劉俊英，黃德鵬

（1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東河源 517000；2.杭州中測(cè)科技有限公司，杭州 310000）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，產(chǎn)品加工質(zhì)量與精度要求越來越高，產(chǎn)品形狀更加復(fù)雜化與多樣化，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備的功能要求不斷增強(qiáng)，促使三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的應(yīng)用愈來愈普及[1]。但在目前的教育培訓(xùn)中，仍存在因教學(xué)資源有限、費(fèi)用昂貴而導(dǎo)致學(xué)生缺少實(shí)訓(xùn)時(shí)間；因教學(xué)形式落后而導(dǎo)致學(xué)生未能掌握操作技能以及各大企業(yè)因無三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)行業(yè)操作考核而導(dǎo)致售后和崗前培訓(xùn)周期長(zhǎng)、人力資源消耗大等現(xiàn)象[2]。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)，是一種由計(jì)算機(jī)生成的高技術(shù)模擬系統(tǒng)[3]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)際上是在重塑一個(gè)世界，現(xiàn)實(shí)世界中的一切，都可以再次呈現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)上[4]。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到真實(shí)設(shè)備中，可以極大地降低設(shè)備成本，較好地開展科研和訓(xùn)練工作。三坐標(biāo)測(cè)量虛擬仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)與真實(shí)的三坐標(biāo)設(shè)備相同的仿真測(cè)量功能，因其成本低、安全系數(shù)高、培訓(xùn)效果好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于計(jì)量領(lǐng)域，尤其適合國(guó)內(nèi)大專院校相關(guān)專業(yè)的教學(xué)，是計(jì)量行業(yè)教學(xué)的首選高性價(jià)比工具。

1 坐標(biāo)測(cè)量虛擬仿真軟件

本仿真測(cè)量軟件的研究借鑒了市面上現(xiàn)有軟件的設(shè)計(jì)思路，并且進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)和研發(fā)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）以及相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)語言，以用戶為核心，設(shè)計(jì)了新穎的軟件交互方式，在提高用戶感官體驗(yàn)的同時(shí)，降低了用戶關(guān)于軟件操作學(xué)習(xí)的難度，便于用戶使用。

1.1 主界面

軟件主界面如圖1所示，為使用戶擁有更好的感官體驗(yàn)，主界面中只包含了逼真的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)本體，去除了其他功能菜單對(duì)于用戶使用時(shí)的干擾，避免了將軟件界面分成若干分裂的小區(qū)域，嚴(yán)重影響了用戶的使用體驗(yàn)。

在主界面中，為減少用戶的學(xué)習(xí)成本，采用了UG軟件的視圖操作方式，可以方便地對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行全方位的觀察體驗(yàn)。

圖1 仿真軟件主界面

1.2 功能界面

本系統(tǒng)仿真軟件功能界面[5]如圖2所示，為保證軟件界面的清爽整潔，特在界面上方設(shè)計(jì)了一個(gè)隱匿式菜單[6]，將系統(tǒng)主要功能選項(xiàng)都集中在此菜單中。使用系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到界面上方區(qū)域時(shí)該隱匿式菜單就會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)，否則該菜單隱藏不見，點(diǎn)擊某項(xiàng)功能后，如果有子功能選項(xiàng)時(shí)，會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的下拉列表式菜單，以便于用戶選擇使用。

為更方便用戶使用，軟件中將一些常用的菜單集中到了右鍵快捷菜單中，用戶在使用時(shí)可以隨時(shí)單擊右鍵調(diào)出。

圖2 仿真軟件功能界面

1.3 軟件特點(diǎn)

與市面上現(xiàn)有的三坐標(biāo)仿真軟件相比，本三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)仿真軟件主要具有以下特點(diǎn)。

（1）設(shè)備模型完全按照真實(shí)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的結(jié)構(gòu)和比例來進(jìn)行建模，并對(duì)三維模型進(jìn)行了真實(shí)感優(yōu)化，具有逼真的外觀體驗(yàn)。

（2）三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的各項(xiàng)功能都利用右鍵快捷菜單和隱匿式菜單來管理，將屏幕完全用于測(cè)量機(jī)的完整顯示，改善用戶的操作體驗(yàn)。

（3）對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的PC-DMIS系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并可對(duì)其進(jìn)行顯示模式切換和隱藏控制，方便用戶的觀察。

（4）結(jié)合部件提示、結(jié)構(gòu)認(rèn)知、測(cè)量機(jī)顯示控制和鼠標(biāo)視圖控制等功能，可對(duì)測(cè)量機(jī)模型進(jìn)行全方位的觀察和學(xué)習(xí)，便于用戶熟悉測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)。

（5）在教學(xué)模式下，為了避免不同軟件之間的頻繁切換，嚴(yán)重影響用戶的使用體驗(yàn)，特將PC-DMIS軟件中的操作錄制為視頻。當(dāng)在仿真軟件執(zhí)行到特定的步驟的時(shí)候，可直接在仿真軟件界面內(nèi)實(shí)現(xiàn)視頻的播放和連貫性學(xué)習(xí)，一氣呵成。

（6）軟件可對(duì)導(dǎo)入測(cè)量空間內(nèi)的任意被測(cè)物體進(jìn)行測(cè)量，評(píng)價(jià)和生成評(píng)價(jià)報(bào)告。具備坐標(biāo)系建立、對(duì)被測(cè)量工件的三維模型比對(duì)、測(cè)量常用數(shù)據(jù)、評(píng)價(jià)常用公差、生成測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告等功能。軟件的擴(kuò)展性和開發(fā)性得到顯著提升的同時(shí)，也極大地滿足了用戶的定向開發(fā)和多案例展示的需求。

2 三坐標(biāo)測(cè)量手持控制器

三坐標(biāo)系統(tǒng)的手持控制器是通過USB接口與計(jì)算機(jī)相連接的，可以通過手持器的各種操作，與軟件進(jìn)行通信，以達(dá)到測(cè)量尺寸、計(jì)算公差等功能。手持控制器的設(shè)計(jì)借鑒目前市場(chǎng)上的真實(shí)三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備所帶有的手持器的外觀，利用逆向設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

2.1 產(chǎn)品分析

（1）手持器組成：手持器由上、下蓋2部分主體組成，如圖3、圖4所示。

（2）材質(zhì)結(jié)構(gòu)分析：分析正反兩面是否有不同材質(zhì)，經(jīng)分析均為塑料材質(zhì)，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。

（3）技術(shù)要求分析：手持器整體精度要求保證在0.2 mm以內(nèi)，配合部分及孔位要求保證在0.1 mm以內(nèi)，對(duì)外型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

（4）由于手搖桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形狀比較規(guī)則，要求精度中等，因此選擇非接觸式掃描，一般情況下，選擇手持激光掃描儀設(shè)備。

圖3 市場(chǎng)上常用手持器外觀正面

圖4 市場(chǎng)上常用手持器外觀反面

2.2 數(shù)據(jù)采集及點(diǎn)云后處理

具體步驟如下。

（1）工件表面用無塵紙擦拭干凈。

（2）因工件特征比較復(fù)雜，需要在工件表面上粘貼標(biāo)志點(diǎn)。標(biāo)志點(diǎn)的粘貼間距要根據(jù)工件實(shí)際情況確定，一般來講每?jī)深w標(biāo)記點(diǎn)之間的間距在30～100 mm范圍內(nèi)。如果工件表面比較平緩，曲率小，粘貼距離可以適當(dāng)大一些，反之要適當(dāng)減小間距。手持器標(biāo)志點(diǎn)的粘貼結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 正面貼標(biāo)志點(diǎn)

圖6 反面貼標(biāo)志點(diǎn)

（3）預(yù)先掃描物體表面上的標(biāo)志點(diǎn)，這樣方便掃描的時(shí)候過渡正、反掃描。

（4）周圍的雜亂數(shù)據(jù)要盡量少的掃進(jìn)去，不然數(shù)據(jù)多于工件，雜亂的數(shù)據(jù)會(huì)被定為主體數(shù)據(jù)。

（5）預(yù)先掃描平面標(biāo)記點(diǎn)設(shè)置為背景板，可以避免掃描到平板以下的物體，需要多角度掃描掃全背景標(biāo)記點(diǎn)以提高掃描的精度，如圖7所示。

（6）掃描參數(shù)設(shè)置解析度為0.4 mm，勾選黑色物體掃描，曝光率為3.0。

（7）從準(zhǔn)備工作到掃描完成，花費(fèi)的時(shí)間為20 min左右，手持器掃描結(jié)果如圖8所示。

圖7 掃描標(biāo)志點(diǎn)

圖8 掃描手持器

2.3 逆向建模創(chuàng)新設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過程如下。

（1）產(chǎn)品的分析：在造型過程中分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)非常重要，要深刻理解產(chǎn)品的各個(gè)面之間的連接關(guān)系，抓取產(chǎn)品的主要特征，在此基礎(chǔ)上確定各面之間的拓?fù)潢P(guān)系，以此來快速、高質(zhì)量地完成產(chǎn)品造型。

（2）確定產(chǎn)品的分型線走向，分型線走向是確立拔模方向的重要依據(jù)。

（3）拔模方向的確立在產(chǎn)品造型中也極其重要，不能使做出來的產(chǎn)品產(chǎn)生倒拔模，在手持控制器中出現(xiàn)了多個(gè)抽塊，抽塊方向盡量與拔模方向垂直或平行，如無法做到垂直或平行就盡量與拔模方向成規(guī)整夾角。

（4）在制作過程中先制作主體，然后再制作結(jié)構(gòu)特征，要注意橫平豎直，尺寸規(guī)范，主體過點(diǎn)情況在0.2 mm，孔位及配合處0.1 mm以內(nèi)，實(shí)際尺寸都已參考原樣件為準(zhǔn)。

（5）外觀創(chuàng)新設(shè)計(jì)，兩邊的耳朵去除，整體的高度加高，按鈕孔位按新的電路板設(shè)計(jì)，背部結(jié)構(gòu)特征的設(shè)計(jì)，加密狗內(nèi)部放置。

（6）制作完成之后移動(dòng)到絕對(duì)坐標(biāo)系下，并且給予拔模坐標(biāo)系、抽塊、分型線，數(shù)據(jù)和線放到相應(yīng)的圖層，創(chuàng)新設(shè)計(jì)之后的手持器如圖9、圖10所示。

圖9 創(chuàng)新設(shè)計(jì)后的手持器正面

圖10 創(chuàng)新設(shè)計(jì)后的手持器反面

2.4 產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)

質(zhì)量檢驗(yàn)內(nèi)容如下。

（1）造型范圍：手持控制器的造型范圍包括所有造型表面及可見的定位扣，產(chǎn)品造型以分型線為邊界，配合螺孔不屬于造型范圍，但需給出軸線；塑件的拔模方向和反面結(jié)構(gòu)的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)檢驗(yàn)后符合質(zhì)量要求。

（2）外觀：設(shè)計(jì)后的手持控制器造型形象地表達(dá)了產(chǎn)品的形狀特征，各特征包括倒角和圓角半徑都清晰、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)潔、流暢；沒有與產(chǎn)品不符的凸凹現(xiàn)象。

（3）精度與配合：創(chuàng)新設(shè)計(jì)后的手持控制器修改了原產(chǎn)品的外形，但大部分尺寸保持未變，孔位及配合處精度控制在0.1 mm以內(nèi)，實(shí)際尺寸都已參考原樣件為準(zhǔn)。

（4）拔模：未出現(xiàn)倒拔?，F(xiàn)象，每個(gè)抽塊方向都沒有出現(xiàn)倒拔?，F(xiàn)象。

（5）檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否清理：手持控制器的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和拔模線放置到了相應(yīng)圖層，數(shù)據(jù)是在絕對(duì)坐標(biāo)系下，除了相應(yīng)需要其它數(shù)據(jù)都已清理干凈，數(shù)據(jù)名稱簡(jiǎn)潔明了。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)及CAE分析如圖11、圖12所示。

圖12 產(chǎn)品CAE分析

2.5 3D打印三坐標(biāo)仿真測(cè)量手持器

將手持器逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)后，如果要大批量生產(chǎn)，可以進(jìn)行開模，制作模具再用注塑的方式加工出三坐標(biāo)仿真測(cè)量手持器。本文為節(jié)省經(jīng)費(fèi)成本，使用3D打印的方式打印出三坐標(biāo)仿真測(cè)量手持器。將生成的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到FDM桌面3D打印機(jī)，進(jìn)行3D打印，打印出來的手持器產(chǎn)品如圖13所示。將3D打印出的手持器進(jìn)行拋光處理，再噴漆后，形成的最終產(chǎn)品如圖14所示。手持器中間的三維搖桿是直接購(gòu)買的配件，安裝后整個(gè)仿真測(cè)量手持器就完成了。

圖13 3D打印后的手持器

圖14 噴漆處理后的手持器

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)基于DMIS開發(fā)，提供計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和仿真測(cè)量手持器之間雙向傳遞檢測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和處理，并將傳遞數(shù)據(jù)的功能存入加密狗中，加密狗內(nèi)置于手持器內(nèi)；通過電路設(shè)計(jì)及購(gòu)買電路板安裝后，手持控制器上的三維搖桿能控制仿真測(cè)量軟件的3個(gè)空間X/Y/Z軸向移動(dòng)，通過面板上的鍵盤按鍵來實(shí)現(xiàn)常用的測(cè)量功能，如X鎖定、Y鎖定、Z鎖定、采點(diǎn)、刪除點(diǎn)、采點(diǎn)確認(rèn)、插入空走點(diǎn)的控制。

4 結(jié)束語

本文所述的基于教學(xué)的三坐標(biāo)測(cè)量虛擬仿真系統(tǒng)適用于各類院校精密測(cè)量教學(xué)使用，主要是針對(duì)此類院校真實(shí)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)設(shè)備較少，或防止不熟練學(xué)員撞壞真實(shí)的昂貴[7]的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)而開發(fā)。整套系統(tǒng)由2部分組成，一是專門的三坐標(biāo)測(cè)量虛擬仿真軟件；二是自主研發(fā)的3D仿真測(cè)量手持器。本虛擬仿真系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)與真實(shí)的三坐標(biāo)設(shè)備相同的測(cè)量操作功能，具有高度仿真的三坐標(biāo)測(cè)量環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)量工件的三維模型比對(duì)、測(cè)量常用數(shù)據(jù)、評(píng)價(jià)常用公差、生成測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告等功能。本系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)中，可以使教與學(xué)變得更加直觀、生動(dòng)，降低經(jīng)費(fèi)投入，縮短教學(xué)時(shí)間，快速提高計(jì)量人員的整體水平。