航空计测技术
AVIATION METROLOGY & MEASUREMENT TECHNOLOGY
1999年　第19卷　第6期　Vol.19　No.6　1999



坐标测量机发展的新方向——虚拟坐标测量机
黄庆成　叶东　刘得军　车仁生
　　摘要　虚拟坐标测量机是虚拟现实技术与坐标测量技术相结合的必然产物，是虚拟制造技术发展的需要。本文提出了三坐标测量机的一个新的发展方向——虚拟坐标测量机(VCMM)，介绍了虚拟坐标测量机的体系结构和基本功能以及虚拟坐标测量机仿真运行所需要的软硬件环境。
　　关键词　坐标测量机　虚拟现实　虚拟制造　虚拟测量
New Developing Orientation of Coordinate Measuring Machine
——Virtual Coordinate Measuring Machine
Huang Qingcheng,Ye Dong,Liu Dejun,Che Rensheng
　　Abstract　As the inevitable outcome of combining the virtual reality technique with coordinate measuring technique,the virtual coordinate measuring machine is the need for developing the virtual manufacture technology.This paper proposes a new developing orientation of 3D CMM——virtual coordinate measuring machine (VCMM),introduces the system structure and basic function of the VCMM and the necessary software and hardware environment for the simulation of VCMM.
　　Key words　CMM,Virtual reality,Virtual manufacture,Virtual measurement
　　虚拟现实技术是80年代才刚刚提出来的，随着计算机技术的迅速发展，该技术在90年代得到重视而迅速发展并很快进入实用阶段，尤其在军事、娱乐方面首先获得的成功应用。
　　近几年，制造全球 化概念的提出和快速设计制造的崛起[2]，推动了“并行工程”、“虚拟制造”的发展[3]。1995年，美国国家虚拟现实研究和发展顾问委员会在一篇大型研究报告中，提出并推荐的四个主要领域是：(1)设计、制造及市场；(2)医疗和健康保键；(3)有害操作；(4)训练[4]。从而进一步推动了虚拟现实在设计和制造领域的发展。虚拟制造的发展对制造过程中的加工、测量和检验等提出了更新更高的要求，特别是作为现代先进制造中质量保证和测量信息反馈重要组成部分的坐标测量机，毫无例外地也必须适应这种发展的需求。
　　世界上第一台坐标测量机是在1959年由英国制造的，现在国内外的应用已相当普遍。坐标测量机的万能性强，自动化程度高，成为现代化工业生产、科学研究必不可少的精密测量仪器。近几年，国内外很多坐标测量机的生产厂家，不断采作新技术、新材料、新工艺和新结构，提高产品的性能，降低产品的价格，同时，坐标测量机的测量软件也有了较大的改进[5-6]，但虚拟坐标测量机的研究基本属于空白。因此，在虚拟环境下，虚拟坐标测量机的研究是虚拟制造技术发展的需要，虚拟坐标测量机的出现，不但开辟了坐标测量技术的一个新的研究领域，而且必将成为虚拟制造系统中一个十分重要的组成部分。
1　虚拟坐标测量机的体系结构
　　虚拟坐标测量机的建模和运行仿真是传统三坐标测量机及其测量过程在虚拟环境中的映射，虚拟坐标测量机是一个以制造技术为背景，以几何量测量为对象，在虚拟坐标测量机建模和运行仿真环境中由用户生成的虚拟几何测量系统。虚拟坐标测量机是一种没有真实量仪实体，但却有真实量仪感觉和功能的坐标测量机，它是一种建立在虚拟现实或虚拟环境科学基础上的，集量仪设计理论、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等于一体的，以个人计算机或工作站为母体、以软件为主的一个计算机空间。在这个人造现实空间里，用户可以根据自己的需求来建造所需的各种坐标测量机和运行环境，可见，虚拟坐标测量机是一种纯数字化的软件系统，其体系结构一般由如下模块组成：
　　从图1的体系结构可以看出，虚拟坐标测量机主要由虚拟坐标测量机建模、参数输入、虚拟测量环境和参数输出等模块组成。其中虚拟坐标测量机建模由虚拟坐标测量机几何、运动和误差建模模块组成，通过这三个模块实现坐标测量机本身快速建模，构造出用户自己需要的坐标测量机；参数输入模块完成用户测量要求的输入以及被测零件几何要素和公差信息的输入，从而确定用户坐标测量机的测量范围、测量误差、被测要素的形式以及被测零件的结构等；虚拟测量环境模块完成测量程序生成、测量路径设计和测量过程仿真，用户可以在这个虚拟测量环境中进行离线编程、功能演示和技术培训等；参数输出模块可以对用户使用的测量方法进行评价，还可以输出整个仿真运行的结果。


图1　虚拟坐标测量机组成模块的体系结构
2　虚拟坐标测量机的基本功能
　　虚拟坐标测量机的基本功能与真实坐标测量机基本相同，两者的差异主要是在运行环境上的区别。真实坐标测量机已广泛地应用于三维复杂零件的尺寸、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领域。而虚拟坐标测量机运行在计算机软硬件构成的虚拟环境中，除具有一般坐标测量机的功能外，还需为产品的并行设计、虚拟制造选择最佳坐标测量方案和提供反馈信息，因此，虚拟坐标测量机需要具备以下功能：
　　.支持并行工程和虚拟制造，提供反向工程信息
　　.从CAD／CAPP提取零件几何和公差信息或通过交互输入零件几何和公差信息
　　.虚拟坐标测量机的建模和独立运行功能
　　.选择测量装置结构并进行评估功能
　　.坐标测量机测量误差的修正和性能的改进功能
　　.具有可视化的图形编辑功能
　　.选择测量方案并进行评估功能
　　.选择避免碰撞测量路径，并进行评估功能
　　.测量过程的3D仿真和结果显示功能
　　.零件测量不确定度的预测和评估功能
　　.零件合格、报废和返修判断，批次测量的统计结果
3　虚拟坐标测量机的仿真运行环境
　　虚拟坐标测量机的仿真运行环境如图2所示，其硬件配置和软件环境如下：


图2　虚拟坐标测量机仿真运行环境
　　(1)硬件配置：
　　高档PC或微机三维图形工作站，CPU：Pentium Pro或Pentium II，时钟频率：233 MHz以上，内存：64 M以上，硬盘：6.4 G以上，显示卡：MGA带3 D加速，声霸卡:Creative SB PCI 64位。对于沉浸感较强的仿真运行还需要立体眼睛，三维鼠标等。
　　(2)软件环境：
　　Windows95TM或WindowsNT4.0，OpenGL三维立体图形库。
　　为了满足一般计算机用户的要求，我们所开发的虚拟坐标测量机没有使用SUN、SGI等类型的图形工作站，而是选用了高档PC或微机图形工作站，这样构成的系统操作简单，便于使用与推广。
4　结束语
　　适应虚拟制造发展的需要，本文提出了坐标测量领域一个全新的概念——虚拟坐标测量机，它不同于传统的坐标测量机，支持“并行工程”和“虚拟制造”，代表着新一代测试技术和测试设备的发展方向，并成为虚拟制造中的一个重要组成部分。虚拟坐标测量机的产生，促进了虚拟现实技术与坐标测量技术的结合，是虚拟现实技术在制造领域又一典型应用。
*国家自然科学基金资助项目(59775086)
作者简介:黄庆成　34岁　男　博士研究生
作者单位:哈尔滨工业大学仪器仪表及测控技术系，黑龙江省哈尔滨市，150001
参考文献
　　1　刘红旗,王枞.虚拟现实环境下的产品设计和制造技术.虚拟制造技术研讨与演示会论文集,1998
　　2　Jay Lee.制造全球化的挑战及研究战略.中国机械工业,1997,8(1)
　　3　蒋新松.拟实制造.CIMS-China'96论文集(上册).第四届中国计算机集成制造系统(CIMS)学术会议,1996
　　4　Nathanial J Durlach and Anne S Mavor.Virtual Reality Scientific and Technologycal Challenges.Washington,DC:National Academy Press,1995
　　5　曹麟祥,汪慰军.三坐标测量机的现状、发展与未来.宇航技测技术,1996,16(2)
　　6　安卫.国外三坐标测量机技术发展动态.航空精密制造技术,1996,32(4)
1999-04-21收稿
