（机械电子工程专业论文）cnc齿轮测量中心自编程系统的研究与开发.pdf

c n c 齿轮测蠢中心毒编程系统的研究与开发 学科：机械毫子工稀 衔究生签字： 歇芝鹅 指导教褥签字：j 莓瑶啼，专 摘要 c n c 齿轮测最中心是8 0 年代迅速发展起来的机电结合的高技术齿轮测量 仪，它是一种通用性强、自动化程度商、高精度的测量系统。不仅能测摄齿轮， 还可以溪4 量复杂刀其、蜗轮、蜗杆、凸轮等各种复杂工件。萁功能和可靠性已 经历了多年的实践验证，可广泛用于汽车、航空、机床工具等科研部门及工厂 计量室。现阶段，c n c 齿轮测量中心不仅在硬件方面还是软件方蘑都有了一定 的发展，但是，在软件方面是针对具体零件，具体测量项目，开发出专用测量 软件。当需要加入新豹测跫顼匿对，藏要求软件开发人员开发出相应的测量软 件，造成了测量机的成本的升高。因此，需要有一个通用型、实用性软件系统 的出珑。本文针对c n c 齿轮测量中心的现有硬件和软件的特点，设计研究了一 套能使用户自行编制零件的测量程序的编程系统。但是在测量时，由于钡9 头自 身半绦的存在，给测量缝果带来了影响，本文研究了测头半径的补偿方法，并 进行了相应的软件实现。 论文主要进行了以下具体研究工作：进一步完蒂编程系统的指令代码集， 并针对目前的指令代码集的问题，进行修改和补充：同时采用面向对象的编程 语言v i s u mc + + 对用户使用指令代码綮进行编制的测量程序进行译码解释，控 制硬件的运动；选择和研究测头半径补偿的方法和算法，戳软件模块的形式遴 行封装，方便需要时使用；选择和研究滚刀刃口搜索的方法和算法；实验验证 本系统的可霜性。 关键词：c n c 墟轮测量中心；编程系统；指令代码集；测头半径补偿：滚刀刃 口搜索 t h es t u d y i n ga n dd e v e l o p m e n to fc n cg e a rw h e e l m e a s u r i n gc e n t e r sp r o g r a m m i n gs y s t e m d i s c i p l i n e ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i e a le n g i n e e r i n g s 抛d 阻缸z 厶= 粒哿，戤叼 s u p e r v i s 。rs i g n a t u 豫：厶舢双f 6 厶修 a b s t r a c t c n c g e a rw h e e lm e a s u r i n gc e n t e ri st h eh i g h - t e c hg e a rw h e e la m o u n ta p p e a r a n c et h a t t h ee l e c t r om e c h a n i c sd e v e l o p e d r a p i d l yi nt h ee i g h t i e sc o m b i n e s ，i ti st h eh i g h 。a c c u r a c y m e a s u r i n gs y s t e mt h a th a v i n g 址ea d v a n t a g eo ft h es w o n g a u t o m a t i cd e g r e eo fak i n do f c o m m o n a b i l i t y i tc a nm e a s u r en o to n l yg e a rw h e e l ，b u ta l s oc o m p l i c a t e dc u a e r ，t u r b i n e ， w o r m ，a n dv a r i o u sk i n d so fc o m p l i c a t e dw o r kp i e c e + i t sf u n c t i o na n dd e p e n d a b i l i t yh a v e a l r e a d yg o n et h r o u g hp r a c t i c ef o rm a n yy e a r st ov e r i f y i tc a nb eu s e di ns u c hs c i e n t i f i c r e s e a r c hd e p a r t m e n t sa st h ea u t o m o b i l e ，a v i m i o n ，m a c h i n et o o l ，e t c a n df a c t o r ya n d m e a s u r et h er o o me x t e n s i v e l y c u r r e n t l y e n cg e a rw h e e lm e a s u r i n gc e n t e rd o e sn o t m e r e l ya l lg o tc e r t a i nd e v e l o p m e n ti nt h eh a r d w a r eo rt h es o f t w a r e h o w e v e r , a l lm e a s u r e t h ep r o j e c tc o n c r e t e l yt ot h ec o n c r e t ep a r ti ns o f t w a r e ，d e v e l o pt h e s p e c i a l p u r p o s es o f t w a r e o fm e a s u r i n g 矾e nn e e d i n gt oa d dt h en e wm e a s u r e m e n t p r o j e c t i tr e q u i r e st h es o f t w a r e d e v e l o p e rt od e v e l o pt h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e m e n ts o f t w a r e ，a n dh a v ec a u s e dt h e r i s i n go ft h ec o s to ft h em e a s u r e m e n tm a c h i n e s o ，i tn e e d st h ea p p e a r a n c e so fat y p e n c o m m o nu s e ，p r a c t i c a b i l i t ys o f t w a r es y s t e m t h i st e x td i r e c t sa g a i n s tt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ee x i s t i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc n c g e a rw b e e lm e a s u r i n gc e n t e r h a sd e s i g n e da n d s t u d i e dt h ep r o g r a m m i n gs y s t e m so fas e to fm e a s u r e m e n tp r o c e d u r e st h a tc a nu s et h e f a m i l yt ow o r ko u tt h ep a r tb yo n e s e l b u tw h i l em e a s u r i n g ，b e c a u s eo ft h er a d i u so ft h e m e a s u r i n gp r o b e ，i tb r i n g st h ei n f l u e n c et ot h em e a s u r i n gr e s u l t ，t h i st e x th a ss t u d i e dt h e c o m p e n s a t i n gm e t h o d so f t h em e a s u r i n gp r o b e sr a d i u s ，a n dw r i t e st h es o f t w a r e 。 mt h e s i sh a sc a r r i e do nt h ef o l l o w i n gc o n c r e t er e s e a r c h i n gw o r km a i n l y ：m o d i 断n g a n da d d i n gt h es e to fc o d ec o l l e c t i o n so fo r d e ra v a i l a b l ef o ru s e r , a n dm a k i n gi tm o r e p e r f e c t l y ；a d o p t e df a c i n gt a r g e tp r o g r a m m i n gl a n g u a g ev i s u a lc + + u s et oe x p l a i no r d e r c o d ec o l l e c to fu s e r sm e a s u r e m e n tp r o c e d t i r e , a n dc o n t r o l l e dt h em o t i o no ft h eh a r d w a r e ； s e l e c t i n ga n ds t u d y i n gt h ec o m p e n s a t i n gm e t h o d so ft h em e a s u r i n gp r o b e sr a d i u s ，a n d p a c k i n gt h ep r o g r a mw i t ht h ef o r mo f 也es o f t w a r em o l dp i e c e ；s e l e c t i n ga n ds t u d y i n gt h e m e t h o d so f s e a r c h i n gt h ec u r e re d g e ；t h ee x p e r i m e n tv e r i f i e st h eu s a b i l i t yo f t h i ss y s t e m k e y w o r d s ：c n cg e a rw h e e lm e a s u r i n gc e n t e r ；p r o g r a m m i n gs y s t e m ：c o d ec o l l e c t i o no f t h eo r d e r ； t h e c o m p e n s a t i n gm e t h o d so f t h em e a s u r i n gp r o b e sr a d i u s ；h em e t h o d so f s e a r c h i n gt h e c u l l e r e d g e 1 绪论 1 。1 坐标溅量机豹国内外发展现状 坐标测量杭作为一种遥溺性强、自动化程度商、商精度颡量系统在先进制 造技术与科学研究中有极广泛的应用。它将各种几何元素的测量转化为这些几 何元素上一些点集坐标位置的渊量。坐标测量机的测量原理是将被测零件放入 其容许的测量空间以获季导被测几何型厦上各测点的坐标尺寸。根据这些点的空 间坐标值进行计算，求出被测零件的几何形状位鼹尺寸及其不确定度。坐标测 量机是以精密桃械为基穑，综合应用光学、电子技术、计算机技术等先进技术 的测量仪器，它包括：测量机、数据处理及控制系统、测量元件、软件四部分 【n 1 1 1 坐标测爨枧硬体的璜状及发糯趋势 不管是三嫩标测量梳还是四坐标测爨桃，都是溺量系统中测量琢件的核心， 是集光学、精密机械、电子技术和计算机技术为一体的高精度、高效率的自动化 梭溺设备l 霸，它能够实现许多传统测量器其所不能完成的测量工作，其效率比传 统的测量器具嵩出十几倍乃系几十倍，丽鼠坐标测量机很容易与c a d 连接，把 测量结果实时的反馈给设计及生产部门，借以改进产品设计或生产流程，其已经 并将继续驭找谗多传绕的长度测量仪器。邑广泛缝应用于机城制造、仪器仪表、 电子、航空和国防工业等部门，特别适用于测量箱体类零件、模具、精密铸件、 电子线路板、汽车外壳以及飞机形体等带有空闽赭面的工作。随着计算机辅助和 先进制造技术的发展，坐标测量机几乎成为f m s 、c i m s 等先进青4 遣业生产线上 的主要检测工作单元 3 1 1 4 j 。 坐标溅量执作为一税通闵性强、是动让程度惠、蘸精度测量系统，英首先憋 各种几何元素的测量转化为这些几何元素上一些点集坐标位置的测量。在测得这 些点的坐标位置后，爵由软牛按一定的评定准刘算出这些几何元素的尺寸、形状、 相对位置等。这一工作原理，使坐标测量机具有很大的通用性与柔性。随着科技 与生产的发展，坐标测量机也应随之发展p i 。 坐标测量枫的应用将向多元化、差异佬方向发展。趋势镪括：更高的精度、 更高的动态特性以及更高的生产效率、强大的功能与人性化使用的高度统一、功 能更热强大，范围更加广泛的逶用溺量软 牛的产生。虽然近几年，溺量机的市场 发展较快，但是面对黄入世厢日益加剧的市场竞争，我们必须在吸取他人的技术 鞭安工业大学硕士学短沧文 的基石窭上加以仓薪，龟括硬传( 如测头糖发的提离) ，软件( 通翔软件的产生) 。英 发展趋势具体如下： a 提高颡摄精度：提高标尺精度，提高结构精度，减少环境因素带来的影 响，适当的采样策略； b 提高效率，可通过改进测量机的结构设计，减轻运动部件的质量；提高 控剖系统性能；采用飞测与扫接测量方式；对动态误差遴行静偿；提高软件瓣运 行速度；对可靠性与安全保护提出更高的要求这几个方面来提高测量机的工作效 率： c 发展探测技术，完善测量机配置。主要体现在测头的精度的提高方面； d 采用新材料，运用新技术。如铝合金、陶瓷材料以及各种合成材料在坐 标测量机中的应熙，其导热好，不易变形； e 发展软件技术，发展智能测量机； f 控制系统更开放捧1 1 6 i t 7 i 。 1 2 坐标测爨机测爨软件的发展瑗状 坐标测量软件作为坐标测量枫系统的一个重要组成部分，对测量机的功能起 着举足轻重的作用。因为测量机主要的功能就是采集数据，如果不谈精度和采集 方式的话，测爨软件就决定了用户能否得至l 质 ；蓉要的最终结果。因此，完全一样 的测量主机，在配置不同的软件包时，将会有完全不同的表现性能。 至今为止，嫩标测量机软侔包豹发展经历了三个重要阶段：第一阶段是d o s 操作系统及其以前的时期，测量软件包能够实现舷标找正、简单几何要素的测量、 形位公差和相关尺寸计算；第二阶段是w i n d o w s 操作系统和3 2 位w i n d o w s 9 5 9 8 ， 这一阶段计算机的内存容量和操作环境都有极大的改善，测量软件包在功能的 完善和操作的友好性j 二有了飞跃性的改变，大量的采用图标和窗口显示，使功能 调用和数据管毽变褥异常简单；第三阶段以将c a d 技术弓l 入到测量软件为标志， 是一次革命性的改变瞵j 。 强蓠，随着计算机的发明和癍焉，数字亿技术被弓i 入测量祝系统，从此诞 生了坐标测量机软件。坐标测量机软件作为坐标测量机系统的一个熏要组成部 分，对测量梳的功能起着举足轻重的作用，甚至就可以决定了用户能否得到所需 要的最终测量缘果。坐标测爨机经过近二三十年的的发展，坐标测量软件也取褥 了长足的发展，目前测量软件不仅能够实现坐标找正、简单集合要素的测景、形 位公差和相关尺寸计算，面臣在功能的完善和操作豹友好性上有了飞跃独的改 变，大量的采用图标和窗口湿示，使功能调用和数据管理变得异常简单【9 l 。 琥在国肉外已经有几家公司举位在傲坐标测量机滟开发和研制，并取得了 许多突破，软件的开发也基本解决了测量功能是否丰富，操作是否便捷等问题。 嚣安工业大学碛学位论文 软传的开发多采用模块化的缝构，在国矮，德困的l e i t z 公司开发的软体系统 o u i n d o s 对各类零件都有完全现成的功能模块来实现参数输入、自动测量、计算 评价及报告输离。更可贵的是它的评价算法都是在行敝专照人士的参与下完成 的，非常具有权威性。另外，在配有连续扫描测头和白定中心功能后，大大减小 了探测误蒺对轮廓形面精度的影响，测量精度和教率也得至0 了很大地提高。c a r l z e i s s 公司开发的坐标测量棍软件s t r a t a u x ，其测量数据可以从c 删直接传送 到随机配备的统计软件中去，对测量系统给出的检验数据进行实时分析与管理， 根据要求对其进行评馈。依擐此数据库，可色动生成各秘统计报表，包括x - b a r & r 及x _ b a r s 图表、频率直方阕、运行图、目标图等。美国b r o w n s h a r p 公司的 c h a m e l e o nc 涮测量系统所配支持软件可提供包括齿轮、扳材、凸轮及凸轮轺l 共 计5 0 多个测量模块。日本m i t u t o y o 公司研制开发了一种图形显示及绘图程序， 用于辅助操作者进行实际值与要求测量值之间的比较，具有多种输如方式。意大 利d e a 公司的t u t o rf o rw i n d o w s 软 牛可以升级为最新的软件技术，并能同以前 开发的所有t u t o r 零件程序保持1 0 0 的兼容性。i m s 公司的a c c u d a n t 软件是一 个为所有f e r r o u t i i m s 坐标测量机用户提供的安装软馋。软件安装后，现有的 零件程序可在新的系统下运行而无需修改。这些公司已经开发出地软件系统都已 经相对毙较成熟，丽显健们已经使产晶系列他，弗显许多公司都各有丰富的测量 软件供用户选配。但是由于用户的需求不同和需求程度不断提高，软件的开发力 度氇在不断的进行加大，软件的不断升缀交得越来越重要1 1o 口”。 在圜内，以西安工业学院测控所开发的齿轮测量中心为例，它是一种四轴联 动的坐标测量机，在它的软件系统中已经开发完成的测量模块有：齿轮测量模块、 滚刀测量模块、剃齿刀测量模块、插巍刀测量模块、蜗轮测量模块、蜗杆测量模 块等，这些模块的开发使齿轮测量中心可以完成对一般的基本零件进行准确测 量，以齿轮为例可以检测3 4 级耱度鲍齿轮，汪经可以满足国内对遴轮测量豹 要求，主要技术性能指标也达到用户的要求。近几年又自主开发了用户自编程系 统，这是一套类似予数控系统的g 代码豹代码集，并建立了面向用户的界面， 用户可以使用所提供的代码集中代码，根据测量零件的不同编写一段代码组合， 这段代确通过用户界丽，来控制测量中心，从而实现入机交流，完成用户的测量 目的。这套编程系统已经可以满足对简单的基本零l 孛的测量，并方便升级和系统 的维护【1 3 ：| 。 1 23 9 0 3 型c n c 齿轮测量中心简介 c n c 齿轮测量中心作为一台四坐标测量机，是8 0 年代国际上迅速发展起来 的机电结合的高技术齿轮测薰仅拼l ，8 0 年代后期国外产品开始迸入我国。与传 西安工业大学硕士学位论文 统的机械式齿轮量仪相比，c n c 齿轮测量中心不仅能测量齿轮，还可以测量复 杂刀具、涡轮、蜗杆、凸轮、曲轴等各种复杂工件，测量精度高、速度快、功能 强、一次装夹可以自动完成工件的多项参数的测量，同时解决了许多用传统方法 无法检测的技术难题。如图1 1 所示。 圈1 13 9 0 3 型齿轮测量中心 c n c 齿轮测量中心由机械系统、数控系统和软件三大部分组成。在工作原 理上，由于c n c 齿轮测量中心的测量运动由数控系统来实现，从而可实现各种 复杂的测量运动，以满足不同工件、不同项目的测量要求。测量时，不需要标准 齿轮、标准蜗杆、基圆盘等机械标准件。测量结果通过测量数据与存储在计算机 中的理论模型相比较得出。因此，c n c 齿轮测量中心的测量精度主要取决于测 头、光栅等传感器的精度和4 个相对独立的导向结构( 3 个直线导轨和一个主轴) 的导向精度，易于实现很高精度的测量。该测量系统是基于c a m a c 总线的， c a m a c 通过c c u ( 机箱控制单元) 连接到计算机总线上，硬件系统由电机驱 动，光栅计数，a d 转换，及开关量i o 等单元组成。通过传感器、调节器等， 传送信息、数据和命令，来对测量机构进行控制5 1l ”l 。 数控系统是c n c 齿轮测量中心的关键技术。齿轮测量中心数控系统的主要 功能是接收计算机发出的指令，控制机械部件实现所要求的测量运动：并将机械 部件的运动状态和测头的测量信号，通过传感器采集进来，送给计算机。我们自 行研制的c n c 齿轮测量中心专用数控系统，采用模块化设计思想，即将数控系 统按功能划分为几个模块，每个模块实现规定的功能，模块间尽量减少耦合。采 用模块化设计的特点是： a 系统组建灵活。可根据测量仪器的功能要求，组建成2 轴、3 轴、4 轴或 5 轴的控制系统，避免功能浪费，降低系统成本。 b 系统升级换代容易。在总体设计时，数控系统对各模块的功能给予了规 定，至于如何实现功能，则属于模块内部设计。我们的数控系统在1 9 9 5 年已研 制成功，后来经过多次改进提高，譬如，在一些模块中采用c p l d ( 复杂可编程 逻辑控制器件) 和d s p ( 数字信号处理器) 等新技术，使齿轮测量中心的测量效率 大幅度提高，达到或超过国内外同类产品水平，但数控系统总体结构相对稳定。 4 西安工业大学硕士学位论文 这样，一方面能够向用户提供最先进的技术，另一方面又不给齿轮测量中心的组 织生产造成困难。 c 与计算机相对独立。我们的数控系统经过多年研究，自成体系。与计算 机通过一个接口卡联接，当计算机换代时，只需要升级接口卡，其他部分保持不 变。众历周知，计算机舞级换代非常快，妇果选用现成的电枫驱动卡、数据采集 卡，利用计算机内部总线( 如e i s a 总线) 上搭建数撩系统，用不了几年，很可能 熬个数控系统需要重新研制。所以，数控系统应该与计算机相对独立。否则，批 量生产要冒很大技术风险，也不能保诞用户以后的权益。 c n c 壤轮测量中心的撬械部分不霰要复杂的梳械震成传动链，枫辕结构摆 脱了传统齿轮量仪的结构限制。通过计算机控制，底庶台面的三个直线运动轴( r 向、t 向、z 向) 和一个旋转运动轴( 0 ) 在各自的伺服系统驱幼下实现联动。 根据被测工件的参数，使三个直线运动上的测微仪鞠对随旋转坐标辅转动的工伟 产生所需要的测量运动。在整个测量过程中，计算机采集存储测微仪的偏移量和 同一时刻各嫩标轴实际坐标值，经过数据处理，与被测项目的理论值比较，得出 测量结果。熬个测量过程由计算机自动完成。 1 21 3 本课题的主要研究工作及其要解决的问题 本课题的来源是陕西省教育厅专颈科研计划项强，代号：0 5 j k 2 1 9 。课题以 c n c 齿轮测爨中心现有软件、硬件体系为理论支持，以v c + + 6 0 作为系统开发 的平台，应用面向对象的方法，采用w i n d o w s 编程技术进行数控系统的研究 开发工作。本软件系统是一个集代码编辑、解释于一体的开发系统。 本课题的设计原理与数控系统有一定的相似之处，在数控系统中用户编写的 g 代码通过解释器来控制数控系统，丽在本课题中用户编写的程序文本( 比较简 单的英文字符) 也是通过解释器来控制c n c 齿轮测爨中心。我们也要把c n c 齿 轮测量中心的功能开发盼妇司数控税床一样，霜户可以根据类似予数控语言一样 的代码集，考虑自己的工件的具体情况来编制测量程序，即提供给用户一个可以 进行二次开发的平台。 塞此可见，如何能实现和完善一个与硬件匹配的解释器对溅控中心来说是非 常重要的，之前测控系统的解释器已经基本可以实现控制测控系统对基本零件进 行测量，而本题的研究重点就是如何进一步的完善解释器，其中包括在已有软件 的基础上： ( 1 ) 对代码集进行设计 目前，c n c 齿轮测量中心已经可以完成对基本零件的测量，在建立了用户 西安工业大学硕士学位论文 自编程系统展，实现了人机对话，使测量更加简单易用，但是目前的自编程系统 的代码中存在着几点闻题：代鹦格式设诗不是缀合理，过予冗长，使用繁琐； 相应的源程序设计有不是很合理的地方；代码的功能不是很完全，有些功能 如跳转等在设计中没有考虑到。针对存在的问题，进行了修改，将代码简化，达 到俺单易蠖，使嗣方便的目的，同时在源程序中进行程应鲍修改裙 充，健是要 保证整个系统的可使用性。 ( 2 ) 测头半径补偿的方法研究 测头半径的补偿主要怒针对测头半径的三维补偿，根据所查找的文献资料选 用了比较完簧合理豹方法，针对不同的被测零件簦面，采熏相疲的调头替偿方法， 并据此设计相应的算法，根据编写不闻情况下的测头补偿程序。 ( 3 1 滚刀刃口搜索的方法研究 刀具刃口搜索主要楚对滚刀刃口的搜索，滚刀躲切涮刃是其基本蜗秆螺旋面 的一条曲线，在对滚刀刃团齿形的测鳖时，茭测量方法与螺旋面轴截面截形的测 量有相似之处，但也有其特殊的问题，因此，对滚刀刃口的搜索对测量来说就显 得十分重要。 1 4 本课题的研究意义 本课题研究主要是针对c n c 齿轮测量中心的。c n c 齿轮测爨中心是西安工 业学院精密与超精密加工及测量工程技术研究中心绷有自主知识产权的高技术 测量仪器，其功能和可靠性已经历了多年的实践验诋。本课题是进一步完善c n c 齿轮测量系统，由于之前开发出的软件，都是针对具体零件开发出专用软件，齿 轮测量软件哭可以完成意轮主要顼孽的捡测；焉滚刀测量软舞只溪以实现滚刀主 要参数的检测；对于其他种类的，例如，蜗轮，凸轮等等，都是针对具体种类， 开发出专用软件。现有的软件都是然固定化的程序步骤，软件的通用性不是很 强，其软件开发语言具有专一性，而且在用户测量的过程中，会遇到很多实际特 殊的情况，这些情况是农已有的软件上所没有考虑到的；同时，由于测量时测头 半径的存在，给测量结果带来误差，影响了测量精度，本课题将针对这些问题提 出解决办法，并进行软件的编写；此外，用户在给测量机配备软件时，需要考虑 到穰多情况，需要配备备耱软 牛，软传配置的价格较高，有对软件的功能虽十分 丰富，完善，但成本价升高。因此，本课题所升级开发完成的软件在原有软件系 统的基础上，将极大的改善以往软件的不足，体现软件的通用性，提高测量精度， 方便用户在使用过程中，能根据实际需要来编制测爨控制程序，觅需再购买荦申类 繁多的较件。因此鼗软件豹开发不健& 给c n c 测爨中心带来良好的经济效荔， 而且能推动嫩标测量机软件的发展，有着比较重大的理论意义和实践意义1 1 7 1 。 6 2 齿轮测量中心编程系统的介绍 2 齿轮测量中心编程系统的介绍 2 1 齿轮测量中心编程系统的特点及功能 c n c 齿轮测量中心的测量程序编程系统软件，简称编程系统，是一个集代 码设计，代码解释，硬件控制于一体的编程系统。其控制硬件为c n c 齿轮测量 中心，软件的形式类似于现已成熟的数控机床的数控系统。对于系统开发人员而 言，需要设计出一套供用户进行使用的程序代码，并且能对用户编制的程序进行 解释。对于用户而言，只需要熟悉系统开发人员所提供的一套代码，严格按照代 码的使用规则进行测量项目的测量程序的编制，就可以较好的控制硬件的运动， 并且得到测量项目的测量结果曲线，达到预期的测量目标 1 8 l 。 2 1 1 系统结构 测量程序编程系统的总体结构如图2 1 所示。除硬件部分外，本系统软件设 计所要包含的内容分为三个部分：提供给客户进行二次开发的代码，译码解释器， 接v i 函数部分。译码解释器对用户编制的程序进行编译，将其解释成与接口函数 相匹配的代码，并且调用接口函数，对硬件部分进行控制。 图2 1 测量程序编程系统的开发结构 耩安工业大学硕士学位论文 2 1 2 系统特点 a 易用性易用性是自动编程系统的最大的优势之一。用户经过简单的培训 甚至无需培捌就可很快掌握，对使用者的要求降至“傻瓜”级，解决系统的易用 性，使齿轮测量机在用户手中真正得到充分的利用和发挥实际的效率。 b 开发性在本系统的开发过程中尽量做到模块化，标准化，保证充分了未 来对二次开发以及软件的维护。 c 经济性使用本系统与去购买各种不同的专用软件来比较，具有不可比拟 的价格优势。 d 通用性在软件开发过程中应当充分考虑到通用性，在本程序系统究成以 质，可以通过适当豹改变来适用不同种类豹零件的测量f 挎1 。 2 ，1 3 系统功能 本编程系统应具备以下主要功能： e l l , 底层平台具有司更新性，通过对动态链接库的升级实现添加新的功能； b 代码的编制完善的体现测量极的主要的、必须所吴存的测量运动步骤； c 给用户提供了个友好的人机界面； d 建立文本输入方式，这种文本输入方式要县有完整的文本编辑处理等功 能； e 将代码输入于程序运行框中，在按“运行”按锻看，设备即被启动，同时 实现测量的目的； f 能使测头按照用户编制的程序要求宪成测景运动i 驯。 2 2 指令代码集的设计与实现 2 2 1 指令代码集的设计 代码集的设计必须要通俗易懂，简单易用，同时代码的设计要考虑到控制 c n c 巍轮测量棍运动的最基本豹指令要全西，捌妇，要包括“开始”，“结束” 指示灯的控制，电机自动与手动的转换等等，这些都是c n c 齿轮测量中心运动 所必须的指令集，因此在定义基本代码的时候定要考虑全面。 2 ，2 。2 代码编辏器的设计 这部分包攮友好人枫要露的表现形式，误差显示，输出视銎的形式，以及具 体的输入形式。具体的代码程序的输入方式规则的设定，是由本系统开发人员给 龋安工娩大学硕士学位论文 予觳定的，这栉便于解释器邦分识剐用户豹程序，很好豹读取程序，从两进行翻 译和控制齿轮测量机的f 确运动。 2 2 3 代码解释器的设计 这部分可以称之为解释器部分，其功能就是解释器对用户编制的程序进行语 法分柝、词法分析，遂露进弦编译，将其解释成与接口函数棚匹配的代码，并且 调用接口函数，对硬件部分进行控制。解释过程要准确无误，能较精确的实现用 户的目的。其翦提是用户的编程l 弋妈也要按照软件开发人员据供的语言规尉编制 。 蘧安工业大学硕士学位论文 3 指令代码集的设计 3 。i c n c 齿轮溅量中心的溅量原理 c n c 齿轮测量中心实质上是由计算税控制的极坐标测量机，其系统组成如图 3 1 所示。 图3 1c n c 齿轮测最中心的系统缀成 c n c 齿轮测量中心的测量工作原理是：计算机根据被测工件的参数控制各 坐标轴的运动，使测头相对工件产生所要求的测屋运动。在测头沿工件表匿运动 的过程中，计算机不断采集测微仪的示值及同一时刻各坐标轴的实际位置，并存 储起来，这些数据记交了被测型面的实甄形状，e 女计算规与淫论型箍进萼亍比较， 得出测量结果例。 下瑟戬测爨渐开线圆柱齿轮的齿形误差为铡，吴体说明c n c 齿轮测量中心 的工作原理。圈3 2 表示用机械展成法测量齿形误差的原理。 圈3 2 齿形误差测鬣原理 工件与基圆盘同轴安装，当基圆盘与导尺作无滑动的纯滚动时，安装在导尺 上的测徽仪相对工件形成一条渐开线t = r 。o ，当被测齿形有误差时，谈差大 1 0 西安 _ = 业大学硕士学佼论文 小直接由测微仪的示值ap 指示出来。如果导尺与基颡之间有相对滑动，魇产生 的运动误差必将迭加到测微仪的示值上，最终影响测量结果的准确性。 对于c n c 齿轮测量中，出于0 轴和t 辘分别装鸯圆光掇莘瑟长光栅，测量结 果列根据公式3 1 计算： e l = p 。+ ( t 一r 。- 01 )( 3 1 ) 式中：e ：禁一时刻驰齿形误差值： p 。、t 、o ，网一时刻测微仪的示值及t 轴、0 轴的坐标值。 如果测微仪相对工件准确通沿瑾论渐开线运动，则公式3 1 右端括号内计算 l 出来地数傻始终为零，齿形误差可直接出测微仪熬示值表示。如果运动轨迹偏离 理论渐开线，那么括号内计算出的数值则表示该时刻运动轨迹偏离理论渐开线的 距离，正好与迭加在测微仪示值中的运动误差分量相抵消。因此在测量过程中， 只要在测微仪的量程范围内，实际运动轨迹偏离理论曲线不会影响测量结果的准 确性。在c n c 齿轮测爨中心上没有复杂的枫械展成运动极掏，_ i 9 9 量运动由数控 系统的饲服电机产生l _ 2 6 l 。 在葵体的测基控镧方面，使用专用的齿轮测量软件，其中镪含有对齿轮的各 个技术参数的测基模块。测量时，首先调整枫床的零位，接着将渐开线圆柱齿轮 的各项技术指标以及采样密度输入到专用的铡艟软件中，开始运行程序。程序的 运动过程中，自动执行了“磁测头”的步骤。在测量的过程中，电机运转速度是 在软件中已经设置好的。专用软件根据测头在运动过程中所采集的点的坐标值， 以及已经在软件中声明的渐开线凿形计算公式，可以绘出误差图形。 3 2 指令代码集的特点 本指令代码集的设计，首先是对已有的专用测量软件的测量过程有很好的掌 握，提炼粥测量时所必须其各的步骤。由上箍所述的渐开线圆柱齿轮豹齿形测量 过程中，呵以得出若要能较好的驱动c n c 齿轮测量机完成运动控制，必须包含 以下的命令，它们是：“开始”、“结束”按镪的转换，即“等待按钮”命令，“碰 测头”运动、采样密度的设置，运动驱动函数，运动驱幼函数中参数( t h a t a 轴、 r 轴、t 轴、z 轴的坐标值) 的设定，测头运动速壤豹设定。 本系统所设计的指令代妈与已谢的传统的数控加工系统的数控语言栩比，有 一定的区髑。 a 焱代码的编制方面，数控加工系统的语言( | 冀下简称数控谮言) 中需要有 插补指令，而本系统中在测量时需要的插补是通过软件内部实现的。 b 数控加工系统中，数控机床的使用存在一定的复杂性，因此，数按语言 的设计中包含有功能代码( g 代码) 以及辅助代码( m 代码和s 代码) 2 7 o 而c n c 西安工照大学硕士学位论文 齿轮测量中心与传统豹数控加工系统相比，在硬件方便，有其一定豹优越性，使 用较为方便，因此，在本系统的代码设计时，尽可能的将完成一个动作所需要的 条件在一条语句中实现，如控制坐标轴的运动，需要设定主轴的运动速度，运动 位移，于是，农设计运动控制语句时，将这些条件全部声明于“g o ”语句之后， 在同一语句行中出现，也就是说，每一语句行中，首先是语句行序号，接着是本 语句行的指令标识符，最后是为了完成本语句指令所必霈要的参数设置。每一语 句行的意义都魑独立的，不允许不问意义的指令写于行中。这是同数控语言不 同的一点，在数控语言中，允许将某些不发生冲突翡功能不同的代码霹于一行中。 c 本编程系统中，允许用户在设置某魃参数( 如坐标轴的位移，公式的设置) 时，便翻表达式的形式。这在数控语言中是不允许的。 d 当然，本系统代码同数控语言相比，也存在有它的局限性。酋先，它的 格式规定比较的严格，在某个代码行的标识符后丽需要具有多少个参数设定，就 必须按照这个规则来执行。森则，系统报错。例如，“g o ”语句中，需要蠢主轴 速度的设定和坐标轴位移的设定，在书写程序时，尽管某些坐标轴的位移为零， 但是不能省路。在数掩语言中，若菜个坐标豹位移量为零，则可以省赡不写1 28 1 1 2 蛳。 这是优于本代码系统的地方。 3 3 指令代码集的设计 目前，c n c 齿轮测量中心已经可以完成对慕本零件的测量，在建立了用户 自编程系统后，实现了入枫对话，使测量更加简单易用，但是目前的自编禚系统 的代码中存在着几点闽题，简单概括为： 1 9 代码格式设计不是很合理，过于冗长，使用繁琐； b 耩应的源程序设计有不是缀合理的地方； c 代码的功能不是很完全，有些功能如跳转等在设计中没有考虑到。 针对存在的淘瑟，本谦趣对指令代码集进行了修改，将代鹞简亿，达翔简单 易懂，使用方便的目的，同时在源程序中进行相应的修改和补充，但是要保证整 个系统的可使厢性；并在原有的代码集的基础上增加了一些功能性指令，使整个 代码集更加全面、实用。 3 ，3 1 对代码集的设计 原有代码集包括以下几个类型：采样密度函数设定，c n c 齿轮测量机的运 动控制准备代码设置，运动驱动命令代码设置，计算命令代码的设鬻，绘图命令 代码的设置。它包含了测量的最基本要求，可以实现对基本零件的测量，但是由 于代码集中的代码段设计的过于冗长，有些同类代码重复设置，增加了软件系统 1 2 西安工业大学硕士学位论文 的长度，而相应的源程序也存在这不甚合理的地方，使得代码集在使使用上没有 达到简单易用的效果，所以在本课题中对代码集的重新设计，就变得比较重要。 修改简化后的代码集如下： a 同类代码的简化统一 1 ) 采样密度函数代码： 原代码集中采样密度指令设定根据坐标轴的多少有相应的设定，t h a t a 轴 的采样密度是s a m p l ed e n s i t yt h a t a 、r 轴的采样密度是 s a m p l ed e n s i t yr 、z 轴的采样密度是s a m p l ed e n s i t yz 、t 轴的采 样密度是s a m p l ed e n s i t yt ，这是同一类指令，但是在原来的代码集中是 对他们按坐标轴进行分别设定的，这样不仅程序过于复杂，而且增加了程序的负 担，同时也可以看到，代码的长度过于冗长，一条指令需要近2 0 个字符来完成， 使用起来很不方便，针对存在的问题本文进行了相应的重新设计，将t 轴、r 轴、 z 轴和t h a t a 轴作为函数的变量看待，将多个指令简化成一个，实现了代码的优 化，修改如下： s d ：t 轴、r 轴、z 轴和t h a t a 轴的采样密度。 规定了若运动轴每运动多少距离，测头进行一次采样。 它的书写格式是： n x x x x xs d x n n n n 其中，n x x x x x 为代码行的序号，x x x x x 为序号，x 是所采样的运动轴( t 、r 、 z 、h ) ，a n n a 为采样密度的具体数值。 例如，n 0 0 0 0 1s dt o 1 ，意思为t 轴每运动0 1 m m ，测头进行一次采样， 得到一个点的四个坐标值。 2 ) 绘图命令代码： 绘图命令指令存在的问题与采样密度指令的问题是相同的，同样针对存在的 问题进行了如下修改： p a t ：测量项目误差计算值曲线描绘命令标识符。 它的指令书写格式是： n x x x x xp a t y x 其中，n x x x x x 为代码行的序号，x 、y 是系统的运动轴( t 、r 、z 、和h ) 和 测量次数，x x x x x 为序号。本命令语句是指其x 轴为运动轴的采样值或者测量的 次数，y 轴为工件测量项目的计算值。 例如，n 0 0 0 1 9 p a tz l ，意思是y 轴表示为工件测量项目的计算值( 或误差 值) ，x 轴表示为测量的次数。 上述的代码都是在原有代码集的基础上进行的修改，针对同类代码，由于他 西安工业大学硕士学位论文 们是对不同坐标轴测量的相同代码，在修改时为了减少源程序的长度和复杂性， 把各个坐标轴当作参数处理，整个代码以函数的形式重新设计，这样既减少了代 码的数量，又减少了源程序的负载程度；针对原代码的过于冗长的缺点进行了修 改，并在源程序中也进行了相应的修改，但是仍然保证了通俗易懂，“见字识意” 的要求，使用者也减少了在使用中代码书写过长的烦恼；同时也保证了代码集的 正常使用。 b 冗长代码的修改 在原代码集中还有一些代码是比较独立的代码，没有和它相似的代码，但是 这些代码同样存在代码长度过于冗长的缺点，本文也根据不同种类的代码进行了 相应的修改。 例如：参数设定指令在原代码集中的设计是p a r a m e t e r ，可见这个代码 的设计过长，用户在使用中会很不方便，因此需要对它进行修改，本文中将它修 改为p a r ，既减少了代码长度，又让人很容易的理解它的意思，达到“见字识意” 的目的。 具体修改如下： 1 ) c n c 齿轮测量机的运动控制准备过程代码： 其中包括“等待按钮”命令，“碰测头”命令，运动驱动命令中参数的设定 指令，电机的运动方式的转换设定。这些基本的代码是用户在自编制程序时，所 必须要有的指令。 b u t t ：c n c 齿轮测量机上的“开始”、“结束”按键的转换，即“等待按 钮”命令。 其功能是检测“开始”按键是否已经被按下，机床是否处于运动状态。本条 指令的优点在于，当用户按下了“运行”按钮后，若想对现有的硬件进行手动设 置，只要“开始”按键未被按下，就可以进行手动设置。方便用户可以一次输入 程序段，多次进行手动调试。 a u t o ：设置电机运动控制方式。 其目的在于设置电机为自动运动方式，它是坐标轴在执行用户运动驱动程序 语句的首要条件，否则，电机无法自动运行。 m a n u ：设置电机运动控制方式。 其目的在于设置电机为手动运动方式，可以将电机改为手动，便于用户手动 控制各个轴的运动。 他们的指令书写格式相同，以b u t t 为例： 西安工业大学硕士学位论文 书写格式为：n x x x x xb u t t 其中，n x x x x x 为代码行的序号，x x x x x 为序号。 t o um ：碰测头运动指令的标识符。 根据测量原理，测量时测头必须与被测零件的表面接触，才能通过光栅存 储测头得到被测点( 与测头接触的点) 的坐标值。其包含两种碰测头的运动方式， 一种是控制t h a t a 轴进行转动，另一种是控制t 轴进行移动。具体采取哪种碰 测头的运动控制语句，需要由用户根据具体的测量情况进行选择。 t o um ：碰测头运动指令的标识符。 本指令的运动效果是控制t h a t a 轴进行转动，其余几个轴静止不动。一般 多用于对齿形零件的测量的准备工作。 其格式为：n x x x x x t o um x y 其中，n x x x x x 为代码行的序号，x x x x x 为序号。 x 处为一整数，其值限于“一l ”或是“+ 1 ”。若x 等于“+ 1 ”，表示测头