（机械设计及理论专业论文）vcmm的实现与cad模型自由曲面截形测量研究.pdf

东北大学硕士学位论文 v c m m 的实现与c a d 模型自由曲面截形测量研究 摘要 随着逆向工程和虚拟制造技术等先进制造理论的不断发展和实际应用，出现了虚拟 坐标测量机( v c m m ) ，v c m m 是对坐标测量技术的发展，是三坐标测量机一个新的发展 方向。在机械殴计与制造中，自由曲面零件是在现代工业中带魍刽的零件，对毵进行三三 维几何形状测精足完成产品质量评定或为逆向工程提供数据的涎键。 本文对三坐标测量机核心部位的主机进行了结构设计、模测简化，壤于圈彤学理论 使用c a d 设计软件s o h d w o r k s 完成了三坐标测量机的三维造型、虚拟装配和干涉检查。 通过数据接口将三坐标测量机模型导入仿真软件m s c v i s u a i n a s t r a n d e s k - t o p 中，添加约 束副、进行驱动并采用v i s u a l b a s i c 语言对其进行了二次开发建立了虚拟坐标测量机。 以虚拟坐标测量机为测量工具，解决了测头连续接触、测头运动轨迹控制等一些技 术问题，对自由曲面截形进行扫描测量，获取测置数据。虚拟坐标测量机的测头采取尖 锥形及半球形等形式。尖锥形测头不存在测头半径补偿问题，可完全消除由于半径补偿 产生的误差，可快速、准确地获取测量数据。半球形测头的三维模型是理想半球，对自 由曲面截形进行虚拟测量时，其接触点全部落在半球端平面的边缘上，使半径补偿从三 维转化为二维，采用三点共圆求法线法和曲线拟合法等二维半径补偿方法对测量结果进 行了处理，获得了自由曲厩截形的测量数据，实现了测量仿真、半径补偿和数据读取等 功能。 最后，通过对已知c a d 模型的测量，验证了虚拟坐标测量机的测量精度、尖锥形 测头测量结果及半球形测头的测量原理和补偿方法，证明了所开发的虚拟坐标测量机对 自由曲面截形测量的的可行性与数据的可靠性。 关键词；虚拟坐标测量机；自由曲面：半球形测头；半径补偿 东北大学硕士学位论文 r e a l i z a t i o no fv c m m a n ds t u d yo u m e a s u r e m e n to fc a d m o d e l f r e e f o r ms u r f a c es e c t i o n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h ea d v a n c e dm a n u f a c t u r et h e o r ys u c h 鹬 r e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dv t r t u a lm a n u f a c t u r i n g ，t h ev i r t u a lc o o r d i n a t e sm e a s u r e m e n t m a c h i n e ( v c m m ) i sp r o p o s e , i t st h ed e v e l o p m e n to fm e a s u r i n gc o o r d i n a t e sa n dw i ub ea n e wo r i e n t a t i o no f c m m i nm e c h a n i c a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r e f r e e f o r ms u r f a c ep a r t sh a v e b r o a da p p l i c a t i o na n dt h e i r s3 dm o d e l sg e o m e t r ym e a s u r e m e n ta 托t h ek e yp r o c e s sf o r p r o d u c tq u a l i t ya s s e s s i n go rr e v e r s ee n g i n e e r i n g 1 1 把d i s s e r t a t i o nd e s i g n e dt h es t l t u r eo fc m m sc o r ep a r t s i m p l i f i e dt h em o d e l sa n d b a s e do nt h eg r a p h i c st h e o r y , r e a l i z e dt h e3 dm o d e l so fc m m ，v i r t u a la s s e m b l ya n d i n t e r f e r e n c ec h e e kw i t ht h ec a ds o f t w a r es o l i d w o r k s t h r o u g hd a mi n t e r f a c e i m p o r t e dt h e c m mm o d e l si n t os i m u l a t i o n 盘w a m s e m s x m l n a s t r a n ，a d d e dc o n s u - a i n t s 。d r i v e sa n d m a d es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tw i t hv m u u l b a s i cl a n g u a g et os e tu pt h ev c m m w i t ht h em e a s u r i n gt o o lo f v c m ms e tu p m e a s u r e dt h ef r e e f o m ls o f a c es e c t i o nb yl i n e s c a na n dg o td a t aa f t e rs o l v i n gt h et e c h n i cp r o b l e m so fp r o b e sc o n t a c t ，t r a c kc o n t r o le t c t h e r ew e r et w op r o b et y p e sa d o p t e d , c o n e - s h a p e da n dh e m i s p h e r ep r o b e n em e a s u r i n gd a t a c o u l db eg o tf a s ta n de x a c t l yw i t hc o n e - s h a p e dp r o b eb e c a u s et h e r e 愠3n or a d i u s c o m p e n s a t i o np r o b l e m sa n da v o i d e dt h ec o m p e n s a t o r ye r r o rc o m p l e t e l y n 地3 dm o d e lo f h e m i s p h e r ep r o b ew a sa c c u r a t ea n dt h ec o n t a c tp o i n ta l li nt h eb o u n d a r yo fh e m i s p h a m t r a n s v e r s ep l a n ew h e nm e a s u r i n gt h ef l e e f o r ms u f a c es e c t i o n , t h u st r a n s l a t e dt h er a d i u s c o m p e n s a t i o nf r o m3 dt o2 1 3e n dt h es e c t i o nd a t aw 鹅a c q u i r e db yd e a l i n gw i t ht h em e a s u r e d d a t a 、耐t l l2 dc o m p e n s a t i o nm e t h o dt h r e ep o i n t si no n ec i r c l eo rc u r v ef i r i n g a tl a s t , t h ed i s s e r t a t i o nm e a s u r e dk n o w nc a dm o d e l st ov a l i d a t et h em e a s u l ea c c u r a t e o fv c m m ，m e a s l l r er e s u l to fc o n e - s h a p e dp r o b e ，p h i l o s o p h yo fm e a s u r e m e n ta n d c o m p e n s a t o r ya p p r o a c h , p r o v e dt h a tt h ev c m md e v e l o p e dc o u l da p p l yt ot h em e a s u r e m e n t o f t h ef r e e f o r ms u r f a c es e c t i o nw i t hf e a s i b i l i t ya n dd a t ar e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：v c m m ；f r e e f o r ms m f a c e ；h e m i s p h e r ep r o b e ；r a d i u sc o m p e n s a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：j 夕j 划 日期：如厂。l 、。退 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名；奇布i 刊 签字日期；山伽厂，、璐 导师签名；儒云中 if 叮7 、l 签字目期：2 船6 ? 2 - 8 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着人类进入2 1 世纪，世界经济以及科学技术都取得了飞速发展。在制造业领域， 兴起了逆向工程、虚拟制造、虚拟现实等先进技术，这些理论和技术对设计和制造过 程中的加工、测量和检验等提出了更高更新的要求。作为现代先进制造中质量保证和 测量信息反馈重要组成部分的三坐标测量机，必须适应这种发展的需要。虚拟坐标测 量机是三坐标测量机发展的新方向，是虚拟现实技术与坐标铡量技术相结合的产物【l l 。 本章首先介绍了虚拟坐标测量机的定义、特点以及国内外的研究现状，然后对课 题的研究背景、目的、意义及内容作了介绍。 1 。1 虚拟坐标测量机的特点和发展现状 1 。1 。1 虚拟坐标测量机的定义及特点 虚拟坐标测量机( v c m m ) ，实际上是一个以制造技术为背景，以几何量测量为对 象，在虚拟坐标测量机开发环境中由用户生成的虚拟几何测量系统。虚拟坐标测量机 是一种没有真实量仪实体，但却有实际量仪感觉和功能的坐标测量机，它是一种建立 在虚拟现实或虚拟环境科学基础上的，集量仪设计理论、计算机辅助设计、计算机辅 助测量、计算机辅助检测规划和测量过程建模与仿真技术等于一体的，以个人计算机 或工作站为母体、以软件为主的一个虚拟系统。在这个人造现实空间里，用户可以根 据自己的需求来建造所需的各种坐标测量机和运行环境，所生成的坐标测量机可用于 模型测量、功能演示和教学培训等【”。 虚拟坐标测量机主要由虚拟坐标测量机建模、参数输入、虚拟测量环境和参数输 出等模块组成1 2 。其中虚拟坐标测量机建模由虚拟坐标测量机几何、运动和误差建模模 块组成，通过这兰个模块实现坐标测量机本身快速建模，构造出用户自己需要的坐标 测量机；参数输入模块完成用户测量要求的输入以及被测零件几何要素和公差信息的 输入，从而确定用户坐标测量机的测量范围、测量误差、被测要素的形式以及被测零 件的结构等；虚拟测量环境模块完成测量程序生成、测量路径设计和测量过程仿真， 用户可以在这个虚拟测量环境中进行离线编程、功能演示和技术培训等；参数输出模 块可以对用户使用的测量方法进行评价，还可以输出整个仿真运行的结果。一个完整 的虚拟坐标测量机( v c m m ) 包括全部的模块，具有各功能模块的自定义性、系统性 能指标预见性、测量机系统的开放性、多功能性及编程简单性等特点【3 】。 1 东北大学硕士擘位论丈 第一章绪论 1 1 2 虚拟坐标测量机及曲面测量的国内外发展现状 三坐标测量机自1 9 5 9 年问世以来，经过近几十年的发展，已广泛地应用于三维复 杂零件的尺寸、形状和相互位置的高准确度测量，以及实物模型数字化和在线质量控 制等领域1 1 j 。进入8 0 年代，随着柔性制造系统f f m s ) 和计算机集成制造系统( c 蹦s ) 的 发展，坐标测量机被集成入f m s 和c i m s 系统中，成为现代先进制造中质量保证和测 置信息反馈的重要组成部分，从而扩大了坐标测量机的应用范围。 近几年，快速设计制造与虚拟现实技术的成熟，推动了虚拟制造技术的发展。在 虚拟环境下，随着虚拟制造技术发展的需要，虚拟坐标测量机的研究也得到了很快的 发展【3 l 。目前，美国、英国、德国、日本等一些国家已经对虚拟三坐标测量机进行了一 些研发工作，并开发出了一些软件系统，其中比较知名的有美国的c i m s t a t i o n i n s p e c t i o n 和v m u a l d m i s 。c i n 够t a t i o n i n s p e c t i o n 是s i l m a 公司的一个主要产品，它具有三维图形 化仿真和编程工具，主要用于坐标测量机编程的程序创建与程序优化。c i m s t a t i o n i n s p e c t i o n 可以实现测量过程可视化、生成测量程序、自动测量和接触检测等功能，并 且可以在u n i x 和w m d o w s n t 两种平台上运行刚。 v m u a ld m i s 是e n t e l e g c n c e 公司的产品，它是基于美国国家标准a n s i c a m 1 0 t - 1 9 9 5 建立的，对于尺寸浏量设备，、r m u a ld m i s 是一个万能的软件平台，支持所 有的三坐标测量机，多传感器系统，激光扫描系统等。主要作用是坐标测量机编程的 程序创建与程序优化，通过图形化的方法进行程序的编制，错误检查和程序修改，非 常真观简洁方便。w m u a ld m i s 的特点主要有对所有的测量设备使用同一个平台；在线 和离线使用界面统一；完善的3 dc a d 功能集成；完全支持d m i s 格式；强大的模型 表面颜色渣染功能；可以将数据以m d m l 格式导入网络服务器；通过电子邮件进行产 品支持。它的功能与c i m s t a f i o nl l x s p e l m j o n 基本相同，比较有特色的是可以对测量的曲 面进行评估和测量数据可以在网上发布嘲。 日本的s o n k oo s a w a 等人利用虚拟坐标测量机( v c m m ) 的理论对圆柱件的不确定 度进行测量研究1 6 】。英国b r u n e l 大学的q y a n g 、c b u t l e r 及p b a i r d 等人提出了一种基 于神经网络的接触式测头误差补偿方法，可以应用到虚拟测头中1 8 。 我国对于虚拟三坐标测量机的研究处于刚刚起步阶段，许多研究机构和大学都进 行了相关的理论探索和实际系统的开发。 香港大学的陈永华等人运用虚拟现实技术开发了虚拟测量系统，触觉设各作为系 统中枢可以实现逆向工程，快遮成型，实时的模型属性分析，三坐标测量机的路径规 划等功能a 开发的系统晃面能够显示出三坐标测量机的模型，用户可以对虚拟的坐标 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 测量机模型进行操作，与真实的坐标测量机相同。在虚拟的环境_ f 对路径规划接触检 测等工作进行操作，提商了效率，避免了误操作造成的损失，还可以在虚拟环境中进 行离线编程并可将程序直接应用到实际的三坐标测量机当中【8 j 【9 】。 哈尔滨工业大学的黄成庆及叶东、刘得军等人提出虚拟坐标测量机是虚拟现实技 术与坐标测景技术相结合的必然产物，是虚拟制造技术发展的需要。虚拟坐标测量机 除具备一般坐标测量机的功能外，还需为产品的并行设计、虚拟制造选择最佳坐标测 量方案和提供反馈信息，同时介绍了虚拟坐标测量机的仿真运行软硬件环境并在微型 计算机上开发了虚拟坐标测量机【1 】。 黄庆成、车仁生及史艳霞给出了虚拟坐标测量枫的概念，提出了虚拟坐标测量机 的组成模块，介绍了实现方法并在p c 机上利用w i n d o w s 系统、o p e n g l 库及v i s u a lc + + 语言实现了活动桥式虚拟坐标测量机模型【。 北京工业大学的林伟国等人提出了虚拟坐标测最机的新概念，虚拟坐标测量机是 坐标测量机技术和虚拟现实技术的有机结合，它是建立在虚拟现实基础之上，以个人计 算机或工作站为母体，以软件为主的一个机器空间。虚拟测量就是把坐标测量机、测头 和零件的三维实体模型放到计算机的图形环境中，通过虚拟测头的移动和触测来实现 对真实环境下坐标测量机的零件测量过程的仿真。它是一种坐标测量机的离线编程，是 图形环境下的离线编程。对虚拟测量方法进行设计，提出了要素测量。林伟国等人认 为要素测量是坐标测量机测量活动的基础，在虚拟坐标测量机中，通过“要素识别” 方法来实现被测要素的定义。要素识别来定义被测要素之所以可行是因为不管是从 c a d 系统中产生的模型文件中抽取尺寸及公差信息、识别和提取几何实体来重构零件 实体模型，还是先构造零件实体模型，后产生零件的c a d 信息，在零件实体模型的构造 过程中，都要用到各种几何体，如长方体、圆柱体、圆锥体等。这些几何体的定义由名 字、几何体类型、属性( 正、负或虚、实) 、坐标位置、方向及尺寸等构成。当定义一 个被测要素时，它完全可以从描述被测要素的数据库中提取相应的数据，通过要素识别 来提取被测要素的定义参数是完全可行的【l l i 。 此外，北京理工大学机电体化中心的梁振士等研究了基于互联网的远程测量虚 拟操作环境的构建旧，沈阳工业学院c a d 中心魏永合等对三坐标测量系统与c a d 系统 接口技术进行了研究渊，哈尔滨工业大学的马忠丽等人研究了虚拟测量平台的开发与 应用抖l ，清华大学的阎继平等人研究了虚拟坐标测嚣机方法中的自动建模技术悯，西 安交通大学的曹岩等人对移动桥式测量机进行了虚拟设计【1 6 】，这些研究都丰富了虚拟 坐标测量机的研究内容，推动了虚拟坐标测量机的发展。 - 3 - 查苎查兰! 主兰竺丝墨 一! ! 二主，! ! 竺 虚拟坐标测量机虽然在国内外有了一些成果，但是功能还不够完善，大部分研究 都是围绕三坐标测量机进行，使测量过程的可视化，实现离线编程、虚拟接触检测、 路径规划等功能，还没有独立的虚拟坐标测量机平台。虚拟坐标测量机的出现开辟了 坐标测景技术的一个新的研究领域，而且必将成为虚拟制造系统中一个十分重要的组 成部分， 自由曲面零件在航空航天、汽车、模具等工业领域有着广泛的应用，对戈进行铡 量在逆向工程、虚拟制造等领域具有重要的意义，自由曲面测量方法的研究也在不断 的发展和进步。 起初，人们对自由曲面的测量是通过手工测量方法来完成的，该方法效率低下， 已远远不能满足现代工业对曲面测量的要求。现在，产品几何形状的测量基本上都是 在数字化设备上进行1 1 7 l 。数字化设备主要可分为接触式和非接触式两大类。c m m 是 接触式数字化设备的典型代表，c m m 测量速度低，但测量精度高，在要求的精度范围 内，选用不同精度的数字化设备将影响到重构c a d 模型时拟合曲面所采用的方法i i 目。 非接触式设备是随着近年来光学和电子元件的广泛应用而发展起来的，数据传递介质 主要有激光、声波和电磁场等，常见的为激光媒介【 i 非接触测量对被测物体的表面 提出了一定的要求，遇到表面反光或全黑的物体，需要更复杂的光学技术来保证浏量 的顺利进行。非接触测量一般具有较高的测量速度，不会划伤被测零件l l q 。对于非接 触潮量的评价主要从准确度、可靠性和测量范匿三个方面来进行，其中测量范霭和准 确度是相互矛盾的，需有一个平衡选择。非接触式测量的测量准确度受被测表面反射 特性的影响很大，耳前国内外对非接触式测量的研究大都集中在非接触测量方法和激 光位移传感器的研制与革新上n ，】。 上海交通大学的高国军、陈康宁等人分析了自由曲面的反求过程，对接触式和非 接触式测量方法进行了比较。针对工程实际应用的要求，提出了一种等距面指导的精 度可控、测量过程能够自动进行的测量方法。该方法采用接触式测量的嘶作为数 字化设备，解决了已往接触式测量不易进行精确控制及人工操作劳动强度大的缺点【l q 。 侯宇、崔晨阳等人提出自适应扫描测量法和自由型曲面的单有序测量方法，用双 三次参数b 样条和最小二乘法建立溉头中心轨迹曲面的数学描述，实现测头半径鼢三 维补偿和被测曲面的重建测量步长能够自动选择。测量过程简便，陷面生成准确度 商。适用于三坐标测羹机上自由越面的快速、精确铡量和重建嗍。 南京航空航天大学的平雪良等人提出了一种实时在线灰色预测模型用于控制三坐 标测量机的测量，实现三坐标测量机( c 蝴) 对未知自由曲面的测量，该方法分两个步 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 骤进行，初始化数据测量和实时在线灰色预测自动测量。初始化数据测量主要完成预 测用原始数据系列的定义，实时在线狄色预测自动测量则根据原始数据系列预测后续 点来控制c m m 进行测量。采用这种方法免去了对整个曲面进行测量路径规划，可快 速准确地测量自由曲面上的数据而且明显减少测量时间口。 激光传感器在测量自由曲面中有着非接触、精度高等优点，其应用越来越广泛。 浙江大学现代制造工程研究所的谢金、王文等人针对激光测头的线性测量范围较小， 难以测量起伏变化较大的曲面的问题，提出了激光测头的跟踪测量方法，使激光测头 随曲面的高度变化作上下调整，从而可以测量任一表面起伏的曲面，且能根据当前曲 面的曲率大小自适应选择跟踪方式，实现测点的自适应分布。最后，对一个工件分别 进行了等间距测量和自适应跟踪测量，并对两种方法的测量结果做了比较，证明了自 适应跟踪测量方法的可行性和有效性，为自由曲面的测量提供了一种新的方法【2 1 1 。 1 2 课题的研究背景及内容 1 2 1 课题的背景及提出 当今，全球制造企业之间的竞争越来越激烈，决定制造企业全球竞争能力的主要指 标是产品的开发时间、质量、成本以及相应的服务。为了适应国际市场瞬息多变的要 求，多品种小批量的产品生产已经成为主导生产形式，并且为了减少生产成本和生产周 期，各制造企业不得不将许多新出现的技术引入到设计和制造领域中来，为此产生了许 多新的制造技术，如柔性制造系统( f m s ) 、逆向工程( r e ) 、虚拟制造( v m ) 等【2 2 1 。 逆向工程( r e v e r s e e n g i n e e r i n g ，r e ) 技术是针对现有物体，特别是具有不规则自由曲 面的物体，利用三维数字化测量仪器测量出轮廓坐标值，构建曲面，经过编辑、修改 后，将图档转至一般的c a d c a m 系统，再由加工中心制作所需模具进行加工制造， 或采用快速成型技术制造样品模型或零件m 】。逆向工程技术可以认为是“将产品样件 转化为c a d 模型的相关数字化技术和几何模型重建技术”的总称，在制造业领域有着广 泛的应用背景，涉及大量的数据测量工作【2 4 1 。 虚拟制造( v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ，v m ) 技术是指利用信息技术、三维仿真技术、计算 机技术对制造知识进行系统化组织与分析，对整个制造过程建模，在计算机上进行设计 评估和制造活动仿真，强调用虚拟制造模型描述制造全过程，在实际的物理制造之前就 具有了对产品性能及其可制造性的预测能力1 。它提供了从产品概念的形成、设计到 制造全过程的三维可视及交互的环境，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地， 5 末北大学硕士学位论文 第一童绪论 骤进行，初始化数据测量和实时在线耿色预测自动测量。初始化数据测量主要完成预 测用原始数据系列的定义，实时在线灰色预测自动测量则根据原始数据系列预测后续 点采控制c m m 进行测量。采用这种方法免去了对整个曲面进行测量路径规划，可快 速准确地洲量自由曲面上的数据而且明显减少测量时间唧i 。 激光传感器在测量自由衄面中有着非接触、精度高等优点，其应用越来越广泛。 浙江大学现代制造工程研究所的谢金、王文等人针对激光测头的线性涮量范围较小， 难以测量起伏变化较大的曲面的问题，提出了激光测头的跟踪测量方法，使激光测头 随曲面的高度变化作上下调整，从而可以测量任一表面起伏的曲面，且能根据当前曲 面的曲率大小自适应选掸跟踪方式，实现测点的自适应分布。最后，对一个工件分别 进行了等问距测量和自适应跟踪测量，并对两种方法的测量结果做了比较，证明了自 适应跟踪测量方法的可行性和有效性，为自由曲面的测量提供了一种新的方法口“。 1 2 课题的研究背景及内容 1 2 1 课题的背景及提出 当今全球制造企业之间的竞争越来越激烈，决定制造企业全球竞争能力的主要指 标是产品的开发时问、质量、成本以及相应的服务。为了适应国际市场瞬息多变的要 求多品种小批量的产品生产已经成为主导生产形式，并且为了减少生产成本和生产周 期，各制造企、m 不得不将许多新出现的技术引入到设计和制造领域中来，为此产生了许 多新的制造技术，如柔性制造系统( f m s ) 、逆向工程( r e ) 、虚拟制造( v m ) 等吲。 逆向工程( r e v e r s e e n g i n e e r i n g ，r e ) 技术是针对现有物体，特别是具有不舰则自由曲 而的物体，利用三维数字化测量仪器测量出轮廓举标值，构建曲面，经过编辑、修改 后，将图档转至一般的c a d c a m 系统，再由加工中心制作所需模具进行加t 制造， 或采用快速成型技术制造样品模型或零件吲。逆向工程技术可以认为是“将产品样件 转化为c a d 模型的相关数字化技术布几何模型重建技术”的总称，在制造业领域有着广 泛的应用背景，涉及大量的数据测量工作口“。 虚拟制造( v i r m a l m a n u f a c t u r i n g ，v m ) 技术是指利用信息技术、i 维仿真技术、计算 机技术对制造知识进行系统化组织与分析，对整个制造过程建模，在计算机 进千了设计 评佶和制造活动仿真，强调用虚拟制造模型描述制造全过程，在实际的物理制造之前就 具有了对产品性能及其可制造性的预测能力。它提供了从产品概念的形成、设计到 制造金过程的三维可视及交互的环境，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地， 制造金过程的三维可视及交互的环境，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 骤进行，初始化数据测量和实时在线灰色预测自动测量。初始化数据测量主要完成预 测用原始数据系列的定义，实时在线狄色预测自动测量则根据原始数据系列预测后续 点来控制c m m 进行测量。采用这种方法免去了对整个曲面进行测量路径规划，可快 速准确地测量自由曲面上的数据而且明显减少测量时间口。 激光传感器在测量自由曲面中有着非接触、精度高等优点，其应用越来越广泛。 浙江大学现代制造工程研究所的谢金、王文等人针对激光测头的线性测量范围较小， 难以测量起伏变化较大的曲面的问题，提出了激光测头的跟踪测量方法，使激光测头 随曲面的高度变化作上下调整，从而可以测量任一表面起伏的曲面，且能根据当前曲 面的曲率大小自适应选择跟踪方式，实现测点的自适应分布。最后，对一个工件分别 进行了等间距测量和自适应跟踪测量，并对两种方法的测量结果做了比较，证明了自 适应跟踪测量方法的可行性和有效性，为自由曲面的测量提供了一种新的方法【2 1 1 。 1 2 课题的研究背景及内容 1 2 1 课题的背景及提出 当今，全球制造企业之间的竞争越来越激烈，决定制造企业全球竞争能力的主要指 标是产品的开发时间、质量、成本以及相应的服务。为了适应国际市场瞬息多变的要 求，多品种小批量的产品生产已经成为主导生产形式，并且为了减少生产成本和生产周 期，各制造企业不得不将许多新出现的技术引入到设计和制造领域中来，为此产生了许 多新的制造技术，如柔性制造系统( f m s ) 、逆向工程( r e ) 、虚拟制造( v m ) 等【2 2 1 。 逆向工程( r e v e r s e e n g i n e e r i n g ，r e ) 技术是针对现有物体，特别是具有不规则自由曲 面的物体，利用三维数字化测量仪器测量出轮廓坐标值，构建曲面，经过编辑、修改 后，将图档转至一般的c a d c a m 系统，再由加工中心制作所需模具进行加工制造， 或采用快速成型技术制造样品模型或零件m 】。逆向工程技术可以认为是“将产品样件 转化为c a d 模型的相关数字化技术和几何模型重建技术”的总称，在制造业领域有着广 泛的应用背景，涉及大量的数据测量工作【2 4 1 。 虚拟制造( v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ，v m ) 技术是指利用信息技术、三维仿真技术、计算 机技术对制造知识进行系统化组织与分析，对整个制造过程建模，在计算机上进行设计 评估和制造活动仿真，强调用虚拟制造模型描述制造全过程，在实际的物理制造之前就 具有了对产品性能及其可制造性的预测能力1 。它提供了从产品概念的形成、设计到 制造全过程的三维可视及交互的环境，使得制造技术走出主要依赖于经验的狭小天地， 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 发展到全方位预报的新阶段，其功能已能覆盖产品的整个生命周期口”。 逆向工程和虚拟制造技术的发展，对虚拟测量技术有了更高的要求。为了对逆向 工程中的数字化模型和虚拟制造的产品进行检验和测量，提出了虚拟坐标测量机 ( v c m m ) 的概念。虚拟坐标测量机能够从c a d 模型中提取被测零件的尺寸和公差信 息、自动选择测头、实现数据的补偿处理和存储。虚拟坐标测量机可以与真实的三坐 标测量机结合，通过虚拟坐标测量机生成被测零件的d m i s 测量程序，然后进行测量， 也可以单独作为测量工具，对逆向工程中的数字化模型和虚拟制造过程中的虚拟产品 进行测量。因此，它非常适合c a d 与c a m 的集成，在c i m s 和f m s 环境中很有用途 口“，对逆向工程和虚拟制造等新技术的发展也是不可或缺的一个发展方向，可对虚拟 测量机进行软件升级，能够满足逆向工程和虚拟制造技术的发展对虚拟测量技术的需 要。 由于经济的发展和人们生活水平的提高，产品越来越多样化、个性化，对产品功 能和外形等方面的要求日益严格，使得自由曲面零件在现代工业中得到了越来越广泛 的应用。在逆向工程和虚拟制造过程中，自由曲面零件也会占有相当大的比重。所以 对自由曲面零件进行三维几何形状测量、数学建模和数控加工及产品质量评定，从而 实现对自由曲面零件的反求，在现代制造业中具有重要的现实意义】。利用虚拟坐标 测量机对自由曲面截形进行测量，是对虚拟坐标测量机的功能检验和实际应用，也为 自由曲面测量提供了一种新的测量方式和手段。 另外结台东北大学“十五”学科建设项目：大型成套设备全寿命周期设计与可靠 性下的子课题三维曲面数据采集与形态实现，提出了本课题。 1 2 2 课题研究的目的、意义与主要内容 虚拟坐标测量机是坐标测量机发展的新方向，自由曲面截形测量在曲面测量中具 有重要的地位，本课题的研究目的就是根据虚拟坐标测量机的理论建立虚拟坐标测量 机，用该机对自由曲面截形的测量进行研究，探讨测量方法及可行性。 采用尖锥形测头和半球形测头的形式，利用虚拟坐标测量机对c a d 模型的自由曲 面进行虚拟测量，可快速获取衄面截形数据，太大简化了钡4 量和数据处理过程，为在 虚拟坐标测量机上进行c a d 模型自由曲面任意截形测量提供了一种快速、精确、方便 的测量解决方案。在逆向工程和虚拟制造等领域中，针对c a d 模型需要进行大量的测 量工作，虚拟坐标测量机具有重要的应用。利用虚拟测量机对虚拟制造模型进行测量 不但可以预先评估其加工方法的精度、确定合理的加工工艺，而且我认为也是今后研 6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 究的个热点，具有较大的工程意义。 本课题首先建立虚拟坐标测量机，并以此作为虚拟环境，研究自由曲面截形在虚 拟环境下的测量问题，为此主要工作有： ( 1 ) 对三坐标测量机主机设计，按照表达运动关系清楚的前提下尽量减少运动副数 量的原则对各个功能模块进行简化，使用c a d 设计软件s o l i d w o r k s 完成三坐标测量机 的三维实体造型，进行虚拟装配和干涉检查： ( 2 ) 使用m s c v i s u a l n a s t r a nd e s k t o p 软件建立虚拟坐标测量机，并对其进行参数及 控制的设置，1 二发控制程序； ( 3 ) 基于建立的虚拟坐标测量机，对自由曲面截形的测量过程进行仿真和模拟，通 过控制程序对测量数据进行实时采集和存储，并对测量结果进行显示； ( 4 ) 对自由衄面截形的测量结果进行研究，通过样条曲线拟合的方法对测量数据进 行处理； ( 5 ) 对己知曲面模型的截形进行测量，进行误差分析，验证虚拟测量机测量结果的 有效性。 7 东北走学砸士学位论文 第二章虚拟坐标测量机的建立与实现 第二章虚拟坐标测量机的建立与实现 虚拟坐标测量机是模拟三坐标测量枫的结构和运动形式，在软件系统中构建的模 型系统，所以机械零部件三维模型的构建是实现虚拟坐标测量机的基础。而模型部件 的建立不是为加工制造服务，只是为了构建一个虚拟的环境，因此可以在满足结构和 运动要求的前提下，对模型进行简化。为了对三维实体模型的对象有较深入的了解， 在本章中，首先对建模的对象三坐标测量机做了介绍，然后介绍了本文选择的虚拟坐 标测量机系统环境，接着介绍了虚拟坐标测量机的实现方法及实现过程，最后介绍的 是虚拟坐标测量机的关键技术。 2 。1 三坐标测量机简介 三坐标测量机是近几十年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。它广泛地 用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。起初是作为一种检测仪器，它可以 进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置的检测，例如箱体、导轨、涡轮、叶片、缸 体、凸轮、齿轮、形体等空间型面的测量。此外，还可用于划线、定中心孔、光刻集 成线路等，并可对连续曲面进行扫描及制备数控机床的加工程序等。由于它的通用性 强、测量范围大、精度高、性能好、能与柔性制造系统相连接，已成为一类大型精密 仪器，故有“测量中心”之称嗍。 2 。1 。l 三坐标测量机的原理 三坐标测量的原理是将被测物体置于三坐标的测量空间，可以获得被测物体上各 测点的坐标值，根据这些点的空间坐标值，经计算可以求出被测的几何尺寸、形状和 位置嘲。 简单地说，三坐标测量机就是在三个相互垂直的方向上有导向机构、测长元件、数 显装置，有一个能够放置工件的工作台( 大型和巨型不一定有) ，测头可以手动或机动 方式轻快她移动到被测点上，由读数设备和数显装置把被测点的坐标值显示出来的一 种测量设备。测量机的采点发讯装置是测头，在沿x ，y ，z 三个轴的方向装有光栅尺和 读数头。其测量过程就是当测头接触工件并发出采点信号时，由控制系统去采集当前 机床三轴坐标相对于机床原点的坐标值，再由计算机系统对数据进行处理和输出。因 此测量机可以用来测量直接尺寸，也可以获得间接尺寸和形位公差及各种相关关系， 8 查些查兰壁主兰苎垒圭 苎三! 些苎兰堑型兰塑堕苎兰皇! ! 旦 也可以实现全面扫描和一定的数据处理功能，为加工提供数据和测量结果。自动型还 可以进行自动测量，实现批量零件的自动检测。 2 1 2 三坐标测量机的分类 测量机系统的整体结构包括机械本体， 计算机系统和电控柜。测量机的种类繁多， ( 1 ) 按自动化程度分类 控制系统和测头系统等。控制系统又包括 其分类方式也有多种： 数字显示及打印型、带小型计算机的测量机、计算机数字控制型。 ( 2 ) 按采点方式分类 点位采样型和连续采样型。 ( 3 ) 接泓头接触方式分类 接触式和非接触式。 ( 4 ) 按结构形式与运动关系分类 移动桥式、龙门式、悬臂式、水平臂式、坐标镗床、卧镗式、和仪器台式等。 ( 5 ) 按铡量范围分类 小型：最长轴5 1 m 、中型：最长轴【l ，2 m 、大型：最长轴e 2 ，4 r a 、巨型；最长 轴 4 m 。 2 1 3 三坐标测量机的组成 作为一种测量仪器，三坐标测量机主要是比较被铡与标准置，并将比较结果用数 值表示出来。三坐标测量机需要三个方向的标准器( 标尺) ，利用导轨实现沿相应方向 的运动，还需要三维测头对被测盈进行探测和瞄准。此外，测量机还具有数据自动处 理和自动监测等功能，需要由相应的电气控制系统与计算机软硬件实现。 三坐标测量机主要分为主机、测头、电气系统三大部分： ( 1 ) 主机 三坐标铡器机主机主要包括；框架结构、标尺系统、导轨、驱动装置、平衡部件、 转台与附件等。 ( 2 ) 三维测头 三维测头即是三维测量传感器，它可在三个方向上感受瞄准信号和微小位移，以 实现瞄准和铡微两项功能。主要有硬测头、光学澜头等。测头有接触式和非接触式之 分。按输出信号分，有用于发信号的触发式测头和用于扫描的瞄准式测头、测微式铡 9 东北大学硕士学位论文 第二章虚拟坐标测量机的建立与实现 头等。 ( 3 ) 电气系统 1 ) 电气控制系统：是测量机的电气控制部分，具有单轴与多轴联动控制、外围设 备控制、通信控制和保护与逻辑控制等。 2 ) 计算机硬件部分：包括各式p c 机和工作站。 3 ) 测量机软件：包括控制软件与数据处理软件。可进行坐标变换与测头校正，生 成探测模式与测量路径，还用于基本几何元素及其相互关系的测量、形状与位置误差 测量、齿轮、螺纹与凸轮的测量、曲线与曲面的测量等，具有统计分析、误差补偿和 网络通信等功能。 4 ) 打印与绘图装置：根据测量要求打印输出数据、表格、绘制图形等。 2 。2 虚拟坐标测量机系统环境选择 2 2 1 系统平台及工具软件选择 虚拟坐标测量机( v c m m ) 是建立在软件平台构建的系统环境中，因此建立v c m m 的一个重要内容就是系统平台及工具软件的选择。 ( 1 ) 系统平台选择 系统平台的选择直接决定了仿真的效率与效果，以及系统的可扩展性和产品的生 命周期的长短。平台的选取遵循操作简易与数据充分共享的原则，所以采用w i n d o w sx p 操作系统，它既是两个应用软件的工作平台，同时也作为一网络操作系统为异地通讯 提供底层支持。 ( 2 ) 工具软件的选择 目前市场上的三维实体建模软件种类繁多功能也各异，基本上可分为高档、中档 和低档三类。高档软件以三维实体造型为主，能较好地完成从设计、工程分析到制造， 从三维实体造型到二维工程图的一体化c a d c a m c a e 功能，代表有p r o e n g i n e e r 、 u g 、i - d e a s 等；中档软件以三维实体或曲面造型结合二维绘图，能完成中等复杂零件 的造型，有的具有模具c a d 功能，代表有s o l i d w o r k s 等；低档软件以二维绘图功能为主， 能实现计算机辅助绘图，代表产品有a u t o c a d 、c a x a 等。 a d a m s 是较为常用的仿真软件，有人通过p r o e n g i n e e r 软件进行实体建模， 在a d a m s 的基础上开发了虚拟坐标测量机，能够满足基本的虚拟测量功能，但是还 存在如下一些问题。 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章虚拟坐标测量机的建立与实现 1 ) 对a d a m s 的二次开发是通过内部的宏命令进行的，未采用功能较强的开发语 言，所以对虚拟坐标测量机的后续开发有一定的影响； 2 ) 在a d a m s 系统中采用的测量原理是在测头与导杆之间添力l l s p r i n g 约束，通过传 感器判断约束力的有无来实现连续接触和数据采集，最大误差为0 0 1 m m ，误差偏大； 3 ) 实现了实时半径补偿，但不能实时显示，未提取灏9 头球心坐标数据，不利于采 用其他补偿方法进行数据处理鲫。 本文从满足课题总体流程功能、避免采用a d a m s 仿真平台所存在问题的角度出 发，采用s o l i d w o r k s 软件为实体建模软件，主要考虑s o l i d w o r k s 软件简单易用，功能 强大，系统稳定可靠，而且它能将模型直接导入到课题后续用的仿真分析软件 m s c v i s u a i n a s l r a n 中，省去了一些格式转换带来的不必要的麻烦。目前仿真软件很多， 如美国机械动力公司0 v l e c h a n i c a ld y n a m i c si n e ) 的a d a m s ，c a d s i 的d a d s ，德国 航天局的s i m p a c k ，其它还有f 1 0 w 3 d ，i d e a s ，a n s y s 等等p “。选择软件 m s c v i s u a l n a s t r a n 作为虚拟坐标测量机的仿真环境，主要考虑了它提供的一些功能可 以直接应用到虚拟坐标测量机当中，如接触设置、约束设置、接触力设置等，同时 m s c