（测试计量技术及仪器专业论文）旋转工件轮廓智能输入系统及路径规划的研究.pdf

摘要 本论文所研究的课题是国防军工项目“零件轮廓测量机”的一部分。旨在为 “零件轮廓测量机提供防涉密的技术支撑。由于军事领域的特殊性，研发坐标 测量机的人员可能无法得知待测零件的模型，或者没有提供待测零件i g e s 文件， 就很难采用虚拟现实技术将待测工件虚拟到整个测量环境中，而本课题弥补了上 述的不足。针对待测的旋转体零件开发一种轮廓智能输入系统，工件的实际尺寸 大小、形状由军事涉密人员根据旋转体工件的二维母线图纸输入。并设计程序对 输入的信息进行处理，得到零件三维模型的i g e s 文件，最终可以被智能坐标测 量软件调用，为智能坐标测量机实现虚拟测量奠定基础。 论文的主要工作： 1 、设计旋转工件轮廓输入系统的工作流程，在v c h 6 。0 的环境中设计开发该系 统，并针对母线中的圆弧和直线部分设计多种输入方式，以便用户选择不同 的输入方式。 2 、根据用户输入的母线信息，设计检测方法，分别从封闭性，有向性，不自交 性三个方面来检测母线信息。 3 、研究了i g e s 文件的格式。按照i g e s 文件中直线段和圆弧段的目录条目段和 参数数据段的要求写成对应的格式，简化i g e s 文件，最后将输入的母线信 息按照相应的格式写成零件三维模型的i g e s 文件。 4 、对测量点的数目进行了规划，提出了点的表面积均匀分布的方法。通过对典 型完整表面的采样策略进行比较，利用贪心算法对旋转体表面进行检测路径 规划。 5 、结合具体的旋转体工件图纸的实例对该旋转工件输入系统进行验证。 论文的创新性之处： l 、本课题提出了旋转工件轮廓输入系统，使得在没有零件的i g e s 文件的情况 下，通过该系统实现零件的虚拟测量。 2 、对输入的母线信息分别从封闭性，有向性，不自交性三个方面进行检测，从 一定的程度上起到了对输入母线的检测。 3 、仔细研究了i g e s 文件的格式，简化了i g e s 文件，最终得到正确的旋转工件 三维模型的i g e s 文件。 4 、对测量点数目的分布提出了新的观点一一测量点的表面积均匀分布，并详细 推导了整个过程。 关键词： 旋转工件轮廓智能输入系统i g e s 文件贪心算法智能坐标测量机 a b s t r a c t i n m i l i t a r yf i e l dt h ei n f o r m a t i o no fm e a s u r e dp a r t si n c l u d i n gd i m e n s i o na n d f i g u r ec a nn o tb es h o w nt oc o m m o np e r s o ni nc a s eo fl e a k a g e ，an e wc o o r d i n a t e m e a s u r e m e n tm a c h i n e ( c m m ) i sn e e d e dt ob ed e v e l o p e dw i t ht h ei n p u to fd i m e n s i o n a n df i g u r eo fp a r tm a n u a l l y i nt h i sp a p e r , a l li n t e l l i g e n ti n p u ts y s t e mf o rr o t a r yp a r t p r o f i l ei sd e s i g n e dt om e e tt h ea b o v ed e m a n d i ti sas u b s u b j e c to f “s p e c i a lm a t e r i a l s p r o f i l em e a s u r i n gm a c h i n e ”u s i n gt h ei n p u ts y s t e m ，s o m ei m p o r t a n ti n f o r m a t i o n s u c ha sp a r a m e t e ri n f o r m a t i o no f e n g i n e e rg r a p h i c sc a l lb ei n p u ta n dc a l c u l a t e d t h e n t h ei g e sf i l eo ft h ep a r ti sc r e a t e da u t o m a t i c a l l y t h em a i nw o r ko f t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ： 1 a ni n t e l l i g e n ti n p u ts y s t e mf o rr o t a r yp a r tp r o f i l ei sd e s i g n e da n dd e v e l o p e di nt h e e n v i r o n m e n to fv c6 0 s o m ed i f f e r e n ti n p u tm e t h o d so fl i n ea n da r ch a sb e e no f f e r e d t ou s e r sb a s e do nt h ew o r k f l o wo ft h es y s t e m 2 an e w a l g o r i t h mi sp r o p o s e dt od e t e c tt h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo fi n p u a e dd a t a , f r o m c l o s i n gp r o p e r t y , t h e o r i e n t a t i o n p r o p e r t y a n dt h e p r o p e r t y o fn o n s e l f - i n t e r s e c t i o n 3 a ni n t r o d u c t i o ni sm a d ef o rt h ef o r m a to fi g e sf i l e su s e da st h ed a t ae x c h a n g e f i l e si nt h ei n t e g r a t i o no fc a d & c a m w i t ht h eh e l po ft h ei n p u ts y s t e m ，s o m e i m p o r t a n ti n f o r m a t i o ns u c ha sp a r a m e t e ri n f o r m a t i o no fe n g i n e e rg r a p h i c sc a l lb e i n p u r e da n dc a l c u l a t e d t h e nt h ei g e sf i l eo ft h ep a r ti sc r e a t e da u t o m a t i c a l l y 4 s a m p l i n gs t r a t e g yp l a n n i n gi sd i s c u s s e d a c c o r d i n gt ot h ea c c u r a c yr e q u i r e m e n la n e w s t r a t e g yo fl o c a t i o no ft h em e a s u r e dp o i n t sb a s e do nt h ee q u a ls u r f a c ea r e ao ft h e e v e r yp o i n ti sp r o p o s e d a f t e rc o m p a r i n gt y p i c a l s a m p l i n gs t r a t e g i e s ，g r e e d y a l g o r i t h mi sa p p l i e df o rt h es y s t e mt os o l v et h es a m p l i n gs t r a t e g yo nt h er e v o l v i n g p a r tp r o f i l e 5 l o t so fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u ta n dt h er e s u l tp r o v e st h a tt h i ss y s t e mi s r e l i a b l ea n df e a s i b l e t h em a i nc r e a t i v ew o r ki n c l u d e s ： 1 i nm i l i t a r yf i e l dt h ei n f o r m a t i o no fm e a s u r e dp a r t si n c l u d i n gd i m e n s i o na n df i g u r e c a nn o tb es h o w nt oc o m m o n p e r s o ni nc a s eo fl e a k a g e ，a ni n t e l l i g e n ti n p u ts y s t e mo f r e v o l v i n gp a r tp r o f i l ei sd e s i g n e dt os o l v et h i sp r o j e c t 2 an e wa l g o r i t h mi sp r o p o s e dt od e t e c tt h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo fi n p u t t e dd a t a , f r o m c l o s i n gp r o p e r t y , t h e o r i e n t a t i o np r o p e r t ya n dt h ep r o p e r t yo fn o n s e l f - i n t e r s e c t i o n 3 a c c o r d i n gt ot h ef o r m a to fi g e sf i l e s ，an e wm e t h o do fs i m p l i f y i n gi g e sf i l e si s d e v e l o p e d ，b yw h i c hi g e sf i l eo f t h ep a r ti sc r e a t e da u t o m a t i c a l l y 4 an e ws t r a t e g yo fl o c a t i o no ft h em e a s u r e dp o i n t sb a s e do l lt h ee q u a ls u r f a c ea r e a o fe v e r yp o i n ti sp r o p o s e d k e yw o r d s ：a ni n t e l l i g e n ti n p u ts y s t e mf o rr o t a r yp a r tp r o f i l e ，i g e sf i l e s ， g r e e d ya l g o r i t h m ，i n t e l l i g e n tc m m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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了谢意。 学位论文作者签名：涨雪r 签字日期： c 7 呵年。月艿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：a 霈 导师签名： 签字日期：蕊吖年二月8 日 纠 签字日期：。一7 年2 月了日 第一章绪论 1 课题背景 第一章绪论 坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，缩写为c m m ) 是近几十年才 发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器。在坐标测量机出现之前也有一些原 始的测量方法，如采用等高尺和量规等通用的量具对平板的平行度进行测量，以 及采用专用量规、心轴、验棒等量具测量孔的同轴度及相互位置精度等等。这种 方法劳动强度大、效率低、精度不易保证。而且对于测量复杂的轮廓外型面，则 需要设计专用测量装置或专用仪器。这些测量装置专用性强、成本高，如果机构 不精确，产生的误差大，其通用性也比较差。随着机械制造、电子、汽车、航空 航天等工业的兴起，越来越多的各种复杂零件的研制和生产需要先进的检测技术 和仪器进行空间三维测量。于是这种通过将测量物体置于三坐标测量的测量空 间，获得被测物体上各测点的坐标位置并根据这些点的空间坐标值，得出被测零 件的几何尺寸、形状位置的三坐标测量机应运而生，并迅速发展日趋完善。“坐 标测量这一全新概念，是英国f e r r a n t i 公司首先提出来的，是在传统测量概念 的基础上的一次重要飞跃。它的重要意义在于，把对测量概念的理解从单纯的“比 较引申到“模型化测量”的新领域，从而推动了测量技术的蓬勃发展【。 三坐标测量机是一种以精密机械为基础，综合应用了光学、电气、测量控制 技术、数据技术、计算机等先进技术的大型通用的高精密检测仪器【2 】。自1 9 5 9 年问世以来，经过五十年的发展，已广泛地应用于三维复杂工件的尺寸、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方面，对保证 产品的质量起着重要的作用。进入8 0 年代后，随着柔性制造系统( f m s ) 和计 算机集成制造系统( c i m s ) 的发展，坐标测量机被集成到如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量信息反馈的重要组成部分，更进一步扩 大了坐标测量机的应用范吲3 1 。现在，在航空、航天、电子等各项领域中，均需 要广泛地用到三坐标测量机，其应用程度和普及性反映了一个国家的工业水平。 近年来新推出的三坐标测量机更是集成了现代光学、机械式坐标测量技术和激光 扫描技术，可完成几乎所有几何量的测量。三坐标测量机具有的测量空间大，精 度高，通用性强、自动化程度高等特点使它成为测试技术中的一种重要工具，作 为制造业，尤其是自动化制造业采集数据、实现质量控制的主导检测设备，得到 第一章绪论 越来越广泛的应用【】。 坐标测量机是一种具有很强柔性的尺寸测量设备。c m m 在工业界的应用开 始于棱柱类工件的快速、精确测量。但随着c m m 各方面技术的发展( 如回转工 作台、触发式测头的产生) ，特别是计算机控制的c m m 的出现，目前，c m m 已 广泛应用于对各类工件的自动检测。与投影仪、轮廓测量仪、圆度测量仪、激光 测量仪等相比较，c m m 具有适用性强，功能完善等特点。坐标测量机的出现， 不仅提高了检测设备的水平，而且在自动化检测中也是一个重要的突破。 不同的c m m 在自动化程度方面有很大的差别。c m m 的工作方式最初只有 手动控制的方式，后来发展到手动控制和示教工作方式，现在c m m 一般具有手 动控制、示教和自动测量三种工作方式。 在手动控制方式下，不需要编程，对工件各项目的测量步骤由具体的操作人 员根据工件图纸来确定，也可以由专门的人员对需要检测的每个工件制定相应的 检测规程，以此来指导操作人员的操作步骤。 在示教工作方式下，c m m 执行的所有动作必须先由操作人员执行一遍， c m m 将这些动作以程序的形式记录到文件中。以后执行该过程就可以自动完成 测量。在这种情况下执行程序是由专门的软件自动完成的。示教的工作方式特别 适合于对具有一定批量的同类工件进行测量。 由此可以看出，传统的三坐标测量机虽然能够以程序控制或自学习方式工 作，但程序控制和自学习都是人工干预的前提下完成的。即工件的几何信息和测 量信息的识别、工件定位、测量点的选择、测量路径的规划等仍然需要人工完成； 并且自学习和程控都是针对具体的工件，一旦更换被测件，整个过程又得重复一 遍。这造成了通用性不强、效率不高的缺点。 而现代机械制造业的发展要求三坐标测量机不仅能够根据人工输入程序或 自学习进行测量，而且应该具备按照工件的设计图纸进行自动测量的能力。希望 能够实现三坐标测量机的智能化，系统就能自动完成对工件的检测。顺应这种要 求，出现了计算机控制的c m m ，即智能坐标测量机。 与一般的c m m 不同的是智能坐标测量机具有对工件的自动检测包括工件 几何信息和测量信息的自动识别、工件的自动定位、检测规划和测量路径的自动 生成等功能。其中工件几何信息和测量信息的自动识别是实现其他功能的前提和 基础。 要实现工件的几何信息和测量信息的自动识别，首先要获得工件的设计、测 量信息。而长期以来二维机械图纸一直作为描述和传递零件几何信息和测量信息 的有效工具。随着c a d c a m 技术的深入，制造业的大量图纸迫切需要输入计 算机并在计算机内部用三维模型来表达，以便计算机处理和提取形成特征。但由 2 第一章绪论 于现有实体造型能力的有限，直接从多视图构造三维实体模型的技术还处于研究 中，离实用还有相当远的距离，因此探索符合三维实体造型功能的、从二维工程 图构筑产品实体模型的方法与策略显得十分重要【6 j 。 尤其是一些军工项目中，有些待测零件的尺寸大小和形状涉及到军事机密， 甚至对测量机的设计和研制人员也是保密的。这时的三坐标测量机就要承担起没 有i g e s 文件零件的测量任务，或者只有一些图纸上的尺寸信息、公差信息以文 字注释形式给出的任务。为了满足各方面的要求，建立了零件的特征输入系统以 配合测量规划系统的使用。它功能上相当于一个小型的c a d 系统，它采用特征 建模的方式，主要由形状特征输入部分组成。 1 2 国内外研究现状及c a d c i 系统集成 1 2 1 国内外研究现状 国内外一些大专院校和科研单位围绕c a d 、c a m 和c m m 集成问题进行了 大量工作，从工件的二维或三维信息中提取工件的特征信息的方面也取得了一系 列的成果。迄今为止，已经出现了自顶向下法、自底向上法、模型引导法、体形 切削法、专家法等由二维视图重建三维形体的算法f 7 1 。 从设计原理上，二维视图到三维视图生成研究主要有两类方法，其中一类方 法是从零件二维视图生成三维实体，便于几何形状理解；另一类是从几何信息 中提取零件成形特征，为下游活动服务1 8 j 。 而大部分的研究主要是在i g e s 文件的后处理器上。即将c a d 软件得到的 l g e s 文件进行处理，从该文件中提取出描述该图的所有线段、圆弧等的几何信 息，以及各线段、圆弧的线型信息；然后进行二维平面实体环重构和三维实体重 构等操作，用三维立体的方式重新对工件进行描述；再从该i g e s 文件中提取出 工件的检测信息，从而将检测信息与重构出的三维立体相结合，形成检测对象。 但对于测检对象的特殊性，三坐标测量机要工作在没有i g e s 文件零件的测量任 务，或者只有一些图纸上的尺寸信息、公差信息以文字注释形式给出的任务。这 就需要设计者要从零件的二维图纸中构造出零件的三维信息的i g e s 文件，这部 分工作很少有人进行研究，在天津大学博士王建利的论文智能三坐标测量机中 关键技术的研究中简单提到了测量规划系统中零件数据的人工输入1 9 1 。 1 2 2c a d c a m 系统集成 要实现c a d c a m 系统之间的数据通信和系统集成，就必须在c m m 与c a d 3 第一章绪论 系统之间进行有效的数据传递。 由于传统意义上的c m m 是一种离线检测装置，其技术的发展是相对独立于 一般c a d c 蝴系统的技术发展的。所以，要想在c a d c a m 系统和检测设备之 间进行有效的数据传递，就必须借助于一些标准规范。目前已经形成了一种标准 规范，即尺寸测量接口规范( d i m e n s i o n a lm e a s u r i n gi n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ，缩写 为d m i s ) 。现在许多软件开发商已开始在他们的软件系统中支持输出数据结构。 作为标准中性文件的图形数据交换标准，为c m m 与c a d 的通讯提供了便利。目 前广泛采用的数据交换标准有a u t o c a d 系统的d x f ( d a t ae x c h a n g ef i l e ) 文件、 美国标准i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g ef i l e 初始图形交换规范) 以及i g e s 的国 家标准s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ) 等。在这些规范 中，美国的i g e s 标准是国际上最早、应用最成熟、最广泛的数据交换标准。i g e s 标准所采用的实体描述包含了图纸的几乎所有信息，而不仅仅是实体的几何信 息；i g e s 文件为固定格式的a s c i i 码文件，每种图形和符号都有固定的表示方法， 因此易于识别和提取；另外，目前几乎所有有影响力的c a d c a m 系统都配有 i g e s 接口，而且该标准已被我国批准为国家标准( g b 厂r 1 4 2 1 3 1 9 9 3 ) 。因此， 本文决定采用i g e s 文件作为数据交换文件来实现c m m 与c a d 系统之间的数据 通讯和系统集成。提出了一种基于轮廓输入系统的母线二维视图的三维重构技 术：用户将零件母线二维图纸中的g d ( 尺寸信息) ( 或经过转换后的参数信息) ， 输入到该系统中，系统( 根据c a d 模型的g d 信息，) 自动再现c a d 图纸的二维 模型，根据旋转特性将二维g d & t 信息转换为三维信息，并自动生成三维模型的 i g e s 文件。 1 3 课题研究的主要内容和意义 本论文所研究的课题是国防军工项目“零件轮廓测量机 的一部分。旨在为 “零件轮廓测量机”提供防涉密的技术支撑。由于军事领域的特殊性，研发坐标 测量机的人员可能无法得知待测零件的模型，或者没有提供待测零件i g e s 文件， 就很难采用虚拟现实技术将待测工件虚拟到整个测量环境中，而本课题弥补了上 述的不足，通过设计开发一种旋转工件轮廓输入系统，工件的实际尺寸大小、形 状由军事涉密人员根据旋转体工件的二维母线图纸输入。并设计程序对输入的信 息进行处理，得到零件三维模型的i g e s 文件，最终可以被智能坐标测量软件调 用，实现虚拟测量。这部分是虚拟三坐标测量机实现对零件测量过程仿真的基础。 此外，论文还对旋转工件进行了测量路径规划。 论文的主要工作： 4 第一章绪论 1 设计旋转工件轮廓输入系统的工作流程，在v c + + 6 0 的环境中设计开发该系 统。并针对母线中的圆弧和直线部分设计多种输入方式，以便用户选择不同 的输入方式。 2 在用户将图纸上的信息输入到该系统的基础上，针对用户输入的母线信息， 设计检测方法，分别从封闭性，有向性，不自交性三个方面来检测母线信息。 3 研究了i g e s 文件的格式。按照i g e s 文件中直线段和圆弧段的目录条目段 和参数数据段的要求写成对应的格式，简化i g e s 文件。最后将输入的母线 信息按照相应的格式写成其零件三维模型的i g e s 文件。 4 对采样策略及采样规划进行了研究。对测量点的数目进行了规划，提出了点 的表面积均匀分布的方法。通过对典型完整表面的采样策略进行比较，利用 贪心算法对旋转体表面进行检测路径规划。 5 结合具体的旋转工件图纸的实例对该旋转工件轮廓输入系统进行验证。 论文的创新性之处： 1 针对军工项目的特殊性，为了实现采用虚拟现实技术实现测量系统、工件及 测量环境相互之间全方位的实时自动防碰撞。本课题提出了旋转工件轮廓输 入系统，使得在没有零件的i g e s 文件的情况下，通过该系统实现零件的虚 拟测量。 2 对输入的母线信息分别从封闭性，有向性，不自交性三个方面进行检测。并 设计了检测算法。从一定的程度上起到了对输入母线信息的检测作用。 3 研究了i g e s 文件的格式，简化了i g e s 文件，最终得到正确的旋转工件三 维模型的i g e s 文件。 4 对测量点数目的分布提出了新的观点一一测量点的表面积均匀分布，并详细 推导了整个过程。 5 第二章旋转工件轮廓智能输入系统的研究 第二章旋转工件轮廓智能输入系统的研究 由于军事领域的特殊性，研发坐标测量机的人员可能无法得知待测零件的模 型，或者没有提供待测零件i g e s 文件，就很难采用虚拟现实技术将待测工件虚 拟到整个测量环境中。为了解决这个问题，本课题设计开发了一种旋转工件轮廓 输入系统，用户可以将图纸信息输入到该系统中，系统内部经过一系列算法来对 输入的数据进行处理，最终得到零件三维模型的i g e s 文件，然后通过该文件， 智能坐标测量软件就可以得到该零件的三维模型，从而实现了虚拟现实的技术， 并且为智能坐标测量系统提供了防涉密的技术支持。 因此这部分的任务就需要为持有零件图纸的检测者设计一个旋转工件轮廓 的输入系统，通过该系统检测者可以输入图纸中零件的信息，并且可以对输入的 信息进行修改，检查。我们并不知道待测零件的模型，只能通过用户提出的要求， 来设计该旋转工件的轮廓输入系统。用户给我们提供的信息和提出的要求如下： 1 ) 待测零件为一旋转体，此旋转体是由y z 平面上的母线绕z 轴旋转而成的； 2 ) 母线是由直线和圆弧以一定的方式组合而成。直线和圆弧的组合方式不定， 可以是起点终点式( 即上一段母线的终点是下一段母线的起点) 、一阶导数连续、 二阶导数连续等等。 根据上面的介绍可以将旋转工件轮廓输入系统的功能归纳为以下几个方面： 1 ) 设计旋转体工件轮廓输入系统使得上面的各种情况都被包含在内。即用户可 以以多种方式输入母线。 2 ) 设计该系统时，应该提供给用户最需要的方式进行信息的输入。即该系统最 理想的情况就是只需要用户将图纸中的信息输入即可。 3 ) 当母线参数输入完毕后，用户可以检查输入是否正确。若不正确，用户可以 返回到指定的母线段进行修改。 4 ) 当用户确定输入的母线参数正确时，能够生成零件三维模型的i g e s 文件， 以便被智能坐标测量软件调用该i g e s 文件。 根据上述输入系统的功能，该系统主要由三部分组成：第一部分是二维图纸 中有效信息的输入；第二部分是数据处理及信息检测；第三部分是零件整体三维 立体模型的i g e s 文件的生成。其中第三部分放在第四章中介绍。 6 第二章旋转工件轮廓智能输入系统的研究 下面将整个软件的工程流程介绍如下，其工作流程如图2 1 所示： 图2 1 系统工作流程图 工作原理简单介绍如下：用户启动该旋转工件轮廓输入系统，在系统提示的 界面处输入零件的母线参数，输入过程中对零件的信息进行检测，如果出现错误， 提示在相应的位置修改。当输入信息完毕后，检测图形是否完整，如果完整就生 成三维模型的i g e s 文件，如果不完整，需要修改，就提示用户在相应位置进行 修改。 2 1二维图纸信息输入模块 用户操作界面提供了用户和编程系统的交互环境。用户界面的设计十分重 要，这是因为界面设计的好坏直接影响到用户是否愿意使用该系统，同时界面的 设计还决定了对系统所涉及的具体内容的表现形式，好的界面有助于内容的表 现，自然、直观、漂亮、实用，也就是我们平时说的界面友好能善解人意。从某 种意义上来说，用户界面是一个系统的最重要的部分。可以理解，对用户来说， 用户界面就是系统本身，因为用户在使用该系统时感觉不到幕后正在执行的代 码。该系统能被用户接受的程度依赖于设计的用户界面的合理程度。因此，在开 发系统时，必须首先设计好用户界耐川。 7 第二章旋转工件轮廓智能输入系统的研究 这部分主要是提供一个平台，通过这个平台用户可以将二维图纸中信息输入 到系统中。那么它在功能上相当于一个小型的c a d 系统。前面提到此旋转体是 由y z 平面上的母线绕z 轴旋转而成的，母线是由直线和圆弧以一定的方式组合 而成，直线和圆弧的组合方式并不确定，组合方式可以是起点终点式( 即上一段 母线的终点是下一段母线的起点) 、也可以是一阶导数连续，或者是二阶导数连 续等等。这就需要将上述母线的所有组合情况全部考虑在内，并提供给用户简便 的方式输入这些参数信息。因此主要考虑如何设计该系统，使得用户输入最少的 信息，并且可以提供给用户多种输入方式。而图纸所提供的信息是用户输入的凭 借，所以设计该系统的流程，应当与用户使用c a d 软件将图纸的信息画出的过 程类似。 2 1 旋转工件轮廓智能输入系统参数输入方式设计 这一小节中首先介绍一下需要用户输入哪些母线段的信息参数；其次重点分 析定形尺寸或定位尺寸并不完整的段类，如何根据前后段来确定该段的信息；最 后简单介绍一下该系统的输入界面的设计。 一、母线段参数信息的输入方式 如前面提到的，旋转工件的母线一般由直线、圆弧以一定的方式组合而成。 下面重点了解一下，哪些参数可以唯一的确定一段圆弧或一段直线段。 首先了解一下圆弧的几何构成，如图2 2 所示。圆弧的几何元素除了起点 ( s t a r t ) 、终点( e n d ) 和圆心( c e n t c r ) 外，还可以由这三点得到半径( r a d i u s ) 、角度 ( a n g l e ) 和弦( l e n g t h ) 。 终点 图2 - 2 圆弧的几何元素 点 在确定输入哪些参数可以唯一确定圆弧段和直线段时，主要是参考了常见的 c a d 软件中绘制圆弧段和直线段的方法，表2 1 便是c a d 软件中常见的圆弧段 的绘图方法： 8 第二章旋转工件轮廓智能输入系统的研究 表2 1 常见的圆弧段的绘图方法 | 方式说明 1 3 p o i n t s 三点法，依次指定起点、圆弧上一点和终点来绘制圆弧。 s t a r t 、c e n t e r 、e n d 起点、圆心、终点法，依次指定起点、圆心和终点来绘制圆弧。 起点、圆心、角度法，依次指定起点、圆心角和终点来绘制圆弧，其 s t a r t 、c e n t e r 、a n g l e 中圆心角逆时针方向为正( 缺省) s t a r t 、c e n t e r 、l e n g t h起点、圆心、长度法，依次指定起点、圆心和弦长来绘制圆弧。 c e n t e r 、s t a r t 、e n d 圆心、起点、端点法，依次指定起点、圆心和终点来绘制圆弧。 圆心、起点、角度法，依次指定起点、圆心角和终点来绘制圆弧，其 c e n t e r ，s t a r t 、a n g l e 中圆心角逆时针方向为正( 缺省) c e n t e r 、s t a r t 、l e n g t h圆心、起点、长度法，依次指定起点、圆心和弦长来绘制圆弧。 起点、终点、角度法，依次指定起点、终点和圆心角来绘制圆弧，其 s t a r t 、e n d 、a n g l e 中圆心角逆时针方向为正( 缺省) s t a r t 、e n d 、r a d i u s起点、终点、半径法，依次指定起点、终点和圆弧半径来绘制圆弧。 比较分析上面的绘图方法，可以将这9 种方法综合归类，共有7 种方式： 1 )“三点”法； 2 ) 将“起点、圆心、终点 法，“圆心、起点、终点法归为一类； 3 ) 将“起点、圆心、角度 法，“圆心、起点、角度”法归为一类； 4 ) 将“起点、圆心、长度法，“圆心、起点、长度法归为一类； 5 )“起点、终点、角度法； 6 )“起点、终点、方向法； 7 )“起点、终点、半径法等等。 通过将上面的方法比较分类，这里结合本课题的特点，将下面几种输入方式 作为比较典型的输入方式提供给用户使用： 1 ) 三点：起点一圆弧上一点和终点确定一段圆弧： 2 ) 起点一圆心一终点一方向( 起点到终点的方向) 来确定； 3 ) 起点一圆心一圆心角( 其中圆心角逆时针方向为正) 来确定； 4 ) 起点一终点一半径一方向( 起点到终点的方向) 来确定； 5 ) 起点一终点一圆心角一方向( 起点到终点的方向) 来确定。 对于直线段段来说它的几何元素有起点，终点，方向，长度，那么这些元素 的组合中，可以唯一确定一段线段的是： 1 ) 起点一终点； 2 ) 起点一方向一长度( 或终点一方向一长度) 。 9 第二章旋转工件轮廓智能输入系统的研究 二、确定母线段的定位信息和定形信息 物体的轮廓形状是多种多样的，但在技术图样中，表达它们结构形状的图形 大都是由直线和圆弧所组成的平面几何图形。下面首先对零件图纸信息进行分 析。平面图形中的线段，按其尺寸是否完整分为三类： ( a ) 已知线段：有完整的定形尺寸和定位尺寸，能根据已知尺寸直接画出的线段， 称为已知线段。如图2 3 中半径为r 5 的圆弧和两直线。( b ) 中间线段：只有定 形尺寸和一个定位尺寸，另一个定位尺寸必须根据相邻的已知线段的几何关系求 出的线段，称为中间线段。如图2 3 中半径为r 6 的两段圆弧。( c ) 连接线段：只 有定形尺寸，没有定位尺寸，其定位尺寸必须根据相邻两端的已知线段求出的线 段，称为连接线段。如图2 3 中半径为r 1 2 的圆弧。 图2 3 平面图形尺寸分析 书写母线段的i g e s 文件，必须得到全部母线段类型的参数信息。因此这部 分的工作就是如何根据己知线段和中间线段，确定所有连接线段的定位信息和定 形信息。下面讨论的情况是在前后两段已知的情况下( 如直线段已知方向，圆弧 段已知圆心和半径) ，求解中间段的参数信息，如表2 2 所示，均为外切的情况： 表2 2 利用前后段信息求解中间段 序号已知线段l求解连接线2已知线段3 1圆弧圆弧直线 2圆弧 圆弧圆弧 3 直线圆弧圆弧 4 圆弧直线 圆弧 1 0 第二章旋转工件轮廓智能输入系统的研究 下面具体就第一种情况进行详细分析。 设圆弧l 的方程为：o 一舅) 2 + 0 一五) 2 = r 1 2 圆弧2 的方程为：( y - y 0 2 + ( z z ：) 2 = 吃2 直线3 的方程为：a 3 y + b 3 z + c 3 = 0 第一步：求解圆弧2 的圆心( ，z 2 ) ； ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 圆弧2 与圆弧1 外切时圆弧2 的圆心轨迹方程：( 咒一m ) 2 + ( 乞一毛) 2 = ( ，i + 吃) 2 ( 2 - 4 ) 圆弧2 与直线3 相切时圆弧2 的圆心轨迹方程：鱼塑掣= 吃2 ( 2 5 ) 联立解方程( 2 4 ) 和( 2 5 ) ，解得圆弧2 的圆心为： 耽= 竖坐型监塑业喾丛绁业避 皿+ 玖 乞：生塑些巫匦嘻竽丛坠业迹 吼一十玖一 ( 2 6 ) 第二步：求解圆弧2 和圆弧1 的切点： 求解圆弧2 和直线3 的切点： 肠 z 2 3 霹蜴一吗( c 3 + 岛乞) + 霹 9 2 儿一魄( 乞+ a 3 y 2 ) t 醚 第三步：讨论圆弧2 的解的个数： 圆弧l 的圆心到直线3 的距离d ： 判别式 ( 2 _ 7 ) ( 2 8 ) 如警券等 协9 ) = ( 吗2 + 6 3 2 x r , + r 2 ) 2 一( 口3 咒+ 6 3 五+ c 3 + ，) 2 ( 2 - 1 0 ) 其中f = 吃口3 2 + 6 3 2 根据距离d 与圆弧l 的半径r l 和圆弧2 的半径r 2 的关系，存在以下五 m 一 毛一 一一n一一代 = = 2 z ，_il_i_-il-iiil- 第二章旋转工件轮廓智能输入系统的研究 种情况，如图2 - 4 所示。 ( a ) d r t + 2 r 2( ”d = 吒+ 2 r 2 ( c ) 吒 d ，i + 2 r 2 时，无解，此时恒有a 0 ，如图2 - 4 ( a ) 所示。 b ) 当d = + 2 r 2 时，有1 个外切圆，如图2 - 4 ( b ) 所示。 当t 取正值，a = 0 时，同时满足t 取负值，a 0 圆心坐标为： 儿= 竖等争固 仫 。一口3 2 毛一b 3 ( a 3 y t + 岛+ r 2 口3 2 + 岛2 ) 乞一再哥- 一 当t 取负值，a = 0 时，同时满足t 取正值，a 0 圆心坐标为： 1 2 第二章旋转工件轮廓智能输入系统的研究 6 3 2 乃一口3 ( 6 3z l + 白一，2 码2 + 岛2 ) 呜2 + 6 3 2 a 3 2z l 一6 3 ( 吗咒+ c 3 一乞色2 + 岛2 ) 口3 2 + 岛2 c ) 当吒 0 ， 0 ，圆心坐标表达式为式( 2 1 3 ) ； t 0 时，同时满足t 取正值，a = 0 t 0 ，圆心坐标表达式为式( 2 1 4 ) 1 t 0 ，a = 0 ，圆心坐标表达式为式( 2 1 1 ) 。 e ) 当d ，i 时，有4 个外切圆，当d 0 。如图2 - 4 ( e ) 。 t 0 时，a 0 ，圆心坐标表达式为式( 2 1 3 ) ； t 0 ，圆心坐标表达式为式( 2 1 4 ) 。 上述四种情况可能是多组解，可以通过切线与圆弧段的夹角或方向来排除几 组解，也可以通过用户输入某些条件唯一确定坐标值。这部分的工作，正在开展 中，并取得了初步进展。 1 3 第：章旋转工件轮廓智能输八系统的研究 212 旋转工件轮廓智能输入系统用户输入界面设计 确定了圆弧段和直线段的输入方式后 的功能。该软件主要是麻用到军t 项日中 户输入每段母线的定位信息和定形信息。 借助v c _ + 60 开发平台来实现系统 为了严格保证系统的准确性，需要用 在该系统中，人机交互的太部分内容是各种参数的输入。其中大部分的参数 输入输出是通过对话框和消息框进行的。在基于 w j n d o w s 的应用程序中使用 的对话框有两种类型：即模态对话框和无模态对话框j 。所谓模态对话框，是指 这样种对话框在它出现时，要继续操作应用程序的其它部分之前，必须将该 对话框关闭( 隐藏或卸载) 。一般地讲显示重要信息的对话框都应设讣为模态对 话框。在奉系统中，使用窗体作为对话框重要对话框都为模态对话框。如在下 图2 - 5 中，当点击“输入参数”按钮时就是对模态对话框的设定。 图2 - 5 母线信息参数输入界面 设计系统界面时主要有三大部分第一部分是母线轮廓几何参数输入部分； 第二部分是“参数修改”部分：第三部分“母线轮廓图形”显示部分。现在具体 介绍这三部分的功能：首先将母线参数的信息输入到该系统中需要用户选择要 输入的段类，如图2 - 5 所示当用户点击“直线一由两点确定”时。便弹出图2 - 6 的界面。用户只需要按照系统的提示，在相应的位置输入直线段的参数即可。当 点击“检测井显示图形”按钮时，就可以显示该段和已经记录的母线段的图彤， 这样用广就很直观地知道自己输入的这段的参数是否正确如果不正确可以在 相应位置修改参数。第一段输入完毕系统保存信息，自动将输入的段类序号设 为第“2 ”段。当用户继续输入下一段时，比如在输 的段类时选择：“圆弧一由 圆心、起点、角度确定”，弹出图2 7 的界面。用户在相应的界面输入圆弧段的 第= 章旋转工件轮廓智能输入系统的研究 参数信息后点击“图形显示”按钮后，和前面一样就会显示前几段和本次输入 的信息的图形。总之通过“图形显示部分”用户可以粗略的检查自己输入的参数 是否正确。 圉2 - 6 线段输 抖血崮 图2 7 圆弧段的信息输入界断 第一部分：“修改参数”部分，肖用厂1 输入错误后，可以点击“修改参数” 按钮，便会弹出f 匝的界面供用户修改参数使用。如图2 - 8 所示。 第三邮分：“牲示图形部分”；前面提到了当用广将某段的参数输入完成后， 便可显示显示该段和已经记录的母线段的吲形方便用户榆测输入参数的正确 性。 第= 章旋转r ：件轮廨智能输入系统的研究 图2 - 8 修改母线参数的界面 22 输入信息的检测模块 这部分主要是榆查用户输入系统中的参数的正确性、合理性，否则后续的步 骤中无法得到正确的i g e s 文件。我们知道二维图纸上零件母线必定是个环。 根据环的定义：有序、有向边组成的面的封闭边界，环中各条边不能自交。这种 定义表明了环的三个基本性质1 1 目： l 封闭：任何一条边有且只有两个端点，每个端点都是两条边的交点： 2有向：任何一条边都是有向的，并且边的方向是一致的； 3 不自交：任何两条边只有在相邻的情况下才相交，并且交点就是边的端点。 所以确定输入参数是否合理时，可以从卜述三个方面检测。 i 、封闭性 根据定义封闭性是指任何一条边有且只有两个端点，每个端点都是两条边的 交点。所以，这里判断第n 段母线的两个端点与第n i 段和第n + l 段母线的端点 的关系，将输入的参数表示为母线的方程表达式为： 第1