虚拟坐标测量机设计方法的初步研究

　　当今国际市场需求快速变化的特点和21世纪更加个性化的市场趋势,促进了快速设计和制造技术的发展[1,2]。美国AUTOFACT’96的主题就是“快速设计和制造”。会上被称为未来技术的虚拟设计与制造引起了与会人士的极大兴趣,因为它集视觉、听觉、嗅觉、计算机图形学、CAD及CAM于一身,在虚拟环境中快速地进行机床、工具和加工过程的设计、仿真运行,在真实制造运行之前就能给出运行结果,供人们研究、修改和评价,从而缩短了设计和制造的过程。

　　几何量测量技术和仪器是制造技术的重要组成部分,如制造过程中的检测和监控。计算机集成制造系统中的质量分系统已成为整个制造系统不可分割的一部分,特别是在现代基于智能传感器的闭环加工系统中和基于误差补偿的精密加工系统中[3],其测量技术的水平和精度往往对整个系统起着决定性的作用。

　　坐标测量机(CMM)作为几何量仪的重要组成部分,它的灵活性、重复性及其以多种形式提供尺寸数据的能力是它的突出优点,如今它已成为几何尺寸及公差(GD&T)检定中应用最广的关键性仪器之一。进入80年代以后,现代制造技术对坐标测量机提出了新的要求,即要求坐标测量机由计量室转向生产车间,集成到FMS和CIMS中,并为并行工程、快速成形制造和虚拟制造提供支持,然而,目前坐标测量机还存在如下问题:

　　(1)在真正的坐标测量机制造出来之前,制造商和用户看不到机械系统整体结构是否合理,设计是否最优,它的可装配性、可操作性和系统不确定度是否能达到要求的指标,都不可知。

　　(2)坐标测量机是一种机电一体化产品,其机构的寿命为10～15年。而电子技术、微机软硬件技术和计量技术的迅速发展,使得坐标测量机的测量控制系统的技术更新非常快,各种功能不断增加,如误差补偿、离线编程[4]等。但是,由于现有的坐标测量机是制造商在封闭环境下开发的,因而用户要更新或增加新的功能离不开原来的生产厂家。

　　(3)不支持并行工程和虚拟制造为了有效地支持CE、CIMS、RPM和VM,发展一种可快速设计、制造和重组的虚拟坐标测量机(VCMM),对现代制造技术的发展具有重要的理论和实际意义。

　　1　虚拟坐标测量机的定义及其作用

　　笔者认为虚拟坐标测量机是坐标测量机和虚拟现实技术的有机结合。它是建立在虚拟现实或虚拟环境基础之上的,集坐标测量机设计理论、计算机辅助设计、计算机辅助测量、计算机辅助检测规划和测量过程建模与仿真技术于一体的,以个人计算机或工作站为母体、以软件为主的一个机器空间。

　　VCMM的设计主要是运用虚拟现实技术,借助于虚拟仪器的开放性及其图形化编程思想,研究开发一种开放的坐标测量机虚拟设计、测量系统。这个系统不仅可用来进行坐标测量机机械系统的虚拟设计,还可用来在虚拟环境中进行测量。在这个系统中,用户可以在被测零件尚未加工出来之前,根据自己的要求来选择或建造所需的坐标测量机系统和运行环境,输入被测零件的测量要求,经过反复的仿真运行、不确定度分析和计算,最后预测出被测零件上各被测要素的测量方法不确定度(对应选定的坐标测量机的结构类型和测量能力、采样策略、被测要素的GD&T评定算法、检测路径规划等);此外,在各个被测要素的测量方法不确定度都满足要求的情况下,还将给出对应的坐标测量机的结构类型和测量能力、路径规划、采样策略、各被测要素的GD&T评定算法以及完整的DMIS(Dimensional Measuring In-terface Specification)测量程序。在被测零件加工出来以后,这个DMIS测量程序就可用来在真实环境中检测被测零件。