lp r o b l e m sa r es o l v e d ，s u c h a sh o wt oc o n t r 0 1t h ed i f f e r e n tp a r t so ft h em o d e lr e s p e c t i v e l y , h o wt oo b t a i nd i f f e r e n t c o n t r o le f f e c t a n dh o wt oc o n t r o lt h et i m eo ft h em o v e m e n t t h ed e v e l o p i n go fe a c h c o n t r o lm o d u l ei se x p a t i a t e do n t h er u n n i n go ft h em e a s u r i n gm o t i o ns i m u l a t i o ns y s t e ma n dt h ea n a l y s e dr e s u l t s h o wt h a tt h ep l a n e da i mo ft h es y s t e mi sa c h i e v e d r e a l i z i n gt 1 1 es i m u l a t i o no fs e t t i n g t h ec o o r d i n a t e so ft h eo r i g i na n dt h es i m u l a t o no fm o t i o nc o n t r o lf u n c t i o n si nt h e s y s t e mf o ra s p h e r i cm e a s u r e m e n t a n dt h er e a l t i m es i m u l a t i o nw i t ht h es y s t e mf o r a s p h e f i cm e a s u r e m e n ti sa l s oc o m p l e t e d k e y w o r d s ：m o t i o ns i m u l a t i o n ；s y s t e m ；3 dm o d e l s 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本人在 论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方式标明。 本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人。：豫午 l础年岁月谚日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有权保留 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，有权将学位论文用 于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的 内容编入有关数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的 学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 保密( ) ，在年解密后适用本授权书。 2 不保密( 、) ( 请在以上相应括号内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：九尹g 年厂月m 日 日期：牌广月7 日 厦门大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 非球面及其测量技术 1 1 1 非球面简介 所谓非球面，是指面形由多项高次方程决定、面形上各点的半径均不 相同的表面。非球面属于特殊表面，具有许多独特的性质，例如二次曲面 在恰当的共轭位置没有球差。将非球面用于光学系统中，能够减少系统中 光学元件的数量，或者能提高成像质量。 随着光学精密加工的发展，非球面越来越广泛地应用于各种光学系统 中，如高品质的照相机、摄像机、各种光学测量仪器、扫描仪等。尤其是 天文领域，大型的天文望远镜主要是由非球面镜构成。非球面的应用所遇 到的困难主要是非球面的加工，随着现代光学加工技术的发展，现在可以 加工出高品质的非球面镜。尽管目前发展出多种非球面的检测技术，但对 于某些形式的非球面仍然不能有一个行之有效的测量方法，例如远紫外区 投影光刻机，需要所有的光学元件都是反射的，但没有任何反射材料能够 被应用在小于1 0 0 n m 的波段内，反射系统如果严格地满足成像要求，就需 要许多空间紧密连接的光学元件，而这种想法在反射光学系统中是不能实 现的，因为多重镜面会彼此制约并产生各种缺陷，这就使设计人员不得不 设计表面形状更加复杂的非球面。但是，用现有的干涉方法检测偶次薄非 球面都不容易。因此，非球面的检测技术是制约非球面发展的主要因素。 1 1 2 非球面测量 在非球面测量研究中，需要讨论非球面的一些几何性质和参数，这些 是为了选择最适当的测量方法。非球面测量用到的参数有：非球面顶点曲 率半径、孔径、纵向法线象差和法线与光轴倾角的关系、与最接近比较球 面的偏离量、非球面度、非球面度梯度。 目前一般的非球面测量技术可以分为两大类，即零位补偿测量法和非 零位补偿测量法。 零位补偿测量法是用合适的补偿器，补偿非球面产生的非球面波前， 厦门大学硕上论文第一章绪论 使补偿后的波前成为平面波和球面波，然后和参考波进行干涉，其干涉结 果显示出非球面的面形偏差。零位补偿测量中最重要的光学部分是补偿 器，补偿器可以是透视的和衍射的。零位补偿测量是一种测量精确度很高 的方法，而且补偿器可以比被测非球面小很多，因此，现在被广泛地应用 于大口径非球面的测量中。这种测量方法的缺点是每一套补偿器只能测量 一种类型的非球面，而且零位补偿器的设计、制作和安置都会限制测量精 确度。 非零位补偿测量法包括干涉测量法和非干涉测量法。非零位测量可以 用几何方法测量，同干涉测量法相比，测量的精确度要低。而且干涉测量 与非干涉测量法相比，最主要的优点是计算方法非常容易，仪器结构简单， 但干涉测量法不如非干涉测量法灵活。非零位干涉测量法也存在着不可避 免的缺陷一干涉条纹的密度和共路假设的缺陷，而且，即使被测非球面完 美地匹配理想非球面，其干涉条纹也不是直条纹，因此，非零位补偿干涉 测量的精度不如零位补偿的精度高。 由于不可避免的缺陷，使得以上所提的两种测量方法没有一种能够真 正满足非球面的测量需要。因此，需要种灵活、简便、精密度高的测量 技术测量非球面。 2 0 世纪6 0 年代出现了计算全息技术，应用于非球面检测至今也已有 3 0 多年。目前计算全息主要用于旋转对称非球面的测量，这种技术最大的 优点在于可以模拟任意一种波前，几乎能像测量旋转对称非球面那样很容 易地测量任意面型的光学元件。由于计算全息在非球面测量方面的卓越能 力，它越来越多得受到光学制造人员的青陕。 随着对非球面越来越广泛的应用，对非球面的测量尤其是深度非球面 的测量，是科技工作者不断研究和深入探讨的问题。 1 2 运动仿真技术 1 2 1 计算机仿真简介 运动仿真技术实际上属于计算机仿真的范畴，所谓计算机仿真是指通过对所 研究系统的概化和抽象，抽取其中基本要素的关键参数，建立与现实系统相对应 的模拟模型，并借用计算机技术编制程序，对该模型进行模拟，以模仿实际系统 厦门大学硕上论文第一章绪论 的运行过程，观察系统状态变量随时间变化的动态规律性，通过数据采集和统计 分析，得到被模拟系统参数的统计特性，为实际系统的设计与运行提供依据。其 中，模拟模型是对实际系统的一种抽象、本质的描述，它是在一定假设条件下对 系统的简化，包含了反映各主要因素之间的逻辑关系和数学关系，并对实际系统 具有代表性。 计算机仿真( s i m u l a t i o n ) 概念起源于2 0 世纪4 0 年代，由控制论创始人之一 冯诺依曼最先提出，它是利用电子计算机对所研究系统的结构、功能以及参与 系统运行的人的活动行为进行模仿的过程，故通常又称为模拟。由于受计算机技 术的局限，早期的计算机模拟主要表现为利用m o n t ec a r l o 方法求解随机过程问 题，应用范围也只限于控制工程等少数领域。2 0 世纪6 0 年代，计算机模拟技术 得到较大发展，突出表现在模拟语言s i m s c r i p t 和g p s s 的开发应用，以及权威 刊物s i m u i a t i o n 的出版，应用领域也有所扩展。近1 0 年来，随着计算机软硬 件技术的突飞猛进，计算机模拟技术也得到迅速发展，它与管理信息系统、决策 支持系统、人工智能、计算机图形学以及各专业领域的专门知识相结合，极大地 丰富、完善了自身内容，形成当今技术发展的一个热点，其应用范围也普及到人 类科学研究的各个领域。 根据仿真所用的计算机类型的不同，可以将计算机仿真分为模拟计算 机仿真、数字计算机仿真和混合计算机仿真三种基本类型。模拟计算机由 许多运算放大器组成模拟解算装置，由它进行的仿真称模拟计算机仿真， 这种计算机仿真在早期曾经是主要的仿真工具，但现在己很少使用。采用 数字计算机进行的仿真称为数字计算机仿真，数字计算机不仅能快速地解 算常微分方程，同时还可解算其他形式的复杂的数学方程和具有逻辑判断 能力。由于数字计算机的飞速发展及硬件价格的降低，当前数字计算机已 成为最主要的仿真工具。混合计算机是一种将模拟计算机与数字计算机通 过一套接口组合在一起的混合计算机系统，采用它进行的仿真称为混合计 算机仿真，由于造价昂贵，只限于在航空航天等部门使用，在一般民用部 门很难推广。本课题所使用的计算机仿真类型属于数字计算机仿真。 1 2 2 运动仿真简介 运动分析主要有两种方法：图解法和解析法。随着科学技术的发展， 厦门大学硕士论文筇一章绪论 图解法已经很少用，解析法和计算机仿真技术、计算数学等相结合，逐渐 形成了计算机运动仿真技术。所谓运动仿真，就是采用计算机仿真的方法， 对物体、机构或系统进行运动状况的模拟，可以包括位移分析、速度分析 和加速度分析等部分的内容。 用计算机进行运动仿真的基本步骤可以分为： 1 、建立数学模型。要用计算机对一个系统进行运动仿真，必需根据 所研究系统的复杂程度和运动仿真研究的目的，将实际系统抽象成数学模 型。 2 、模型变换。建立数学模型以后，根据计算机的类型将数学模型转 变成适合计算机处理的形式，即仿真模型。 3 、模型试验。把仿真模型装载，使之在计算机上运转起来，并记录 模型中各个变量的变化情况及仿真结果。 1 3 论文研究的主要内容 本论文基于一个高精度非球面测量系统，该系统的结构特点将在第二 章中介绍，为该系统开发测量运动仿真系统。本论文主要做了以下几个方面 的工作： 第一章，介绍非球面的定义、用途、发展以及制约非球面发展的主要因素； 非球面测量的参数、方法及发展趋势；计算机仿真的定义、发展及分类： 运动仿真技术的方法和基本步骤；概括本论文所作的主要工作和研究的主要 内容。 第二章，介绍高精度非球面测量系统的硬件结构，包括各组成部分的 技术要求和参数；高精度非球面测量系统的软件结构，包括界面菜单设置 和实现的功能；高精度非球面测量系统的研究内容，包括非球面加工和检测 方面的技术难点、硬件结构的控制方式以及对硬件和软件结构的要求。 第三章，较详细的阐述测量运动仿真系统控制界面设计。从开发条件、 编程语言选择以及3 d 图形开发工具三个方面，阐述了该系统技术平台选 定的基础、要求以及需要实现的功能。按照搭建控制界面的步骤，阐述了 基于m f c 单文档界面的控制面板建立和静态窗口分割。阐述o p e n g l 编 程框架设计的步骤，并介绍各功能函数。 4 厦门人学硕士论文第一章绪论 第四章，详细阐述了测量运动仿真系统3 d 建模及数据处理。从3 d 模 型的存储格式和3 d 模型的规范化，阐述了对3 d 模型的处理；从3 d s 文件 的读入、存储3 d s 模型的数据结构、纹理贴图以及对功能函数的完善，阐 述了3 d s 文件导入o p e n g l 框架的一系列问题。介绍o p e n g l 中模型、视点 和投影变换，并给出了正确显示模型的一般方法。 第五章，详细阐述了测量运动仿真系统模型控制技术。从层次化控制、 基本控制函数以及运动间隔控制三个方面，阐述了o p e n g l 中3 d 模型的控 制方法，并且详细阐述了缩放旋转控制块、步长速度选择运动控制块等5 个控制功能块的开发实现。 第六章，对软件进行测试，并对结果进行分析。介绍了软件的运行情 况和运行结果，并分析了其误差来源，提出了进一步完善的方向。 第七章，从仿真系统建模、仿真系统体系结构以及仿真系统的应用方 面，对仿真系统的发展做了展望。 厘lj _ 、 砸i 论文第一轱# 球h 系* 构 第二章高精度非球面测量系统结构 21 高精度非球面测量系统硬件结构 非球面测量系统的主体结构， 二要有花岗石摹碰、花岗石桥架、防扩 罩、接触式4 感器，激光化移传感器、超声波直线电机、运动控制卡、x t 作台部件、y 工忭台部件等，如图2 一】所示： 殛 图2l 非球面测量系统的主体结构 非球而测量系统要求有效的减振，整个平台被放置在先气减振台上。 为了有效的调整平台的水平，需耍精度较高的水平仪来进行测量，尹且在 花岗岩基座底部设有6 个锥形的支撑架，用于调整平台的水平。防护罩可 以起到防尘的作片j ，日时易于保证非球面测量系统周围的温度丰甘对恒定。 t t l 于花岗劣材料内应山小，稳定性高，制性犬，热膨胀系数小，用来制作 非球面测晕系统的罐座和桥架，可提供个良好的参照面【”。 接触式传感嚣采用he 1 d e h a t n 公刮的c t 6 0 0 】，配合n d28 l b 型 测量值显示仪，可以显示出检测的数值，如巨2 - 2 所不。c t 6 0 0 1 由马达驱 动，精度为0 1um ，线性误差补偿后可以达到o0 5u m 的超高精度， 测餐范围0 至6 0 r a m ，推荐测量步距为00 iu m 或00 0 5u m 。n d2 8 1 b 型 测量值显示仪片j 于妊度和角度的显示，在该检测系统中，丰要用十长度碌 厦n 上学硕论i第一璋高档度# 球面测* 摹统结构 示，信号周期为0 1 2 8ur i l 至1 2 8 0 0u i l l ，细分倍数最高达1 0 2 4 倍，显示 步距00 0 0 0 0 l m m 争05 m m ，并且可以9 位数字和代数符号，以及极值、 差值和实际值。 图2 - 2c t 6 0 0 1 接触式传感器和n d2 8 1 b 型测量值显示仪 非接触式传感器采用k e y e n c e 公司的l k g 15 型激光位移传感器， 如图2 - 3 所示。该传感器可以在半导体、电子和l c d 榆测方面都有广泛应 用例如检测硅芯片厚度的小规则性、测量h d d 的偏摆和扫描液晶表面 等，具有5 0 k h z 的超快速度，00 3 的超高精度和00 1hm 的超高解析 度。 图2 - 3l k g 1 5 型激光位移传感器及其显示仪 在需要直线运动的装置上，采用直接驱动的直线电机将优于旋转电机，由于 省去了运动变换机构，可以提高控制精度。而超声波电机低速性能好，可以将 转速调节到零，不需要附加制动器，机械时间常数小，快速性能好，没有磁场和 电场，无电磁干扰和电磁噪声。故在该非球面测量系统中，使用了一种兼具直线 电机和超声波电机优点的超声波直线电机一压电陶瓷马达i ”。 运动控制卡采用美国g a l l l 公司出产的d m c 一1 8 4 2 型，如图2 4 所示， 它是四轴步进伺服控制 ，虽然在非球面测量系统巾没有用到所有的轴， 但是给以后的改进完善工作留f 了扩展空间。该控制卡采用p c i 总线脉 厦r 学硕i 论女第一高精鹰非球测越系统# 构 冲输出频率3 m h z 有四路编码输入口，8 入8 出i 0 点，最小伺服更新牢 】2 轴为12 5 微秒，3 4 轴为2 5 0 微秒。 圈24d m c 1 8 4 2 型运动控制卡 x 工作台部件实际上指的是固定在桥架上的用以放置传感器的可移 动式平台；y 工作台部件指的是固定在基座上的，用于放置待测对象的可 移动式平台。 2 2 高精度非球面测量系统软件结构 非球面测量系统的控制软件，是基于运动控制卡的控制函数，使用 m i c r o s o f t v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 做为开发甲台，结台m a t l a b 的数学分析功能， 制作而成。可以使用接触式传感器直接检测对象，或者使用激光位移传感 器，采用镜面反射或漫反射的方式，对普通物体、透明物体、半透明物体、 多面反射体等进行检测。该控制软件的界面如图2 - 5 所示。 图2 5 非球面测量系统控制软件 主界面分为菜单区、工具条区、数据图形显示区和运动坐标显示r4 厦 太学硕论女第= 自高精度非球面删量系统结构 个主要部分。工具条区主要是一些常用功能的快捷图标，比如数值显示、 图形显示、手动操作等。主要的功能还是集中于菜单区，当然文件、编辑、 帮助菜单是与诸多的应用软件类似的，就不再赘述了，使用“系统仿真” 将调用本课题所开发的运动仿真软件，对检测平台的运动状况进行模拟仿 真。“数学分析”、“设嚣”和“操作”下的子菜单，如图2 - 6 所示。 陌日 障i 瓣订赢疆；f 邕釜 h 而 i 黑_ j 2 器”b 面黼度分析 。实际零件璺形 l r 运自卡 l _ 圆形 图2 - 6 “数学分析”、“设置”和“操作”下的子菜单 “数学分析”中“面形参数”可以设置一些参数如图2 7 所示，根 据这些参数生成面形，在“图形显示”中，就可以显示“设计的图形” 当然也可以显示“实际零件图形”；“面形精度分析”将调用m a t l a b 的分析 模块进行运算。 图2 7 面形参数设置 “设置”中“传感器”可以选择使用接触式传感器或激光位移传感器 并相应的设置+ 些选项，如图2 - 8 所示；“运动卡”将设置运动控制卡的 学埘论女 第章高精度非球面“h 系统结抟 些控制参数，如图2 - 9 所示 图2 - 8 传感器设置 图2 - 9 运动控制卡设置 “操作”中“顶点查找”可以通过一些= ! | ! c 量参数的设定，找到检测表 面的顶点，女i 】图2 - 1 0 所示：“测量”则_ 口j 以设置检测方式是按“矩形”还 是“圆形”检测：“手动操作”将手动移动x 、y 、z 轴向各部分的位置， 如图2 1 1 所示。 厦大学硕论文第= 4 高精度非球面测量系统镕构 图2 1 0 顶点查找设置 雹墨日 i 一萤圆回国 i 鱼* 口曰 囤誊 k = 。墨网口国三三 图21 1 手动操作界面 2 3 高精度非球面测量系统研究内容 非球面镜作为一种高性能光学元件，其应用领域日益扩大，需求h ：断增加。 目前，非球面镜虽然广泛应用于航天、航空、天文、电子、激光以及光通信等领 域，但是长期以来，非球面加工和检测方面的问题未能得到很好的解决。在非球 面的加工过程中，由于砂轮的形状精度、尺寸精度及机床误差的影响，实际加工 无法完全按照理想加工曲线加工。而非球面工件加工中精度是关键，要想提高非 球面工件的加工精度，除了选择高精度、高刚度的加工设备外，还需要多次检测 所加工的工件曲面，进而进行补偿加工。为了得到高精度的成品，提高检测的精 确性，高效的非球面测量系统的构建成为必要条件之一。 硬件结构方面，要求测量精度高、速度快、功能强。非球面测量系统采用集 厦门大学硕- 上论文第_ 章高精度非球面测最系统结构 中控制方式，如图2 - 1 2 所示。由计算机控制四轴运动控制卡，驱动压电陶瓷马 达沿着直线导轨移动工件和位移传感器到达指定位置，光栅尺位移转换成电脉 冲，通过运动控制卡的计数器累计计数后可得到三轴坐标位置，再经p c i 总线传 给计算机，同时通过u s b 和串行通讯口把位移传感器的测量数据传递给计算机， 从而完成一个空间点的测量。 四 一非鬻移 轴 、一 廷 计 动 算 控机 一接罄意釜移 制 卡 图2 - 1 2 硬件结构集中控制方式 软件结构方面，要求操作方便，实时性强。非球面测量系统的控制软件，采 用了界面友好的菜单式图形界面，用户只需通过点击菜单，设置各种参数，就可 以完成相应的测量任务、数据处理和图形显示等诸多功能，十分方便。在软件中， 测量数据可以实时的显示出来，用户通过参数的修改，也可以实时改变各轴工作 平台的运动状态，而且，还可以形象直观的显示非球面的二维或三维图形，达到 了很强的交互性。同时通过对离散采样的数据点的集合，用一定的数字模型进行 计算处理，并进行统计分析、误差补偿等。 2 4 本章小结 本章主要是对高精度非球面测量系统的介绍，包括硬件结构、软件结 构和研究内容。硬件结构的各组成部分，分别予以说明，包括其技术要求 和参数：软件结构方面，介绍了控制软件的界面布局和菜单构成，并侧重 于说明其实现的功能；研究内容方面，说明了非球面加工和检测方面的技术 难点，以及该难点的产生原因，并根据对硬件的要求，阐述了硬件结构的控制 方式，根据对软件结构的要求，阐述了控制软件的设计原则和功能。 1 2 厦门大学硕上论文第三章测量运动仿真系统控制界面设计 第三章测量运动仿真系统控制界面设计 3 1 技术平台选定 3 1 1 开发条件 开发这一运动仿真系统，始终贯彻着实时控制的理念，设计良好的人 机互动界面。用户界面，特别是图形用户界面，承担着向用户显示问题或模型、 与用户进行交互操作、与i 0 进行交互的作用。为了达到更好的交互控制的目 的，需要使用面向对象的编程语言。这种编程语言刻画客观系统较为自然， 是对人类认识世界方法的模拟，并具有更高的抽象化，可以帮助程序员组 织程序结构，从整体上进行结构控制，还便于软件的扩充【4 】。 在开发工程中，会涉及到w i n d o w s 设备的问题，所以编程语言要能用 于w i n d o w s 底层开发，需要极好的兼容性和稳定性，与设备具有良好的接口。 从底层进行开发，优点是能够实现用户的个性化需求，满足计算机通讯的实时 性，适用于对实时性有严格要求的软件系统。 由于程序要实现对3 d 模型的绘制和控制，就需要一个性能优越的3 d 图形开发工具，而且该工具和使用的编程语言要有紧密的接口，具有广泛 的可移植性，能够独立于硬件系统、操作系统和窗口系统。 另外，编程语言还要具有良好的兼容性，能够调用其他语言编写的功 能程序。很多时候，单纯使用一种编程语言是不能或者不好解决所有的问 题的，而使用其他语言可以方便的实现某些功能，这时如果主语言能够兼 容辅助语言，那么就能够调用辅助语言的程序，省时省力得解决问题。 3 1 2 编程语言选择 v c + + 、v b 、j a v a 和d e l p h i 是如今最为常见的几种面向对象的编程 语言。下面对这几种语言进行比较，以选择出开发本运动仿真系统的适当 语言平台。 首先，就开发图形用户界面而言。开发图形用户界面不是j a v a 的本 行，j a v a 的应用主要是在网络方面。而用v c + + 进行图形用户界面开发，较 v b 和d e l p h i 而言，显得比较麻烦，初学者如果不深入学习，开发出一个 厦门大学硕上论文 第一章测量运动仿真系统控制界面设计 简单的界面都成问题。v b 和d e l p h i 由于具有许多功能控件和直观的界面 设计，使得初学者也很容易上手。如果你写传统的w i n d o w s 桌面应用程序， v c + + 是“正统”的选择；如果界面部分占这个应用程序代码比例较大的话，或者 v b 和d e l p h i 中有相关功能的控件的话，v b 和d e l p h i 是事半功倍的选择。 再者，就底层开发而言。v c + + 是最好的选择，它直接调用a p i ，可进 行d d k 编程，可深入r i n 9 0 编程，可嵌套汇编。j a v a 虽然推出了j i n i 规范，但 不能对不支持j i n i 的设备编程，眼下并不实用。如果你为企业开发数据库、信 息管理系统等高层应用，而且有比较紧的期限限制，选d e l p h i 比较好。传统的 观点是，d e l p h i 适合编写i n t e r n e t i n t r a n e t 、表格制图、数据库操作、高级用 户界面等等，v c + + 适合编写设备驱动、c o m 服务程序、科学计算、控制台( c o n s o l e ) 程序、w i n c e 的应用和一些小的工具等等。v b 在进行系统底层开发的时候，相较 v c + + 就显得复杂了，它调用a p i 函数需声明，调用不方便，不能进行d d k 编程， 不可能深入r i n 9 0 编程，不能嵌套汇编。 还有，就与3 d 图形开发工具的接口而言。比+ + 和很多常用的3 d 开发 工具有着紧密的接口，它可进行d i r e c ta p i 编程，调用0 p e n g l 比较方便，自带 丰富的图形图像处理类，使用不方便但功能强大。v b 可进行d i r e c ta p i 编程； 调用0 p e n g l 很不方便，自带少量图形图像处理控件，使用方便但功能一般。j a v a 很难调用d i r e c ta p i 和0 p e n g l ，但能和j a v a3 d 配合使用，使得原来只能在 单台计算机上看到的三维图形可以通过i n t e r n e t 显示在浏览者的浏览器上，它 自带相当丰富的图形图像处理组件及类，使用不方便但功能强大。由于0 p e n g l 驱动在w i n d o w s 平台上成为d l l 的形式，自从d e l p h i 能够使用任何d l l 开始， 它对0 p e n g l 的使用也变得方便了，但是比较难调用d i r e c ta p i 。 最后，就兼容性而言。大体来说这几种编程语言都可以找到方法互 相调用。v c + + 、v b 和d e l p h i 可以通过d l l 文件互相调用，j a v a 可以通 过j n i 标准和其他语言写的代码进行交互。 从上面的比较可以看出，v c + + 虽然在图形用户界面开发方面有一定 不足，但是它在兼容性上和其他语言差不多，在底层开发和与3 d 图形开 发工具的接口方面具有一定优势。本课题中图形用户界面并不复杂，v c + + 完全可以胜任。所以在本课题中采用v c + + 进行编程开发6 1 。 1 4 厦门大学硕士论文第三章测量运动仿真系统控制界面设计 3 。1 33 d 图形开发工具比较 常见的3 d 图形开发工具有s g i 公司的o p e n g l ，a p p l e 公司的q u i c k d r a w3 d ( q d 3 d ) ，m i c r o s o f t 公司的d i r e c t 3 d 以及s u n 公司的j a v a3 d 。 o p e n g l 可独立于操作系统和硬件环境的三维图形库，它实际上是一个 开放的三维图形软件包，具有强大的图形功能和跨平台能力，可以实现逼 真的三维绘制效果，建立交互的三维场景，作为事实上的图形标准，而被 人们广泛应用于模拟仿真等诸多领域。许多计算机公司已经把o p e n g l 集 成到各种操作系统中，包括u n i x 和w i n d o w s 2 0 0 0 x p 2 0 0 3 等。由于o p e n g l 可以与v i s u a lc + + 紧密接口，可保证有关算法的正确性和可靠性，将两者 结合使用，成为人们开发三维图形系统的常用方法。事实上m i c r o s o f t 在 v i s u a lc + + 2 0 以上版本中内置了o p e n g l ，这更为o p e n g l 在个人计算机 上的应用创造了有利条件。 与q d 3 d 和d i r e c t 3 d 相比，o p e n g l 不是一个高级的应用程序接口。它的目 标是绘制对象，而像对象编辑和文件i o 等高级任务则由应用程序来做。o p e n g l 为低级绘制引擎提供了一个平台无关的接口。o p e n g l 采用客户机n 务器机制来 完成图形处理，支持立即模式和驻留模式的图形操作，可以处理多个线程，每个 线程管理一个独立的窗口。相应地，在一个窗口之内多个线程可以共同协作完成 一个图象处理工作。 d i r e c t 3 d 为程序员提供了一个显示三维图形的与硬件无关的应用编程接 口，它同时也提供了一种机制，一个应用可以通过这种机制进入系统中的任何图 形加速硬件。由于它提供了对三维图形的o s 级支持同时又将硬件从接口分离， 产生三维图形的应用程序便可运行于更广泛的桌面计算机上。d i r e c t 3 d 能支持 跨平台操作，能对w i n d o w s9 5 ，w i n d o w sn t ，p o w e rm a c 等提供支持。 d i r e c t 3 d 由许多c c + + 头文件和基于组件对象模型( c o m p o n e n to b j e c t m o d e l ：c o m ) 的接口组成，支持立即模式和驻留模式的操作，编程者可以在v c + + 和v b 中访问d i r e c t 3 d 的调用。 q d 3 d 是一个完整的三维图形环境。开发者可以使用其最高层的a p i 产生和 操作三维对象，对文件进行三维数据的读写操作。0 d 3 d 支持立即模式和驻留模 式，其立即模式与o p e n g l 相同，都需要应用向绘制处理器提供画图命令。q d 3 d 厦门大学硕士论文 笕三章测量运动仿真系统控制界面设计 与o p e n o l 最大的不同点在于它是面向对象的图形系统。一个对象的新实例能从 其类中继承特征，这些特征包括几何、尺寸、方向、颜色、纹理以及光照，从而 可以快速建造一个场景的对象，它同时也简化了用于操作和显示的每个对象的信 息的维护。同o p e n o l 一样，q d 3 d 是一个与平台无关的图形a p i 。 j a v a3 d 是面向i n t e r n e t 的三维动画程序语言。它是一种能够帮助用户实 现网络时代三维梦想的强力工具。通过在网页上插入用j a v a3 d 编写的a p p l e t ， 就能让浏览网页的用户感受到逼真的三维动画效果。目前j a v a3 d 已经广泛应用 于科学计算可视化、教育、机械设计、地理信息、医学等诸多领域。 可见，j a v a3 d 主要面向网络应用，而不适合本课题；d i r e c t 3 d 更适用于 3 d 游戏的开发和硬件加速；由于在课题中使用v c + + 6 0 作为编程开发平台 o p e n o l 与q d 3 d 相比，有更加紧密的接口，可保证有关算法的正确性和可靠性， 所以在本课题中使用o p e n o l 这一3 d 图形开发工具，另外本课题使用的操作 系统是w i n d o w sx p 。 3 2 基于m f o 编程的控制界面设计 m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc 1 a s s e s ，简称m f c ，是一个微软公司提供的 类别库，以c + + 类的形式封装了w i n d o w s 的a p i ，并且包含一个应用程序 框架，定义了应用程序的轮廓，并提供了用户接口的标准实现方法，目的 就是让程序员在此基础上来建立w i n d o w s 下的应用程序。使用m f c 可以创 建基于单文档界面( s d i ) 或者多文档界面( m d i ) 的应用程序，单文档界 面是指允许用户一次只能使用一个文档的用户界面结构。 很多文献中提到了基于w in 3 2a p d iic a t io n ( w i n 3 2 应用程序) 和w in 3 2 c o n s o ea p p lic a t i o n ( w in 3 2 控制台应用程序) 的o p e n o l 编程。w in 3 2 a p p lic a ti o n 就是普通的常见的窗口应用程序，可以通过鼠标点击来完成 控制；而w i n 3 2c o n s o ea p p l i c a t i o n ，往往是像m s d o s 窗口的样子出 现，得用键盘输入各种命令来使用它。由于这两种程序只生成单一的窗口， 控制方法简单，所以对于许多交互程序，并不十分适合。而m f c 的s d i ， 相对于m d i 、w i n 3 2a p p l i c a t i o n 和w i n 3 2c o n s o l ea p p l i c a t i o n ，更适合 用来开发具有控制面板的交互程序f 5 】【6 1 。 v c + + 6 0 中提供了编程向导，可以方便的建立具有单文档和多文档界 1 6 厦门太学碗i 论女第二 测量自仿真系统控制界面设* 面的m f cw iz a r d a p p 应用程序。本文在完成一系列提问之后，建立了个 名为v i r t u l 的单文档界面编程文件( 如图3 1 所示) 。v c + + 60 自动生成 了多个类，这其中与o p e n o h 编程最密切的应属基类为c v le w 的 c r t u l y l e w 类，主要的o p e n g l 初始化都将在其中完成。需要注意的是在 该编程向导的第四步中，选择”高级”按钮，在打开的对话框中选择 ”w i a d o w ss t y t le ”面板，选中”应用切分窗口”的复选框，使得系统自动在 c m a i n f r a m e 类增加了一个成员变量：c s p l i t t e r w n d 实例成员 m w n d s p l i t t e r 。这是在为静态分割单文档窗口做准备。 图3 1 单文档界面 3 21 控制面板建立 建立一个i d 为i d d d i a l o g l 的对话框，并进行布局，在其上添加按 钮、组框等控件，不同的区域对应不同的控制块，形成所需要的控制面板。 有关控制块内容请参见52 。需要注意的是要对该对话框进行属性设置， 样式设为“下层”，边框设为“细小”，并去掉叫示题栏”复选框的勾选。 否则的话在编译程序的时候将会出错。 在控制面板上，缩放旋转控制块对应的区域如图3 2 所示，由2 个滑 动条和1 个按钮组成。用户通过拖动滑块，来方便的实现缩放和旋转效果： “起始状态”按钮结束当前对模型的一切操作，将模型恢复到初始的参数 状态。 厦l ：大学硕i 论z * = “8 运u # 控“月口 缩放 旋转 起始状态j 圈32 缩放旋转控制块对应的区域 步长速度选择运动控制块对应的区域如图33 所示，由2 个单选按钮， 】个下拉菜单，1 个滑动条和9 个按钮组成。“步长”和“速度”只能2 选 1 ，当“步长”选中时，下拉菜单激活，用户可以选择所希望的步长大小， 同时滑动条无效；当“速度”选中时，滑动条激活，用户u j 以拖动滑块设 置所希望的速度，间时下扯菜单无效。9 个按钮足上述2 个选择项所公用 的，分别控制了模型x 、y 、z 、w 轴向运动的启动和停止。 型到