李紅莉， 胡 毅， 張 陽， 白黎昊， 王宏濤

（合肥工業(yè)大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，合肥230009）

0 引 言

新工科人才培養(yǎng)注重提升學(xué)生的綜合能力，加強(qiáng)實踐教學(xué)是實現(xiàn)新工科人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)［1］。坐標(biāo)測量機(jī)（Coordinate Measurement Machine，CMM）在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，它是現(xiàn)代制造過程、工業(yè)檢測、質(zhì)量控制和產(chǎn)品檢驗中不可或缺的大型高精度、高效率、萬能性測量儀器［2］。對于儀器類測控專業(yè)的學(xué)生來說，掌握坐標(biāo)測量機(jī)的應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)外高校都比較關(guān)注虛擬實驗室建設(shè)，但關(guān)于三坐標(biāo)測量機(jī)的虛擬實驗平臺開發(fā)較少?，F(xiàn)有實現(xiàn)方式主要為通過AVCMMs 提供形象的圖形表示以及CMM模擬測量操作［3］；采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)三坐標(biāo)測量機(jī)虛擬建模及模擬測量［4］；基于Pro／E 三維建模軟件構(gòu)建虛擬三坐標(biāo)測量機(jī)［5］。

本設(shè)計采用虛擬儀器設(shè)計思想，將虛擬技術(shù)與坐標(biāo)測量技術(shù)相結(jié)合［6-9］，開發(fā)虛擬坐標(biāo)測量機(jī)，完成典型幾何量測量任務(wù)，構(gòu)建虛擬坐標(biāo)測量機(jī)教學(xué)平臺，以便應(yīng)用于誤差理論與數(shù)據(jù)處理、檢測技術(shù)等課程教學(xué)實踐中，彌補(bǔ)因坐標(biāo)測量機(jī)貴重稀少而難以開設(shè)實驗的問題，更好地服務(wù)于新工科人才培養(yǎng)。

1 系統(tǒng)方案

虛擬坐標(biāo)測量機(jī)設(shè)計以移動橋式三坐標(biāo)測量機(jī)為原型，以“機(jī)械建模-運(yùn)動控制”框架為設(shè)計思路。系統(tǒng)開發(fā)流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程

利用SolidWorks環(huán)境完成三坐標(biāo)測量機(jī)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)和三維建模、運(yùn)動分析以及添加相應(yīng)的傳感器模塊；結(jié)合典型幾何量測量中的圓度測量實驗內(nèi)容，基于LabVIEW圖形化軟件開發(fā)平臺編寫測量控制實驗程序［10-11］。借助SoftMotion for SolidWorks工具包協(xié)調(diào)實現(xiàn)虛擬坐標(biāo)測量機(jī)與測量控制程序之間的聯(lián)動［12-13］，方便學(xué)生進(jìn)行虛擬測量實驗。

2 坐標(biāo)測量機(jī)SolidWorks建模

2.1 裝配體建立

為提高程序運(yùn)行效率，利用SolidWorks 對虛擬三坐標(biāo)測量機(jī)裝配體進(jìn)行簡化設(shè)計。虛擬坐標(biāo)測量機(jī)外觀尺寸為X ＝（1 350 ±100）mm；Y ＝（1 960 ±100）mm；Z ＝（1 300 ±100）mm，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)為（200，200，800）。為方便建模及在測量過程中觀察測頭的狀態(tài)，將虛擬測量機(jī)測頭的球頭直徑選取為11 mm。

同時，為滿足圓度測量實驗的需要，將被測件設(shè)計為圓柱體，基圓半徑為200 mm，高度為200 mm，使其基圓圓心與虛擬測量機(jī)工作臺的中心重合，固定坐標(biāo)為（792.5，1 082.5，0），通過左右兩半圓柱面截面圓直徑的偏差設(shè)計，將被測圓柱體圓度預(yù)設(shè)為15 mm。

虛擬三坐標(biāo)測量機(jī)裝配體如圖2 所示。

2.2 傳感器添加

為方便后續(xù)能夠基于SoftMotion 工具聯(lián)動控制虛擬坐標(biāo)測量機(jī)動作，需要根據(jù)測量機(jī)的測量功能要求，在三維建?；A(chǔ)上添加合適的傳感器［14］。

圖2 虛擬三坐標(biāo)測量機(jī)裝配體

為獲得測量點(diǎn)坐標(biāo)值，在X、Y、Z 軸方向上添加尺寸傳感器，通過模擬量傳遞給SoftMotion 工具模塊，以提供三軸的移動距離。

為完成虛擬三坐標(biāo)測量機(jī)圓度測量實驗，需要檢測測頭和待測圓柱側(cè)曲面之間的接觸，即需要一個觸發(fā)信號表示測頭已接觸工件。因此分別在測頭與圓柱側(cè)表面之間添加測量傳感器。由于待測圓柱體左右側(cè)被特意設(shè)定為不對稱結(jié)構(gòu)，故需要分別在測頭與左圓柱面、測頭與右圓柱面之間添加測量傳感器，通過測量傳感器讀取兩表面間的距離，并通過距離小于1 mm時報警的設(shè)定，實現(xiàn)測頭觸發(fā)報警功能。設(shè)計中將報警距離設(shè)置為0.5 mm，達(dá)到報警距離時，測頭將自動停止原方向移動。

虛擬坐標(biāo)測量機(jī)模型上的傳感器添加完成如圖3所示。

圖3 添加傳感器

2.3 電動機(jī)添加

在裝配體中添加了傳感器后，為使虛擬三坐標(biāo)測量機(jī)的三軸能夠運(yùn)動，還需要在motion 插件下選擇運(yùn)動算例，在三個基準(zhǔn)軸方向添加直線電動機(jī)，將運(yùn)動模式選擇為“距離”模式，并設(shè)置起止時間。電動機(jī)添加及參數(shù)設(shè)置如圖4 所示。

對3 個線性電動機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定后，即可進(jìn)行動畫仿真分析，利用SolidWorks 軟件查看motion 運(yùn)動部分設(shè)置的效果，通過測試確定合適的運(yùn)動參數(shù)，保證虛擬三坐標(biāo)測量機(jī)各組件能夠沿軸方向運(yùn)動，標(biāo)注的坐標(biāo)軸尺寸能夠隨動變化。最后保存好SolidWorks裝配體，即完成了虛擬坐標(biāo)測量機(jī)建模過程。

圖4 線性電動機(jī)添加示意圖

3 測量控制程序

3.1 程序框架

基于LabVIEW圖形化軟件開發(fā)平臺創(chuàng)建項目，在項目中建立測量控制程序與測量機(jī)三維模型的運(yùn)動控制關(guān)系。虛擬坐標(biāo)測量機(jī)測量控制程序采用模塊化設(shè)計思想編寫，主程序流程如圖5 所示，LabVIEW 程序代碼如圖6 示例。

圖5 主程序流程

程序運(yùn)行后，進(jìn)行初始化工作，包括驅(qū)動測量機(jī)自動歸零動作以及對相應(yīng)數(shù)據(jù)顯示、存儲單元的清空操作；根據(jù)人機(jī)交互要求操控虛擬坐標(biāo)測量機(jī)完成相應(yīng)動作和測量任務(wù)。程序核心部分是手動測量和自動測量的實現(xiàn)。

圖6 程序示例

3.2 手動測量

在手動測量模式下，程序?qū)⒏鶕?jù)人機(jī)交互中學(xué)生選擇的上下、左右、前后按鍵決定測頭沿Z 軸、X 軸或Y軸移動，按鍵按住不放將持續(xù)運(yùn)動，松開按鍵即停止，當(dāng)觸測到被測件時，自動輸出觸發(fā)點(diǎn)坐標(biāo)，且使測頭模擬真實測量情景，自動回退到一定安全距離。手動測量程序流程如圖7 所示。

圖7 手動測量程序流程

3.3 自動測量

選擇自動測量模式進(jìn)行測量操作時，程序?qū)⑹紫瓤刂茰y頭歸零，即令測頭自動回到初始原點(diǎn)，之后根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的測量策略（包括測點(diǎn)數(shù)量及其分布），按照規(guī)劃好的路徑分別完成所有樣點(diǎn)的采集。每次采樣過程，當(dāng)測頭感應(yīng)觸測到被測件時，將自動輸出觸發(fā)點(diǎn)坐標(biāo)，并使測頭自動回退到一定安全距離。自動測量程序流程如圖8 所示。

3.4 圓度計算

設(shè)計選取圓度測量為例展示虛擬坐標(biāo)測量機(jī)的測量功能。采用點(diǎn)位法進(jìn)行圓度測量［15-16］，測頭在被測截面圓周上間隔采點(diǎn)，對所得采樣點(diǎn)利用最小二乘方法擬合計算圓度。圓度計算程序如圖9 所示。

圖8 自動測量程序流程

圖9 圓度計算程序

4 系統(tǒng)測試

虛擬坐標(biāo)測量機(jī)SolidWorks三維模型如圖10（a）所示，LabVIEW測量控制程序界面見圖10（b），使用虛擬坐標(biāo)測量機(jī)實驗平臺需要打開虛擬坐標(biāo)測量機(jī)SolidWorks三維模型，并運(yùn)行LabVIEW 測量控制項目程序。學(xué)生可通過程序界面靈活操作虛擬測量機(jī)測頭沿X、Y、Z 軸向自由移動、定位移動或者執(zhí)行歸零操作，移動到位時將點(diǎn)亮相應(yīng)“歸位”或“到達(dá)”指示燈。

學(xué)生可以選擇手動或自動模式進(jìn)行圓度測量實驗。如圖11（a）所示，當(dāng)測頭接近圓柱體發(fā)出觸測信號時，將點(diǎn)亮對應(yīng)“碰撞”指示燈，同時反方向回退一定安全距離，模擬真實測量機(jī)的測頭觸測動作；同時將三軸坐標(biāo)值反饋顯示在程序界面上，見圖11（b）。

在測得圓周分布一定點(diǎn)數(shù)后，可通過計算按鈕自動求出圓度誤差。學(xué)生通過圓度計算將會發(fā)現(xiàn)所得結(jié)果與圓度預(yù)設(shè)值存在差異，該誤差主要是由兩個軟件平臺運(yùn)行同步差異以及測頭的觸測誤差引起的，同時包括系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的影響，不同測量循環(huán)的圓度計算結(jié)果是不同的，該現(xiàn)象符合真實測量的情景，有助于學(xué)生深刻理解測量誤差的概念、來源及其影響。

圖10 虛擬坐標(biāo)測量機(jī)測頭移動

圖11 虛擬坐標(biāo)測量機(jī)測量顯示

5 結(jié) 語

設(shè)計、搭建虛擬坐標(biāo)測量機(jī)教學(xué)平臺，對移動橋式三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行SolidWorks 建模，編制了LabVIEW測量控制程序，實現(xiàn)對虛擬三坐標(biāo)測量機(jī)的運(yùn)動控制。虛擬實驗平臺人機(jī)交互友好，結(jié)合《檢測技術(shù)》等課程，能夠?qū)崿F(xiàn)圓度測量實驗。該實驗平臺能夠有效避免坐標(biāo)測量機(jī)設(shè)備不足或損傷問題，節(jié)約教學(xué)成本，增強(qiáng)教學(xué)效果。后續(xù)將不斷豐富實驗內(nèi)容，以方便學(xué)生更好地掌握坐標(biāo)測量機(jī)的應(yīng)用。