虚拟坐标测量机设计

李红莉， 胡 毅， 张 阳， 白黎昊， 王宏涛

（合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，合肥230009）

0 引 言

新工科人才培养注重提升学生的综合能力，加强实践教学是实现新工科人才培养目标的重要环节［1］。坐标测量机（Coordinate Measurement Machine，CMM）在现代制造业中发挥着重要的作用，它是现代制造过程、工业检测、质量控制和产品检验中不可或缺的大型高精度、高效率、万能性测量仪器［2］。对于仪器类测控专业的学生来说，掌握坐标测量机的应用，具有重要的现实意义。

目前，国内外高校都比较关注虚拟实验室建设，但关于三坐标测量机的虚拟实验平台开发较少。现有实现方式主要为通过AVCMMs 提供形象的图形表示以及CMM模拟测量操作［3］；采用虚拟现实技术实现三坐标测量机虚拟建模及模拟测量［4］；基于Pro／E 三维建模软件构建虚拟三坐标测量机［5］。

本设计采用虚拟仪器设计思想，将虚拟技术与坐标测量技术相结合［6-9］，开发虚拟坐标测量机，完成典型几何量测量任务，构建虚拟坐标测量机教学平台，以便应用于误差理论与数据处理、检测技术等课程教学实践中，弥补因坐标测量机贵重稀少而难以开设实验的问题，更好地服务于新工科人才培养。

1 系统方案

虚拟坐标测量机设计以移动桥式三坐标测量机为原型，以“机械建模-运动控制”框架为设计思路。系统开发流程如图1 所示。

图1 系统开发流程

利用SolidWorks环境完成三坐标测量机的驱动机构和三维建模、运动分析以及添加相应的传感器模块；结合典型几何量测量中的圆度测量实验内容，基于LabVIEW图形化软件开发平台编写测量控制实验程序［10-11］。借助SoftMotion for SolidWorks工具包协调实现虚拟坐标测量机与测量控制程序之间的联动［12-13］，方便学生进行虚拟测量实验。

2 坐标测量机SolidWorks建模

2.1 装配体建立

为提高程序运行效率，利用SolidWorks 对虚拟三坐标测量机装配体进行简化设计。虚拟坐标测量机外观尺寸为X ＝（1 350 ±100）mm；Y ＝（1 960 ±100）mm；Z ＝（1 300 ±100）mm，坐标原点设为（200，200，800）。为方便建模及在测量过程中观察测头的状态，将虚拟测量机测头的球头直径选取为11 mm。

同时，为满足圆度测量实验的需要，将被测件设计为圆柱体，基圆半径为200 mm，高度为200 mm，使其基圆圆心与虚拟测量机工作台的中心重合，固定坐标为（792.5，1 082.5，0），通过左右两半圆柱面截面圆直径的偏差设计，将被测圆柱体圆度预设为15 mm。

虚拟三坐标测量机装配体如图2 所示。

2.2 传感器添加

为方便后续能够基于SoftMotion 工具联动控制虚拟坐标测量机动作，需要根据测量机的测量功能要求，在三维建模基础上添加合适的传感器［14］。

图2 虚拟三坐标测量机装配体

为获得测量点坐标值，在X、Y、Z 轴方向上添加尺寸传感器，通过模拟量传递给SoftMotion 工具模块，以提供三轴的移动距离。

为完成虚拟三坐标测量机圆度测量实验，需要检测测头和待测圆柱侧曲面之间的接触，即需要一个触发信号表示测头已接触工件。因此分别在测头与圆柱侧表面之间添加测量传感器。由于待测圆柱体左右侧被特意设定为不对称结构，故需要分别在测头与左圆柱面、测头与右圆柱面之间添加测量传感器，通过测量传感器读取两表面间的距离，并通过距离小于1 mm时报警的设定，实现测头触发报警功能。设计中将报警距离设置为0.5 mm，达到报警距离时，测头将自动停止原方向移动。

虚拟坐标测量机模型上的传感器添加完成如图3所示。

图3 添加传感器

2.3 电动机添加

在装配体中添加了传感器后，为使虚拟三坐标测量机的三轴能够运动，还需要在motion 插件下选择运动算例，在三个基准轴方向添加直线电动机，将运动模式选择为“距离”模式，并设置起止时间。电动机添加及参数设置如图4 所示。

对3 个线性电动机进行参数设定后，即可进行动画仿真分析，利用SolidWorks 软件查看motion 运动部分设置的效果，通过测试确定合适的运动参数，保证虚拟三坐标测量机各组件能够沿轴方向运动，标注的坐标轴尺寸能够随动变化。最后保存好SolidWorks装配体，即完成了虚拟坐标测量机建模过程。

图4 线性电动机添加示意图

3 测量控制程序

3.1 程序框架

基于LabVIEW图形化软件开发平台创建项目，在项目中建立测量控制程序与测量机三维模型的运动控制关系。虚拟坐标测量机测量控制程序采用模块化设计思想编写，主程序流程如图5 所示，LabVIEW 程序代码如图6 示例。

图5 主程序流程

程序运行后，进行初始化工作，包括驱动测量机自动归零动作以及对相应数据显示、存储单元的清空操作；根据人机交互要求操控虚拟坐标测量机完成相应动作和测量任务。程序核心部分是手动测量和自动测量的实现。

图6 程序示例

3.2 手动测量

在手动测量模式下，程序将根据人机交互中学生选择的上下、左右、前后按键决定测头沿Z 轴、X 轴或Y轴移动，按键按住不放将持续运动，松开按键即停止，当触测到被测件时，自动输出触发点坐标，且使测头模拟真实测量情景，自动回退到一定安全距离。手动测量程序流程如图7 所示。

图7 手动测量程序流程

3.3 自动测量

选择自动测量模式进行测量操作时，程序将首先控制测头归零，即令测头自动回到初始原点，之后根据预先设定好的测量策略（包括测点数量及其分布），按照规划好的路径分别完成所有样点的采集。每次采样过程，当测头感应触测到被测件时，将自动输出触发点坐标，并使测头自动回退到一定安全距离。自动测量程序流程如图8 所示。

3.4 圆度计算

设计选取圆度测量为例展示虚拟坐标测量机的测量功能。采用点位法进行圆度测量［15-16］，测头在被测截面圆周上间隔采点，对所得采样点利用最小二乘方法拟合计算圆度。圆度计算程序如图9 所示。

图8 自动测量程序流程

图9 圆度计算程序

4 系统测试

虚拟坐标测量机SolidWorks三维模型如图10（a）所示，LabVIEW测量控制程序界面见图10（b），使用虚拟坐标测量机实验平台需要打开虚拟坐标测量机SolidWorks三维模型，并运行LabVIEW 测量控制项目程序。学生可通过程序界面灵活操作虚拟测量机测头沿X、Y、Z 轴向自由移动、定位移动或者执行归零操作，移动到位时将点亮相应“归位”或“到达”指示灯。

学生可以选择手动或自动模式进行圆度测量实验。如图11（a）所示，当测头接近圆柱体发出触测信号时，将点亮对应“碰撞”指示灯，同时反方向回退一定安全距离，模拟真实测量机的测头触测动作；同时将三轴坐标值反馈显示在程序界面上，见图11（b）。

在测得圆周分布一定点数后，可通过计算按钮自动求出圆度误差。学生通过圆度计算将会发现所得结果与圆度预设值存在差异，该误差主要是由两个软件平台运行同步差异以及测头的触测误差引起的，同时包括系统误差和随机误差的影响，不同测量循环的圆度计算结果是不同的，该现象符合真实测量的情景，有助于学生深刻理解测量误差的概念、来源及其影响。

图10 虚拟坐标测量机测头移动

图11 虚拟坐标测量机测量显示

5 结 语

设计、搭建虚拟坐标测量机教学平台，对移动桥式三坐标测量机进行SolidWorks 建模，编制了LabVIEW测量控制程序，实现对虚拟三坐标测量机的运动控制。虚拟实验平台人机交互友好，结合《检测技术》等课程，能够实现圆度测量实验。该实验平台能够有效避免坐标测量机设备不足或损伤问题，节约教学成本，增强教学效果。后续将不断丰富实验内容，以方便学生更好地掌握坐标测量机的应用。