飛機(jī)渦輪增壓葉片數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院100083王亞平王鵬摘要該系統(tǒng)為飛機(jī)渦輪增壓葉片數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)提供與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的接口,實(shí)現(xiàn)在實(shí)時(shí)狀態(tài)下對(duì)零件輪廓的測(cè)量標(biāo)定,為產(chǎn)品質(zhì)量控制提供依據(jù)。主要內(nèi)容包括數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、測(cè)頭管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、軟件與測(cè)量機(jī)之間的通訊等功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)以及其它一些在數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要解決的問(wèn)題。關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)輪廓測(cè)量中圖分類號(hào)TP391MEASUREDATASYSTEMDEVELOPINGFORBLADEOFAIRPLANETURBINEWANGYA2PINGWANGPENGABSTRACTTHESYSTEMPROVIDESTHECOMMUNICATIONINTERFACEFORCMM32DCOORDINATEMEASURINGMACHINE,REALIZESTHEFUNCTIONOFSURFACECHECKINREALTIME,ANDPROVIDESTHEREFERENCEFORQUALITYCONTROLTHEPAPERMAINLYINCLUDESTHEDESIGNOFTHESYSTEMSCOL2LECTIVITY,DATAPROCESSING,TESTINGPROBESMANAGEMENT,THECOMMUNICATIONWITHCMM,ANDOTHERQUESTIONSTOBESOLVEDDURINGMEASURESYSTEMDESIGNKEYWORDSMEASURINGSYSTEMCMMCADPROFILEMEASURE1引言航空零件通常比較復(fù)雜,而且質(zhì)量要求高,因此,為了提高零件檢測(cè)的效率和精確度,迫切需要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的數(shù)字化,即通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件支持的自動(dòng)化數(shù)字檢測(cè)中心來(lái)實(shí)現(xiàn)零件檢測(cè)。用戶對(duì)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的要求已經(jīng)不再僅僅局限于單純的檢測(cè)功能,更希望將數(shù)據(jù)檢測(cè)技術(shù)與CAD/CAM技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)。2系統(tǒng)功能及要求三坐標(biāo)自動(dòng)測(cè)量機(jī)的曲線、曲面測(cè)量涉及到許多關(guān)鍵問(wèn)題和技術(shù),在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中以現(xiàn)有CAD系統(tǒng)為基礎(chǔ),包括CAD/CAM模塊、檢測(cè)模塊、通訊模塊。針對(duì)目前產(chǎn)品質(zhì)量保證體系的實(shí)際需要開(kāi)發(fā)空間自由曲線、自由曲面的專用測(cè)量系統(tǒng)是十分迫切的。對(duì)國(guó)外數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品的調(diào)查發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)通常都設(shè)計(jì)為源于CAD的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)規(guī)劃自動(dòng)生成系統(tǒng)。所研制的系統(tǒng)應(yīng)以基本的尺寸公差和形位公差、空間自由曲線、曲面為主要測(cè)量對(duì)象,實(shí)現(xiàn)對(duì)空間自由曲線與自由曲面的測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)值與圖形的處理、誤差計(jì)算、評(píng)價(jià)及表達(dá),并作為質(zhì)量保證體系的質(zhì)量信息源之一。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化的層次結(jié)構(gòu),有良好的可擴(kuò)展性。圖1為系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖。可以將軟件分為三個(gè)層次,即數(shù)據(jù)輸入層,主要是為檢測(cè)系統(tǒng)建立理論模型和獲取測(cè)量數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理層,主要是對(duì)檢測(cè)過(guò)程中各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理輸出層,是實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的分析處理、測(cè)量報(bào)表的生成。3測(cè)頭管理系統(tǒng)由于測(cè)頭的迅速發(fā)展,我們嘗試著對(duì)這些測(cè)頭進(jìn)行有效的管理,我們把測(cè)針、連接桿、測(cè)頭回轉(zhuǎn)體、測(cè)頭自動(dòng)更換裝置圖1系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖等組成的檢測(cè)器稱之為測(cè)頭系統(tǒng),簡(jiǎn)稱測(cè)頭。而所謂的測(cè)頭管理就是測(cè)頭的創(chuàng)建、修改和刪除以及對(duì)組成測(cè)頭的各個(gè)部件添加、修改和刪除的管理。具體的說(shuō)包括測(cè)頭的定義、校正和調(diào)用。在進(jìn)行零件檢測(cè)時(shí),首先要進(jìn)行測(cè)頭的定義,該部分將采用交互方式實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)針、連接桿、測(cè)頭回轉(zhuǎn)體、測(cè)頭自動(dòng)更換裝置的形狀和規(guī)格進(jìn)行選擇并將生成的測(cè)頭系統(tǒng)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中,以便于使用時(shí)候的調(diào)用。根據(jù)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品配套系統(tǒng)的設(shè)想,將其設(shè)計(jì)為一個(gè)典型的、架構(gòu)在檢測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上、并有效的集成到系統(tǒng)中的功能完備的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)?；谝陨系目紤],我們?cè)跍y(cè)頭管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及使用過(guò)程中建立用戶層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層的三層構(gòu)架以后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)核心,對(duì)規(guī)范數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、查詢、修改和刪除以檢測(cè)系統(tǒng)為平臺(tái),對(duì)話框?yàn)榻换シ绞?對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化的管理采用ADOACTIVEXDATAOBJECT為數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)方式。作者簡(jiǎn)介王亞平,男1955,北京航空航天大學(xué)高級(jí)工程師、碩士研究生導(dǎo)師,研究領(lǐng)域?yàn)镃AD/CAM。王鵬,男1980,北京航空航天大學(xué)2001屆碩士研究生,研究方向計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造。收稿日期200419計(jì)算機(jī)應(yīng)用74測(cè)量結(jié)果的處理測(cè)量結(jié)果是用戶最為關(guān)心的問(wèn)題,通常的測(cè)量評(píng)價(jià)包括離散類評(píng)價(jià)和輪廓度類評(píng)價(jià)兩種類型。由于是針對(duì)飛機(jī)渦輪增壓葉片的數(shù)據(jù)檢測(cè),系統(tǒng)把測(cè)量的重點(diǎn)放在曲線、曲面的測(cè)量上,對(duì)于測(cè)量結(jié)果的表述采用圖形報(bào)表方式和文字報(bào)表方式。對(duì)于實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)分析功能進(jìn)行半徑補(bǔ)償、平面擬合處理以滿足檢測(cè)的各種需要。41測(cè)量結(jié)果的圖形顯示零件檢驗(yàn)完畢應(yīng)該提供給用戶比較直觀的測(cè)量結(jié)果,以圖形方式顯示的測(cè)量結(jié)果即包括原始模型又包含標(biāo)簽和邊框,具有工程要求的測(cè)量文件能夠滿足用戶的要求。測(cè)量結(jié)果的圖形顯示包括圖形標(biāo)簽和圖形邊框。模型的顯示是在三維空間的方式下進(jìn)行,標(biāo)簽的標(biāo)注和邊框顯示則在二維平面上進(jìn)行。當(dāng)模型的觀察視角相對(duì)于旋轉(zhuǎn)而言或視區(qū)相對(duì)于縮放、平移而言發(fā)生變化時(shí),標(biāo)簽的顯示會(huì)根據(jù)模型的當(dāng)前位置自動(dòng)地重新更新標(biāo)簽的位置。同時(shí)可以根據(jù)用戶的需要?jiǎng)討B(tài)編輯標(biāo)簽,包括移動(dòng)標(biāo)簽、改變標(biāo)簽的字體以及格式、控制指定測(cè)量點(diǎn)處標(biāo)簽的顯示與否、設(shè)置標(biāo)簽顯示時(shí)所間隔的測(cè)量點(diǎn)個(gè)數(shù)等功能,充分滿足用戶的需求。42文字報(bào)表的生成為了讓用戶得到詳細(xì)的文字信息便于進(jìn)一步的分析處理,并考慮到EXCEL報(bào)表是一種比較通用和直觀的報(bào)表形式。采用自動(dòng)化技術(shù)使用EXCEL組件、對(duì)EXCEL對(duì)象的控制與操作,實(shí)現(xiàn)了將測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為EXCEL數(shù)據(jù)文件。43實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)處理在進(jìn)行零部件檢測(cè)時(shí),方法是測(cè)量機(jī)對(duì)零部件某一高度大,測(cè)頭半徑越大,偏離量也就越大,其偏離值E可由下式表示為ER11COS式中R為測(cè)端半徑為接觸點(diǎn)處的曲線切向與水平坐標(biāo)軸所夾的銳角。在實(shí)際測(cè)量中,被測(cè)零件的實(shí)際輪廓與理論輪廓之間存在一定的偏差。由于實(shí)際輪廓與理論輪廓的位置關(guān)系的不同,半徑的補(bǔ)償方向也會(huì)有所不同。首先,根據(jù)測(cè)頭測(cè)量時(shí)的觸測(cè)方向確定方向矢量V1接著,計(jì)算測(cè)頭中心到理論輪廓的最近點(diǎn)P,構(gòu)造矢量V2,起點(diǎn)為測(cè)頭中心,終點(diǎn)為點(diǎn)P最后,計(jì)算出矢量V1與矢量V2的夾角,若夾角小于90則屬于情況一,若夾角大于90則屬于情況二。1表示理論輪廓2表示實(shí)際輪廓圖3半徑補(bǔ)償方向的判定方法可用下面公式計(jì)算夾角的余弦V1V2COS|V|V|12的輪廓進(jìn)行測(cè)量,將所采集數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)串行通訊傳送到計(jì)算機(jī),系統(tǒng)通過(guò)讀串口獲得測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù),對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行半徑補(bǔ)償,并與CAD環(huán)境中的理論數(shù)模進(jìn)行比較,判斷點(diǎn)是否超差,將補(bǔ)償后的合格測(cè)量點(diǎn)保存和顯示在系統(tǒng)中,當(dāng)測(cè)量點(diǎn)大于這樣,問(wèn)題的焦點(diǎn)就集中到求解測(cè)頭中心到理論曲面的距離的方法上。如果能夠快速準(zhǔn)確地計(jì)算出測(cè)頭中心到理論輪廓的距離,問(wèn)題就迎刃而解。以曲面的測(cè)頭半徑補(bǔ)償為例,設(shè)測(cè)頭中心點(diǎn)坐標(biāo)為PCXC,YC,ZC,被測(cè)接觸點(diǎn)坐標(biāo)為PS等于三個(gè)時(shí),開(kāi)始進(jìn)行曲面擬合,當(dāng)測(cè)量結(jié)束后得到由所有測(cè)X,Y,Z,被測(cè)點(diǎn)的單位法矢量為PL,M,N,則經(jīng)測(cè)頭半SSSN量點(diǎn)擬合的平面,將此平面與零件數(shù)模求交,得到一條與模型的交線,用戶把所有測(cè)量點(diǎn)投影到擬合平面上通過(guò)投影點(diǎn)及其連線與輪廓線的比較來(lái)判斷葉片的質(zhì)量。此過(guò)程的實(shí)現(xiàn)涉及到以下兩個(gè)方面的技術(shù)問(wèn)題A半徑補(bǔ)償根據(jù)輪廓度的定義,輪廓度測(cè)量首先是計(jì)算實(shí)際輪廓與理論輪廓的法向偏差值。坐標(biāo)測(cè)量中測(cè)頭的測(cè)端通常做成球形,其目的是避免劃傷零件表面,同時(shí)也是為了保證測(cè)頭與輪徑補(bǔ)償后的坐標(biāo)為XSXCRLYSYCRMZSZCRN式中R測(cè)頭半徑。B最小二乘法作平面擬合測(cè)量得到的是一系列離散數(shù)據(jù),由它獲得曲線曲面方程的過(guò)程稱為建模,即曲線曲面的重構(gòu),其主要方法是擬合。根據(jù)此次對(duì)飛機(jī)渦輪增壓葉片數(shù)據(jù)檢測(cè)的實(shí)際需要,我們需要利用測(cè)量得到的離散點(diǎn)進(jìn)行平面擬合。由解析幾何知道,三點(diǎn)可以定一個(gè)平面。從理論上講,只要測(cè)量不在同一直線上的三點(diǎn)就可以確定一個(gè)平面。但任何時(shí)候、任何地方都不可能存在絕對(duì)平的平面實(shí)體,因此所采樣的點(diǎn),并不一定能真正代表該平面。再者,即使選取的三點(diǎn)位置非常的出色,也會(huì)由于在測(cè)量中受到來(lái)自各方面誤差因素的干擾,使測(cè)點(diǎn)中包含誤差,更何況在葉片實(shí)際測(cè)量時(shí),通常測(cè)量的點(diǎn)很多,有時(shí)甚至多達(dá)數(shù)百點(diǎn)。當(dāng)實(shí)際測(cè)量點(diǎn)N超過(guò)1實(shí)際輪廓2理論輪廓確定一個(gè)平面的最少點(diǎn)數(shù)3時(shí),可能形成CN3個(gè)不同的要圖2輪廓度測(cè)量示意圖廓表面法向接觸,但是由于測(cè)端半徑的影響,坐標(biāo)測(cè)量機(jī)給出的是測(cè)端球心的坐標(biāo),而用戶需要的是被測(cè)零件的輪廓。測(cè)頭垂直底端實(shí)際偏離表面一段距離。顯而易見(jiàn),曲線斜率越素。如果測(cè)量平面點(diǎn)數(shù)N為10時(shí),可能形成的平面數(shù)CN3120。那么,采用什么樣的方法來(lái)確定唯一的被測(cè)要素呢根據(jù)精度要求和該元素在機(jī)器中的作用,在開(kāi)發(fā)中采用了最小二乘法。用最小二乘法確定被測(cè)要素的基本原理是假定有一理想要素使得被測(cè)要素的各點(diǎn)到該理想要素的距離平方和為最小,那么該理想要素的特征參數(shù)即為所要求的被測(cè)要素的特征參數(shù)。用最小二乘法確定的被測(cè)要素具有”唯一性”,且一般都能以數(shù)學(xué)表達(dá)式描述,適于計(jì)算機(jī)編程求解。5測(cè)量文件的生成將測(cè)量過(guò)程以文件的方式提供給用戶端的目的是向用戶提供一個(gè)離線測(cè)量的接口,用戶可以將測(cè)量過(guò)程以文件的形式讀入到程序中,程序再做出相應(yīng)的計(jì)算處理,從而得到測(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中采用專門的PPL語(yǔ)言規(guī)范將測(cè)量路徑生成測(cè)量文件。本系統(tǒng)與測(cè)量機(jī)之采用串行通訊,確定測(cè)量點(diǎn)和相應(yīng)的測(cè)量結(jié)果的發(fā)送和接收格式,保證數(shù)據(jù)的正確發(fā)送和接收。圖4通過(guò)串口通訊的測(cè)量方案6所謂測(cè)量過(guò)程,是信息的采集、傳遞和處理,以及對(duì)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)控制的過(guò)程。在實(shí)踐中,由于串行通訊具有所有傳輸線少,適合于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn),所以采用以PC機(jī)為主,通6結(jié)論目前的數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)具有比較完整的功能,也做出很多探索性的工作,保證測(cè)量所必須的一些基本的功能要求,又增加數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)測(cè)頭管理的支持、測(cè)量控制文件的生成等功能。本論文討論了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中所解決的一些技術(shù)問(wèn)題。參考文獻(xiàn)1白作霖等基于CNC坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的自由曲面曲線自動(dòng)檢測(cè)及處理系統(tǒng)西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),19952馬樹(shù)元三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量與以往測(cè)量方法的比較計(jì)量技術(shù),19943王國(guó)興用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)空間曲面的測(cè)量計(jì)量技術(shù),19954曹麟祥,汪慰軍三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的現(xiàn)狀、發(fā)展與未來(lái)宇航計(jì)測(cè)技術(shù),19965馮國(guó)馨等CMM曲線曲面測(cè)量領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題航空精密制造技術(shù),19996張雄飛,方方WINDOWS平臺(tái)下數(shù)據(jù)采集串口通訊的實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制,2001,97張國(guó)雄三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)天津大學(xué)出版社,19998梁榮茗三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的設(shè)計(jì)、使用、維修與檢定中國(guó)計(jì)量出版社,20009鄭章,程剛,張勇等VISUALC60數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)技術(shù)機(jī)械工業(yè)出版社,1999過(guò)電纜線連接,以RS232串行接口為通訊通道,對(duì)數(shù)據(jù)傳10李現(xiàn)勇VISUALC串行通信技術(shù)與工程實(shí)踐人民郵電出版社,輸進(jìn)行控制,并接收測(cè)量機(jī)發(fā)送回來(lái)的信息。如圖4所示。200211王能斌數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)原理電子工業(yè)出版社,2000,1上接第5頁(yè)圖5上位機(jī)CAN通信的主程序流程圖3軟件設(shè)計(jì)基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)的軟件包括上位機(jī)的監(jiān)控軟件、通用CAN控制器的軟件、以及CAN操作和顯示控制器的軟件。在此簡(jiǎn)要介紹上位機(jī)通信程序的設(shè)計(jì)。上位機(jī)的CAN通信程序主要用于CAN通信適配卡向下位機(jī)發(fā)送指令或數(shù)據(jù)以及從下位機(jī)讀取數(shù)據(jù)等,是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中非常重要的一部分。上位機(jī)CAN通信的主程序流程圖如圖5所示。4結(jié)束語(yǔ)近幾年來(lái),現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在國(guó)內(nèi)有了較快的發(fā)展,其工業(yè)化的產(chǎn)品也日臻成熟?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集中控制系統(tǒng)已成為不可阻擋的潮流,CAN總線作為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一更不例外8。本文設(shè)計(jì)的CAN總線控制系統(tǒng)具有造價(jià)低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)的特點(diǎn),不僅在淡水魚(yú)加工控制系統(tǒng)中具有較高的使用價(jià)值,而且在諸如此類中小型控制系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1白焰,吳鴻,楊國(guó)田分散控制系統(tǒng)與