（计算机软件与理论专业论文）虚拟cnc齿轮测量中心的建模和仿真研究.pdf

虚拟c n c 齿轮测量中心的建模和仿真研究 学科：计算机软件与理论 研究生签字：伊 指导教师签字： 摘要 i i i l l lii l l li ii ii i i i1 11 y 17 5 0 0 0 6 虚拟c n c 齿轮测量中心是一个纯软件的系统。它是对真实c n c 齿轮测量中心的一 个模拟仿真，分为机械部分的仿真建模和仿真运行两部分。其中机械部分的仿真建模分为 几何建模、运动建模和误差建模；仿真运行部分主要是仿真接口的设计与研究。研究的目 的是用测量程序来控制虚拟c n c 齿轮测量中心，从而用虚拟c n c 齿轮测量中心来调试 测量程序，验证其正确性与可用性。 本文研究的主要内容为虚拟c n c 齿轮测量中心体系结构中的仿真接口部分。虚拟 c n c 齿轮测量中心仿真接口的设计和实现是建立c n c 齿轮测量中心的构成以及其工作原 理和过程的基础上，在此基础上我们对其进行设计和研究。课题采用的是动态链接库的方 法，在动态链接库中完成虚拟c n c 齿轮测量中心仿真接口的设计。通过对其仿真接口的 设计与研究，实现了虚拟c n c 齿轮测量中心开关量输入输出模块、a d 转换模块、光栅 计数模块以及电机驱动模块这四个模块仿真接口。其中开关量输入输出模块完成了上位机 个运动轴的驱动工作， 功能。 采用数 r e s e a r c ho nm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n o ft h ec n cg e a r m e a s u r i n g c e n t e r d i s c i p l i n e ：c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y s t u d e n ts i g n a t u r e ：忍玑“ s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：刁：以九 a b s t r a c t v i r t u a lc n cg e a rm e a s u r i n gc e n t e ri sa p u r es o f t w a r es y s t e mt h a ts i m u l a t e st h er e a lc n c g e a rm e a s u r i n gc e n t e r t h ev i r t u a lc n cg e a rm e a s u r i n gc e n t e ri sc o n s i s t so ft w o p a r t s ，o n ei s t h em e c h a n i c a ls i m u l a t i n gm o d e l i n g ，t h eo t h e ri st h es i m u l a t i n gr u n n i n g t h ef o r m e ri sm a d e u p o fg e o m e t r i cm o d e l i n g ，m o t i v em o d e l i n ga n de r r o rm o d e l i n g t h el a t t e rm a i n l yr e f e r st ot h e s i m u l a t i n gi n t e r f a c e sd e s i g na n dr e s e a r c h t h ea i mo ft h i ss t u d yi st ou s et h em e a s u r i n g p r o g r a mt oc o n t r o lt h ev i r t u a lc n c g e a rm e a s u r e m e mc e n t e r , w h i c hc a nv e r i f yt h em e a s u r i n g p r o g r a mc o r r e c t l ya n du s a b l y i nt h i s p a p e rw em a i n l yr e s e a r c ht h es i m u l a t i n gi n t e r f a c ep a r to fv i r t u a lc n cg e a r m e a s u r i n gc e n t e r t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es i m u l a t i n gi n t e r f a c ei sb a s e do nt h e c o n s t i t u t i o no fc n cg e a rm e a s u r i n gc e n t e ra sw e l la si t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dp r o c e s s t h e d y n a m i c l i n kl i b r a r y i s a p p l i e dt oc o m p l e t et h ev i r t u a lc n cg e a rm e a s u r i n gc e n t e r s s i m u l a t i n gi n t e r f a c ed e s i g n d e s i g n i n ga n dr e s e a r c h i n go fs i m u l a t i n gi n t e r f a c e ，w eh a v e c o n s t r u c t e df o u rs i m u l a t i n gi n t e r f a c e s m o d u l e s ，i e i n p u ta n do u t p u to fs w i t c hm o d u l e ，a d c o n v e r t e rm o d u l e ，r a s t e rc o u n t i n gm o d u l ea n dm o t o rd r i v i n gm o d u l e t h ei n p u ta n d o u t p u to f s w i t c hm o d u l e sf u n c t i o ni st h a tt h ed a t a sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eh o s tc o m p u t e ra n dt h e v a r i o u sc o n t r o lb u t t o n si nt h ev i r t u a lm a c h i n eo p e r a t i o np l a t f o r m t h ea dc o n v e r t e rm o d u l e f u l f i l st h a tt h ev i r t u a lm a c h i n e sp r o b ep r o d u c e sas m a l l d i s p l a c e m e n t ，a n dt h e nt h eh o s t c o m p u t e rg e t sa n ds h o w st h i ss m a l ld i s p l a c e m e n t t h ee n c o d e rc o u n t i n gm o d u l ec o m p l e t e st h a t t h eg r a t i n gc o u n t e rc o u n t se a c hm o v i n ga x i s ，a n du l t i m a t e l yt h ec o u n t sr e t u r n st ot h eh o s t c o m p u t e r t h em o t o rd r i v i n gm o d n l ef i n i s h e st h ef o u rm o v i n ga x e s d r i v i n gw o r kt h a td u e st o t h eh o s tc o m p u t e r a n dw ea d o p t e dt h ed i g i t a ld i f f e r e n t i a la n a l y z e ro fl i n e a ri n t e r p o l a t i o n m e t h o d ( d d a l i n e a ri n t e r p o l a t i o nm e t h o d ) t oc o m p l e t et h ef o u r - a x i sl i n k a g ef u n c t i o n t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h es i m u l a t i n gi n t e r f a c e ，w ef u r t h e ri m p r o v et h eo v e r a l ld e s i g no f t h ev i r t u a lc n cg e a rm e a s u r i n gc e n t e r k e yw o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y ；s i m u l a t i n gi n t e r f a c e ；d y n a m i cl i n kl i b r a r y ；d d al i n e a r i n t e r p o l a t i o nm e t h o d 目录 l 绪论1 1 1 课题的来源以及研究背景1 1 2 国内外在本领域中的研究现状2 1 2 1c n c 齿轮测量中心的发展2 1 2 2 虚拟现实技术的发展3 1 2 3 虚拟制造技术的发展4 1 2 4 坐标测量技术的研究现状6 1 2 5 虚拟c n c 齿轮测量中心的研究现状7 1 3 课题研究的目的和意义8 1 4 课题研究的内容及重点8 2c n c 齿轮测量中心的构成9 2 1 引言9 2 2c n c 齿轮测量中心的工作原理和过程9 2 3c n c 齿轮测量中心的构成。1 0 2 3 1c n c 齿轮测量中心测量控制系统的功能1 0 2 3 2c n c 齿轮测量中心测量控制系统的组成1 1 2 - 3 3c n c 齿轮测量中心测量控制软件的层次结构1 2 2 4 本章小结1 6 3 虚拟c n c 齿轮测量中心的仿真接口的设计与实现1 8 3 1 引言18 3 2 虚拟c n c 齿轮测量中心体系结构18 3 3 虚拟c n c 齿轮测量中心仿真接口设计总体思路1 9 3 4 系统开发的环境2 2 3 5 虚拟c n c 齿轮测量中心仿真接口的实现2 2 3 5 1 开关量输入输出模块的实现2 3 3 5 2a d 转换模块的实现2 9 3 5 3 电机驱动模块的实现3 2 3 5 4 光栅计数模块的实现3 6 3 5 5 仿真接口设计和实现的验证实例3 9 3 6 本章小结4 l 4 结论4 2 参考文献4 3 攻读硕士学位期间发表的论文4 5 致谢 学位论文知识产权声明4 7 学位论文独创性声明4 8 1 绪论 1 1 课题的来源以及研究背景 1 绪论 本课题的来源于国家8 6 3 项目“复杂与大型齿轮测量系统”。所研制的虚拟c n c 齿 轮测量中心是用于调试测量程序，验证其正确性与可用性。 随着科学技术的发展以及全球化竞争的加剧，快速变化的市场要求产品制造商以最短 的生命周期开发出最低成本的产品。为了快速、灵活的生产出满足用户需求的产品，全世 界各大产品开发机构提出了许多新的思想和新的技术，如虚拟现实技术、虚拟制造技术等。 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y , v r ) 的产生始于三维计算机动态图形学的成就，最早的虚拟现 实雏形是1 9 5 6 年由美国m o r t o n h e i l i n g 所研发的s e n s o r a m a 摩托车驾驶模拟器。虚拟现 实是利用计算机技术建立起来的一种逼真的虚拟环境，在这个环境中，人们的视觉、听觉 和触觉等的感受像是在真实的环境中一样，即有“身临其境”的感觉，人们可以沉浸在这 个环境中与环境进行实时交互。虚拟现实产生后，经过4 0 多年的发展，已在航空、航天 和娱乐业取得了令人瞩目的成就，并迅速扩展到其它行业，而且“虚拟 一词的含义也在 不断地延伸，进入更广阔的领域。 虚拟现实技术在制造领域的应用产生了虚拟制造( v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ，v m ) 的概 念，一般认为，虚拟制造是以计算机支持的仿真技术和虚拟现实技术为前提，对产品设计、 工艺规划、加工制造等生产过程进行统一建模，在产品设计阶段，实时地、并行地模拟出 产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造技术、产品的可制 造性，从而更有效、更经济、柔性灵活地组织生产，并使新产品开发一次获得成功，以达 到产品的开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化，生产效率的最高化【2 j 。虚拟 制造的发展对制造过程中的加工、测量和检验等提出了更新更高的要求，特别是作为现代 先进制造业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，也必须适应这种发 展的需求。 三坐标测量机( 3 d c m m ) ，它的测量原理是将被测零件放入其允许的测量空间以获得 被测几何型面上各测点的坐标尺寸。目前三坐标测量机已广泛的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 3 j 。然 而传统的三坐标测量机不支持“并行工程”和“虚拟制造 ，更无法在虚拟环境中运行。 因此探讨虚拟坐标测量机是虚拟制造系统发展的需要。虚拟坐标测量机可以极大的提高坐 标测量机的离线编程效率，由于编程和仿真不需要真实的坐标测量机，大大降低了昂贵的 机时费用，还可以用于初学者的技术培训和训练，以及坐标测量机功能演示等。 虚拟测量是在工件生产出来之前对其c a d 模型在虚拟环境中进行测量。就是把坐标 匝安工业大学硕士学位论文 测量机、测头和零件的三维实体模型放到虚拟的计算机环境中，通过虚拟测头的移动和与 虚拟零件的接触来实现真实环境下坐标测量机测量零件的过程。虚拟测量与真实测量的目 的不同，真实测量的目的是测量零件的尺寸和误差是否满足要求，而虚拟测量的目的是验 证测量方案的可行性以及测量程序的正确性，从而更好的提高离线编程的效率【4 1 。 本课题以真实的c n c 齿轮测量中心为原型对虚拟c n c 齿轮测量中心的整体体系结 构进行了分析和研究，着重研究其仿真接口模块。建模和仿真技术的研究是虚拟c n c 齿 轮测量中心研究的基础，它是虚拟现实技术、虚拟制造技术、虚拟测量技术和计算机技术 相结合的产物。虚拟齿轮测量中心的研究适应了目前对产品开发要求短周期、快速以及离 线编程的需求，开辟了坐标测量领域的一个新趋向。 1 2 国内外在本领域中的研究现状 1 2 1c n c 齿轮测量中心的发展 c n c 齿轮测量中心是八十年代国际上迅速发展起来的机电结合的高技术齿轮量仪， 八十年代后期国外产品开始进入我国。与传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、蜗轮、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 许多传统方法无法检测的技术难题。无论是制造中的技术含量，还是使用时的性能指标， c n c 齿轮测量中心都代表了当今国际上最先进的测试技术水平。 1 9 9 1 年机械工业部将“齿轮测量中心”作为重点开发的量仪新产品立项研制，1 9 9 3 年中国兵器工业总公司将“c n c 齿轮测量中心研制 列为重点民品开发项目，1 9 9 5 年西 安工业大学( 原西安工业学院) 研制成功我国第一台c n c 齿轮测量中心，并在第四届北 京国际机床展览会上参展。在以后的几年中，不断对齿轮测量中心的技术性能指标进行完 善、改进、提高。到2 0 0 0 年完成了c n c 齿轮测量中心的商品化设计、制造。 c n c 齿轮测量中心实质是由计算机控制的极坐标测量机，其机械运动包括轴向( z 轴) 、径向( r 轴) 、切向( t 轴) 三个方向的直线运动，一个旋转运动( 0 轴) 和三维微 位移传感器测头的小范围移动。旋转运动和三个方向的直线运动分别由各自的伺服电机驱 动，可实现四轴联动。各轴任意时刻的位置由高精度位移传感器检测。工件装夹在旋转主 轴上，随主轴一起转动，测微仪装在可沿三个坐标轴移动的滑台上。齿轮测量中心的工作 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 测量运动，在测头沿工件表面运动的过程中，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，这些数据记录了被测型面的实际形状，由计算机与理论 型面进行比较，得出测量结果【5 】【6 1 1 7 。图1 1 为我国研发的c n c 齿轮测量中心： 2 虚拟技术就是用动态模型做实验，以数字模型代替实物，在计算机中进行动态运行，以达 到与现实实验相同的效果。在作为虚拟技术中最重要的内容之一，虚拟现实技术( v i r t u a l r e a l i t yt e c h n o l o g y , v r t ) 的出现是计算机图形学、人机接口技术以及人工智能技术等交叉 与综合的结果。 虚拟现实技术是一种综合运用各种技术制造逼真的人工模拟环境，并能有效的模拟人 在自然环境中的各种感知系统行为的高级的人机交互技术。虚拟现实技术利用计算机技术 生成一个逼真的、具备视、听、触、嗅、味等多种感知的虚拟环境。它借助于计算机生成 一个三维空间，通过将用户置身于该环境中，借助轻便的多维输入输出设备( 如跟踪器、 头盔显示器、眼跟踪器、三维输入设备和传感器等) 和高速图形计算机，并根据由此产生 的一种身临其境的感觉，去感知和研究客观世界的变化规律。用户在虚拟环境中可以“自 由”运动，随意的观察周围的景物，进而感受和研究客观世界的变化规律【8 j 1 9 j 。 美国在v r t 领域的研究水平处于世界领先地位，是v r 技术的发源地。目前美国在 该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。北卡罗来纳大 学( u n c ) 的计算机系是进行虚拟现实研究最早的大学，他们主要研究分子建模、航空驾驶、 外科手术仿真、建筑仿真等。英国在分布并行处理、辅助设备( 包括触觉反馈) 设计和应用 研究方面处于领先地位。日本主要致力于建立大规模v r 知识库的研究，在虚拟现实的游 戏方面的研究也处于领先地位。我国v r 技术研究起步较晚，与国外发达国家还有一定的 差距，但现在已引起国家有关部门和科学家们的高度重视，并根据我国的国情制定了开展 虚拟现实技术的研究计划。九五规划、国家自然科学基金委、国家高技术研究发展计划等 西安工业大学硕士学位论文 都把此项技术列入了研究项目。 虚拟现实是在人类为改善人与计算机的交互方式、提高计算机可操作性所进行的努力 中产生的。目前，在虚拟现实硬件中，国内外市场上出现了各式各样的产品【1 2 】 1 3 】。 6 0 年代初，美国电影摄影师m o r t o nh e i l i n g 发明了一个摩托车模拟器，实验者坐在虚 拟驾驶座上可以观看到接近于真实的街道、楼群以及穿梭于道路两旁的行人，甚至可以感 觉到行车的颠簸。这是世界上第一台虚拟摩托车i l 引。 1 9 6 7 年，i v a ns u t h e r l a n d 在哈佛提出了一种设想，把用户放入到计算机生成的三维世 界中去完成人脑所能完成的功能。s k e t c h p a d 设计了一个装置，这个装置通过戴在用户头 上的双目眼镜内的小计算机屏幕呈现出一个逼真的三维情景。这个装置被固定到与天花板 相连接的吊臂上，当用户的头的位置改变时，吊臂关节的移动就会被传输到计算机中，计 算机则相应地更新屏幕的显示，这就是第一台头盔式显示器。s u t h e r l a n d 的第一台头盔显 示器很快就赢得了“达摩克利斯之剑 的绰号，它提供给了用户一个神奇的虚拟的世界【 j 。 1 9 7 6 年，m y r o nk r u e g e r 制造了著名的v i d e op l a c e 系统来演示用计算机图形和摄影机 图形的结合来生成人工现实的思想，m k r u e g e r 最早提出了不受外界干扰的虚拟环境的 概念【1 6 】。 1 9 8 5 年，美国国家航天局研制了能测量手指关节和手掌形态的数据手套。而后，在 1 9 8 6 年又研制成功了基于此数据手套的v i e w ( v i r t u a li n t e r a c t i v ee n v i r o n m e n td i s p l a y ) ，这 是世界上第一台较为完整的多用途、多感知的虚拟接口系统。它使用了头盔显示器、数据 手套、语言识别与跟踪等技术，并应用于空间技术、科学数据可视化、远程操作等领域【1 7 】。 近几年来，随着虚拟现实技术的发展，仿真行业已经成为了具有一定规模的新型企业， 其应用也相当广泛，如国防、能源、电力、交通、物流、教育、航天航空、工业制造、生 物医学、医疗、石油化工、船舶、汽车、电子产品、虚拟仪器、农业、体育、娱乐、社会 经济运行、环境及安全科学等领域 1 9 11 2 0 1 【2 1 1 。 1 2 3 虚拟制造技术的发展 虚拟制造( 这里的制造是指广义的大制造，包括产品的设计与生产) ，是指利用计算 机模型和仿真来实现产品的设计和生产的技术，它以信息技术，仿真技术，虚拟现实技术 为支持，在产品设计或系统制造的物理实现之前，就能预测或能感受到未来产品的形态、 行为和性能或者制造系统的状态，从而可以做出前瞻性的决策与优化实施方案1 2 2 1 。简言 之，这是一种在计算机中实现的制造技术，它从根本上改变设计、试制、修改设计、规模 生产的循环反复、串行式传统制造模式1 2 3 】。 虚拟制造技术是2 0 世纪8 0 年代提出的概念，在2 0 世纪9 0 年代得到重视和发展。虚 拟制造技术的研究与应用是以c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，计算机 集成制造) 为基础，如以c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，计算机辅助设计) ，c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ，计算机辅助工程) ，c a m ( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ，计算机辅助 制造) 等单元技术和d f a ( d e s i g nf o ra s s e m b l y ，面向装配的设计) ，d f m ( d e s i g nf o r 4 1 绪论 m a n u f a c t u r a b i l i t y ，面向制造的设计) 等集成技术、网络技术等为基础，更为强调可视化仿 真和虚拟现实技术。目前虚拟制造的研究与应用已经深入到学术机构、企业乃至软件开发 商。但由于“虚拟”和“制造”的内涵理解有所不同，以及从事领域的差异，“虚拟制造” 技术的发展会有不同的侧重。 1 ) 学术研究 国外的大学及研究机构主要开展虚拟制造技术的基础研究与工具原型系统的开发。 1 9 8 9 年美国马萨诸塞州技术研究所的“虚拟制造”报告提出了虚拟制造在产品概念设计 和早期性能评价方面的优势。1 9 9 3 年美国爱荷华大学的报告“制造技术的虚拟环境”提 出了建立虚拟制造的支持环境，包括虚拟制造的评估系统、装配顺序计划和材料去除过程 模拟以及离线编程等技术。美国华盛顿大学的面向设计与制造的虚拟环境v e d a m 系统 是在p t c 的p r o e n g i n e e r 等e a d ，c a m 系统上开发的，包括加工设备建模环境，虚拟设 计环境，虚拟制造环境和虚拟装配环境。美国w i c h i t a 州立大学利用w o f l d t o o l k i t t m 虚 拟环境开发工具对产品装配过程中的可达性问题和人机工程评价进行了研究。 i v i p ( i n t e g r a t e dv i r t u a lp r o d u c tc r e a t i o n ) 是目前德国产品开发研究领域最大的研究课题，其 研究周期从1 9 9 8 年7 月到2 0 0 2 年7 月，共有2 5 0 个研究人员参与，覆盖了来自工业界、 研究机构和大学共5 3 个合作单位，其目的是通过基于i t 技术的结构实现不同环境下的产 品开发。1 9 9 6 年8 月，蒋薪松院士根据a m c 9 5 的有关内容，全面系统的分析评述了 拟实制造和虚拟现实技术在设计和制造领域的发展动向和我国的研究策吲2 4 j ，将对我国 的虚拟设计和制造领域的发展产生重要的影响。英国b a t h 大学的g b a y l i s s 等人提出的 v m a n ( v i r m a lm a n u f a c t u r i n g ) 计划旨在探索简易的虚拟现实技术对工程领域的计算机辅 助设计的作用，在该计划中，利用虚拟现实技术生成工作空间，允许用户利用计算机中的 虚拟机器设备制造产品然后将该过程再现到真实的数控机床上。在日本，以形成了以大阪 大学为中心的研究开发力量，主要进行虚拟制造系统的建模和仿真技术的研究，并开发出 了虚拟工厂的开发环境v h t u a l w o r k s ，所有这些课题的目的都是为了实现世界领先的新产 品的开发。 2 ) 1 业应用 国外许多知名企业己在积极开展虚拟制造技术的应用研究，特别是汽车、飞机、工程 机械以及武器等产品的应用事例和产品层出不穷。美国国防部先进研究计划署a r p a 致 力于将虚拟环境与物理建模、分布离散性模拟等技术结合，为虚拟武器设计提供先进的手 段。加利福尼亚军火商r o c k w e l li n t e r n a t i o n a l 开发了将现有c a d 数据转换传递到虚拟环 境的软件，工程技术人员能看到设备部件是如何装配的，无须制作零部件的物理模型。作 为制造技术应用最典型事例，波音飞机公司采用虚拟样机技术在计算机上建立了波音7 7 7 飞机的最终模型，实现了整机设计、整机装配、部件测试等虚拟开发活动，使产品开发周 期从八年缩短至五年。福特汽车公司已经计划应用虚拟环境技术于汽车设计与工程，该公 司的先进车辆技术组应用虚拟制造技术于装配仿真和虚拟成形，以提高空气动力学、人机 西安工业大学硕士学位论文 工程学和表面建模的效果。德国宝马汽车公司为车门的装配操作设计了一个虚拟装配系 统，该系统能够识别语音输入，完成相应操作，当发生干涉碰撞时，能够发出声音报警。 食品生产商n a b i s c o 计划将组装生产线进行拟实化，以便培训人员去维护和维修生产线。 3 ) 软件系统 由于国外软件开发基础雄厚，在强大的资金支持下，以独立功能为主的虚拟制造技术 软件不断出现和更新。在巨大应用需求的推动下，国外软件公司推出了d e n e b ，m u l t i g e n ， d v i s e ，w o r l d t o o l k i t ，r e l e a s ex ，e a i ，e m p o w e r 等批支持虚拟制造的软件产品。这些 制造软件系统平台的主要功能包括：实时交互虚拟环境建立、模型可视化、虚拟样机设计 分析、虚拟环境漫游、离散事件仿真、加工过程仿真、虚拟装配和拆卸仿真、人体建模与 分析、实时网上信息浏览、生产线布局、三维工程动画等等。从使用情况来看，这些软件 有较大的应用范围和较好的应用效果，然而，这些软件相对来说都非常昂贵【2 5 】。 国内虚拟制造领域的研究属于起步阶段，由于它的潜在前景，已经吸引了政府有关部 门和科学界的重视。 1 2 4 坐标测量技术的研究现状 “坐标测量”概念的提出是对传统测量观念的一个重大突破，坐标测量机技术的水 平是现代测量技术和制造技术水平的一个重要标志。坐标测量机与传统的检测仪器相比， 具有灵活性高，启动时间短，精度高和自动化程度高等优点，并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。进入2 0 世纪8 0 年代，坐标测量机的一个重要发展方向是它被集成入f m s 和c i m s 中，成为现代先进制造中质量保证和测量信息反馈的重要组成部分。 三坐标测量机是一种在三个相互垂直的方向上具有导向机构、测长元件和数显装置， 同时带有放置工件的工作台，测头可以用手动或机动方式轻快地移动到测点上，并通过数 显装置将各方向的坐标值显示出来的一种用于测量的机器。它的测量原理是将被测零件放 入其允许的测量空间以获得被测几何型面上各测点的坐标尺寸。目前，三坐标测量机己广 泛地应用于三维复杂零件的尺寸、形状和相互位置地高准确度地测量，以及实物模型数字 化和在线质量控制等领域，成为现代先进制造中质量保证和测量信息反馈地重要组成部 分。 1 9 5 9 年，在法国召开的国际机床博览会上英国f e r r a n t i 公司首先提出了“坐标测量” 这一新的概念，所展示的坐标测量机只有x 、y 两个可移动导轨和相应的数据读入装置， 而在z 方向只有一个量程很小的位移传感器，实际上它只是一个准三维的坐标测量机，精 度为0 0 0 1 i n c h l 2 6 】。 1 9 6 9 年，美国s h e f f i e l d 公司又在a s m es h o w 展示了具有计算机辅助( c o m p u t e r - a i d e d ) 和直接计算机控制( d i r e c tc o m p u t e r - c o n t r 0 1 ) 的坐标测量机，才使坐标测量机从真正意 义上实现了“坐标测量”的概念。 1 9 7 5 年，英国r e n i s h a w 公司3 一d 电触发式测头的出现并被广泛地采用，使c m m 技术 6 1 绪论 趋于完善，随着微处理器和微处理机的技术的成熟及其在c m m 中地普遍应用，使c m m 的 数据处理能力不断增强，成本急剧下降，最终使c m m 真正的进入市场，并成为了现代测 量技术的主流产品【2 7 】。 进入n 8 0 年代，坐标测量机的一个重要发展方向使它被集成入f m s 和c i m s 中，随后 十几年，围绕着c a d c a m ，c m m 的集成、c m m 与f m s 和c i m s 的集成、c m m 的路径规划、 零件位置的自动识别、c m m 的自动编程、c m m 的离线编程以及智能坐标测量机等几个方 面，人们开展了大量的研究工作，并取得了一系列的重要成果。 1 9 9 1 年，江宇平从方法论、软件开发和生产实际应用等方面对c a d 指导的坐标测量 机检测规划自动生成环境进行了研究，实现了c a d 指导的智能检测规划集成系统 i n s p e c t o r 。该系统由两个部分组成：基于特征的零件建模环境及基于c a d 的检测规划 专家系统1 2 引。 三坐标测量机已广泛应用于制造领域，是非常重要的几何量测量仪器。计算机技术在 坐标测量机中的应用，不但提高了坐标测量机的自动化程度，而且由于软件补偿方法的应 用，大大提高了坐标测量机的测量精度。 1 2 5 虚拟c n c 齿轮测量中心的研究现状 西安工业大学白玉羚同志通过对这方面的研究，将虚拟c n c 齿轮测量中心分为四 个功能模块，它们分别是几何建模，运动建模，误差建模和仿真运行。该同志主要对其几 何建模和运动建模这两部分进行了深入研究，误差建模和仿真运行的研究还尚属空白。在 几何建模中利用o p e n g l 提供的体素实现了虚拟测头的几何建模，利用三角拼接算法将三 维绘图软 利用键盘 态下的旋 知。 图1 西安工业大学硕士学位论文 1 3 课题研究的目的和意义 本课题研究的是基于虚拟现实技术的c n c 齿轮测量中心的建模和仿真。其原型c n c 齿轮测量中心是由计算机控制的坐标测量机，它可以测量复杂刀具、蜗轮、蜗杆、凸轮、 曲轴等各种复杂工件【2 9 】。与传统的机械式齿轮量仪相比，c n c 齿轮测量中心具有测量精度 高、速度快、功能强等优点。它由硬件部分和软件部分组成，测量软件开发出来后，需要 在c n c 齿轮测量中心上进行调试，判断程序的正确性以及测量方案是否可行。可是，在 调试测量程序时，一旦测量程序出现错误就很容易损坏机器【3 0 】。而且只有在有具体的被 测量对象时，用户才能够制定该产品的测量方案。对于真实的c n c 齿轮测量中心而言， 我们无法得知其误差的产生是由于机器工件本身所致，还是由于测量程序所致，但是对于 虚拟c n c 齿轮测量中心而言，它是一个理想状态下的工件模型，如果我们应用测量程序 来控制虚拟机后，得到的测量误差与虚拟机这种理想工件模型所导致的误差不相同，那么 我们就可以判定这个误差是由于测量程序所致，从而对测量程序进行修改和优化。为了解 决上述问题，本课题提出了一个新产品虚拟c n c 齿轮测量中心。 虚拟c n c 齿轮测量中心是虚拟现实的一种，它的是以真实的c n c 齿轮测量中心为 原型用软件建立起的一个三维立体模型，它能够仿真真实的c n c 齿轮测量中心的测量过 程【3 。 虚拟c n c 齿轮测量中心可应用于许多方面：首先，由于编程和仿真不需要真实的机 器，这样可以避免测量程序测试时由于测头与零件发生的碰撞所产生的对机器的不良影 响，使得造成微小错误的原因易于诊断。其次，在虚拟c n c 齿轮测量中心上调试测量程 序，用户可以预测并观察真实测量机在指令执行过程中和执行完毕后各部件的位置或姿 态，给操作者提供指令执行情况的视觉参考，确保操作指令的正确性和有效性【3 2 】 3 3 1 【3 4 】。 第三，由于虚拟c n c 齿轮测量中心测量的并不是真实的零件，因此在没有真实零件的情 况下，就可以得到零件的测量方案和测量程序，这样可以极大地提高坐标测量机的离线编 程效率。第四，它可以作为示教的理想工具，可以用于初学者的技术培训以及c n c 齿轮 测量中心的功能演示等【3 5 1 。 目前我国对于虚拟c n c 齿轮测量中心的研究在国内外还尚属空白，因此我们对于虚 拟c n c 齿轮测量中心的研究有着很大的实用价值。 1 4 课题研究的内容及重点 本课题研究的主要内容如下： 1 ) 对c n c 齿轮测量中心的构成以及各个部分功能进行分析和研究；确定真实c n c 齿轮测量中心与虚拟齿轮测量中心的分割接口。 2 ) 对虚拟c n c 齿轮测量中心仿真接口进行设计与研究，实现其仿真接口。 2c n c 齿轮测量中心的构成 2 1 引言 2c n c 齿轮测量中心的构成 本课题所研究的主要内容是虚拟c n c 齿轮测量中心的仿真接口的设计，即要用原有 测量程序和所设计的仿真接口来模拟真实c n c 齿轮测量中心的工作过程，因此，需要对 c n c 齿轮测量中心的构成进行研究。只有对c n c 齿轮测量中心的硬件构成有了比较全面 和深入的学习和研究，才能够准确把握虚拟c n c 齿轮测量中心的仿真接口的设计与实现， 也就是说对c n c 齿轮测量中心的构成的全面学习和研究，是j i n g o 完成虚拟c n c 齿轮测 量中心仿真接口设计与实现的基础。c n c 齿轮测量中心的构成由计算机系统、测量与控 制系统和机械系统三大部分组成。其中机械系统部分主要是指它的机械结构，测量控制系 统部分主要是指它的电气系统。 舟7 2 2c n c 齿轮测量中心的工作原理和过程 4 c n c 齿轮测量中心实质上是由计算机控制的极坐标测量机，其系统组成如图2 1 所 一 不： 图2 1c n c 齿轮测量中心系统组成图 其机械运动包括轴向( z 轴) 、径向( r 轴) 、切向( t 轴) 三个方向的直线运动，一 个回旋运动( t h a t a 轴) 和三维微位移传感器测头的小范围移动。旋转运动和三个方向的 直线运动分别由各自的伺服电机驱动，可实现四轴联动。各轴任意时刻的位置由高精度位 移传感器检测。工件夹在旋转主轴上，随主轴一起转动。测微仪装在可沿三个坐标轴移动 9 西安工业大学硕士学位论文 的滑台上 其工作原理是：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 生所要求的测量运动，在测头沿工件表面运动的过程中，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，这些数据记录了被测型面的实际形状，由计 算机与理论型面进行比较，得出测量结果。 c n c 齿轮测量中，t ) , - r 作过程是：首先由开发人员设计t u t t i 量各种工件的测量程序，然 后利用动态链接库将测量程序中给定的参数传递到真实的c n c 齿轮测量中心。测量中心 在接到测量程序传递过来的指令后开始沿工件的表面运动。运动过程中，安装在移动滑台 上的测微仪不断将示值返回给测量程序。同时，测头的在r 轴、t 轴、z 轴的实时坐标以 及零件的旋转角度也被返回给测量程序。测量程序利用这些返回的数据在图纸上绘制成被 测型面的实际形状，然后将其与理论型面进行比较得出测量结果。 2 3c n c 齿轮测量中心的构成 由引言我们可以知道c n c 齿轮测量中心的构成由计算机系统、测量与控制系统和机 械系统三大部分组成。其中测量与控制系统是c n c 齿轮测量中心的关键技术之一。 其中计算机系统是指带有w i n 2 0 0 0 或者w i n x p 操作系统的独立的计算机。它主要由 硬件和软件两大部分组成，其中硬件由输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器组 成；软件主要是由系统软件( w i n 2 0 0 0 和w i n x p 操作系统为系统软件) 和应用软件组成。 机械系统部分主要由滚珠丝杠、伺服电机、各方向上的导轨、机座以及各个方向上的 运动块组成。机械系统的运动原理是，通过滚珠丝杠将伺服电机的旋转运动转化为螺母副 的直线运动，通过各个方向上的运动合成实现所要求的测量运动。 对于机械系统部分对应于虚拟c n c 齿轮测量中心体系结构中，就是其几何建模部分。 这部分主要研究虚拟测头和虚拟零件的建立。即利用o p e n g l 提供的体素直接编程实现 虚拟测头的外观模拟，然后利用专业绘图软件绘制虚拟零件，最后再将虚拟零件导入到系 统的开发环境中进行组合。 下面我们主要介绍测量与控制系统，因为只有对这部分内容进行研究，我们才能对 虚拟c n c 齿轮测量中心的仿真接口的设计有一个全面而清晰的思路。 2 3 1c n c 齿轮测量中心测量控制系统的功能 齿轮测量中心的测控系统的主要功能是接受计算机指令( 即上位机所发出的指令) ， 控制机械系统实现测量运动；实时采集测头及各运动轴的坐标值，传送并进行计算；在采 集过程中是，计数卡实时对各个光栅轴进行计数。还有对机械系统的状态和操作面板进行 监控，由于齿轮测量中心所测量的项目包含有形状、尺寸及位置等几何因素，因此要求采 样点密集、采样频率高，以实现高精度、高效率测量。 1 0 2c n c 齿轮测量中心的构成 2 3 2c n c 齿轮测量中心测量控制系统的组成 c n c 齿轮测量中心的测量控制系统采用的是c a m a c 标准总线，各个功能模板挂在 c a m a c 总线上，c a m a c 通过机箱控制器与计算机相连，由于c a m a c 总线属于面向 测控系统的总线，独立于计算机系统，因此对于不同总线的计算机系统，只需从新设计或 选用相应的机箱控制器即可，从而减少了系统升级成本，同时也缩短了系统的开发周期。 在c n c 齿轮测量中心中，计算机与机箱控制单元( c c u ) 通过计算机总线连接，上 位机发出指令给c