飛機渦輪增壓葉片數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)軟件開發(fā)北京航空航天大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院100083王亞平王鵬摘要該系統(tǒng)為飛機渦輪增壓葉片數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)提供與三坐標(biāo)測量機的接口,實現(xiàn)在實時狀態(tài)下對零件輪廓的測量標(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)檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計、數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計與實現(xiàn)、測頭管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)、軟件與測量機之間的通訊等功能的設(shè)計與實現(xiàn)以及其它一些在數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)設(shè)計中需要解決的問題。關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)三坐標(biāo)測量機計算機輔助設(shè)計輪廓測量中圖分類號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,為了提高零件檢測的效率和精確度,迫切需要實現(xiàn)檢測的數(shù)字化,即通過計算機軟件支持的自動化數(shù)字檢測中心來實現(xiàn)零件檢測。用戶對數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)開發(fā)的要求已經(jīng)不再僅僅局限于單純的檢測功能,更希望將數(shù)據(jù)檢測技術(shù)與CAD/CAM技術(shù)緊密結(jié)合起來。2系統(tǒng)功能及要求三坐標(biāo)自動測量機的曲線、曲面測量涉及到許多關(guān)鍵問題和技術(shù),在系統(tǒng)的設(shè)計中以現(xiàn)有CAD系統(tǒng)為基礎(chǔ),包括CAD/CAM模塊、檢測模塊、通訊模塊。針對目前產(chǎn)品質(zhì)量保證體系的實際需要開發(fā)空間自由曲線、自由曲面的專用測量系統(tǒng)是十分迫切的。對國外數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)產(chǎn)品的調(diào)查發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)的開發(fā)通常都設(shè)計為源于CAD的坐標(biāo)測量機檢測規(guī)劃自動生成系統(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、曲面為主要測量對象,實現(xiàn)對空間自由曲線與自由曲面的測量、數(shù)據(jù)采集、數(shù)值與圖形的處理、誤差計算、評價及表達(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)計采用模塊化的層次結(jié)構(gòu),有良好的可擴展性。圖1為系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖。可以將軟件分為三個層次,即數(shù)據(jù)輸入層,主要是為檢測系統(tǒng)建立理論模型和獲取測量數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理層,主要是對檢測過程中各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理輸出層,是實現(xiàn)測量結(jié)果的分析處理、測量報表的生成。3測頭管理系統(tǒng)由于測頭的迅速發(fā)展,我們嘗試著對這些測頭進(jìn)行有效的管理,我們把測針、連接桿、測頭回轉(zhuǎn)體、測頭自動更換裝置圖1系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖等組成的檢測器稱之為測頭系統(tǒng),簡稱測頭。而所謂的測頭管理就是測頭的創(chuàng)建、修改和刪除以及對組成測頭的各個部件添加、修改和刪除的管理。具體的說包括測頭的定義、校正和調(diào)用。在進(jìn)行零件檢測時,首先要進(jìn)行測頭的定義,該部分將采用交互方式實現(xiàn)對測針、連接桿、測頭回轉(zhuǎn)體、測頭自動更換裝置的形狀和規(guī)格進(jìn)行選擇并將生成的測頭系統(tǒng)保存到數(shù)據(jù)庫中,以便于使用時候的調(diào)用。根據(jù)開發(fā)產(chǎn)品配套系統(tǒng)的設(shè)想,將其設(shè)計為一個典型的、架構(gòu)在檢測系統(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)庫系統(tǒng)?；谝陨系目紤],我們在測頭管理系統(tǒng)開發(fā)及使用過程中建立用戶層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層的三層構(gòu)架以后臺數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)核心,對規(guī)范數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、查詢、修改和刪除以檢測系統(tǒng)為平臺,對話框為交互方式,對數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化的管理采用ADOACTIVEXDATAOBJECT為數(shù)據(jù)庫訪問方式。作者簡介王亞平,男1955,北京航空航天大學(xué)高級工程師、碩士研究生導(dǎo)師,研究領(lǐng)域為CAD/CAM。王鵬,男1980,北京航空航天大學(xué)2001屆碩士研究生,研究方向計算機輔助設(shè)計與制造。收稿日期200419計算機應(yīng)用74測量結(jié)果的處理測量結(jié)果是用戶最為關(guān)心的問題,通常的測量評價包括離散類評價和輪廓度類評價兩種類型。由于是針對飛機渦輪增壓葉片的數(shù)據(jù)檢測,系統(tǒng)把測量的重點放在曲線、曲面的測量上,對于測量結(jié)果的表述采用圖形報表方式和文字報表方式。對于實時測量數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)分析功能進(jìn)行半徑補償、平面擬合處理以滿足檢測的各種需要。41測量結(jié)果的圖形顯示零件檢驗完畢應(yīng)該提供給用戶比較直觀的測量結(jié)果,以圖形方式顯示的測量結(jié)果即包括原始模型又包含標(biāo)簽和邊框,具有工程要求的測量文件能夠滿足用戶的要求。測量結(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于旋轉(zhuǎn)而言或視區(qū)相對于縮放、平移而言發(fā)生變化時,標(biāo)簽的顯示會根據(jù)模型的當(dāng)前位置自動地重新更新標(biāo)簽的位置。同時可以根據(jù)用戶的需要動態(tài)編輯標(biāo)簽,包括移動標(biāo)簽、改變標(biāo)簽的字體以及格式、控制指定測量點處標(biāo)簽的顯示與否、設(shè)置標(biāo)簽顯示時所間隔的測量點個數(shù)等功能,充分滿足用戶的需求。42文字報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報表是一種比較通用和直觀的報表形式。采用自動化技術(shù)使用EXCEL組件、對EXCEL對象的控制與操作,實現(xiàn)了將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為EXCEL數(shù)據(jù)文件。43實時測量數(shù)據(jù)處理在進(jìn)行零部件檢測時,方法是測量機對零部件某一高度大,測頭半徑越大,偏離量也就越大,其偏離值E可由下式表示為ER11COS式中R為測端半徑為接觸點處的曲線切向與水平坐標(biāo)軸所夾的銳角。在實際測量中,被測零件的實際輪廓與理論輪廓之間存在一定的偏差。由于實際輪廓與理論輪廓的位置關(guān)系的不同,半徑的補償方向也會有所不同。首先,根據(jù)測頭測量時的觸測方向確定方向矢量V1接著,計算測頭中心到理論輪廓的最近點P,構(gòu)造矢量V2,起點為測頭中心,終點為點P最后,計算出矢量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表示實際輪廓圖3半徑補償方向的判定方法可用下面公式計算夾角的余弦V1V2COS|V|V|12的輪廓進(jìn)行測量,將所采集數(shù)據(jù)點通過串行通訊傳送到計算機,系統(tǒng)通過讀串口獲得測量點數(shù)據(jù),對測量點進(jìn)行半徑補償,并與CAD環(huán)境中的理論數(shù)模進(jìn)行比較,判斷點是否超差,將補償后的合格測量點保存和顯示在系統(tǒng)中,當(dāng)測量點大于這樣,問題的焦點就集中到求解測頭中心到理論曲面的距離的方法上。如果能夠快速準(zhǔn)確地計算出測頭中心到理論輪廓的距離,問題就迎刃而解。以曲面的測頭半徑補償為例,設(shè)測頭中心點坐標(biāo)為PCXC,YC,ZC,被測接觸點坐標(biāo)為PS等于三個時,開始進(jìn)行曲面擬合,當(dāng)測量結(jié)束后得到由所有測X,Y,Z,被測點的單位法矢量為PL,M,N,則經(jīng)測頭半SSSN量點擬合的平面,將此平面與零件數(shù)模求交,得到一條與模型的交線,用戶把所有測量點投影到擬合平面上通過投影點及其連線與輪廓線的比較來判斷葉片的質(zhì)量。此過程的實現(xiàn)涉及到以下兩個方面的技術(shù)問題A半徑補償根據(jù)輪廓度的定義,輪廓度測量首先是計算實際輪廓與理論輪廓的法向偏差值。坐標(biāo)測量中測頭的測端通常做成球形,其目的是避免劃傷零件表面,同時也是為了保證測頭與輪徑補償后的坐標(biāo)為XSXCRLYSYCRMZSZCRN式中R測頭半徑。B最小二乘法作平面擬合測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)此次對飛機渦輪增壓葉片數(shù)據(jù)檢測的實際需要,我們需要利用測量得到的離散點進(jìn)行平面擬合。由解析幾何知道,三點可以定一個平面。從理論上講,只要測量不在同一直線上的三點就可以確定一個平面。但任何時候、任何地方都不可能存在絕對平的平面實體,因此所采樣的點,并不一定能真正代表該平面。再者,即使選取的三點位置非常的出色,也會由于在測量中受到來自各方面誤差因素的干擾,使測點中包含誤差,更何況在葉片實際測量時,通常測量的點很多,有時甚至多達(dá)數(shù)百點。當(dāng)實際測量點N超過1實際輪廓2理論輪廓確定一個平面的最少點數(shù)3時,可能形成CN3個不同的要圖2輪廓度測量示意圖廓表面法向接觸,但是由于測端半徑的影響,坐標(biāo)測量機給出的是測端球心的坐標(biāo),而用戶需要的是被測零件的輪廓。測頭垂直底端實際偏離表面一段距離。顯而易見,曲線斜率越素。如果測量平面點數(shù)N為10時,可能形成的平面數(shù)CN3120。那么,采用什么樣的方法來確定唯一的被測要素呢根據(jù)精度要求和該元素在機器中的作用,在開發(fā)中采用了最小二乘法。用最小二乘法確定被測要素的基本原理是假定有一理想要素使得被測要素的各點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)即為所要求的被測要素的特征參數(shù)。用最小二乘法確定的被測要素具有”唯一性”,且一般都能以數(shù)學(xué)表達(dá)式描述,適于計算機編程求解。5測量文件的生成將測量過程以文件的方式提供給用戶端的目的是向用戶提供一個離線測量的接口,用戶可以將測量過程以文件的形式讀入到程序中,程序再做出相應(yīng)的計算處理,從而得到測量結(jié)果。系統(tǒng)開發(fā)中采用專門的PPL語言規(guī)范將測量路徑生成測量文件。本系統(tǒng)與測量機之采用串行通訊,確定測量點和相應(yīng)的測量結(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通過串口通訊的測量方案6所謂測量過程,是信息的采集、傳遞和處理,以及對坐標(biāo)測量機控制的過程。在實踐中,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,所以采用以PC機為主,通6結(jié)論目前的數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)已經(jīng)具有比較完整的功能,也做出很多探索性的工作,保證測量所必須的一些基本的功能要求,又增加數(shù)據(jù)庫對測頭管理的支持、測量控制文件的生成等功能。本論文討論了系統(tǒng)開發(fā)過程中所解決的一些技術(shù)問題。參考文獻(xiàn)1白作霖等基于CNC坐標(biāo)測量機的自由曲面曲線自動檢測及處理系統(tǒng)西安交通大學(xué)學(xué)報,19952馬樹元三坐標(biāo)測量機測量與以往測量方法的比較計量技術(shù),19943王國興用三坐標(biāo)測量機對空間曲面的測量計量技術(shù),19954曹麟祥,汪慰軍三坐標(biāo)測量機的現(xiàn)狀、發(fā)展與未來宇航計測技術(shù),19965馮國馨等CMM曲線曲面測量領(lǐng)域的關(guān)鍵問題航空精密制造技術(shù),19996張雄飛,方方WINDOWS平臺下數(shù)據(jù)采集串口通訊的實現(xiàn)計算機自動測量與控制,2001,97張國雄三坐標(biāo)測量機天津大學(xué)出版社,19998梁榮茗三坐標(biāo)測量機的設(shè)計、使用、維修與檢定中國計量出版社,20009鄭章,程剛,張勇等VISUALC60數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)機械工業(yè)出版社,1999過電纜線連接,以RS232串行接口為通訊通道,對數(shù)據(jù)傳10李現(xiàn)勇VISUALC串行通信技術(shù)與工程實踐人民郵電出版社,輸進(jìn)行控制,并接收測量機發(fā)送回來的信息。如圖4所示。200211王能斌數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理電子工業(yè)出版社,2000,1上接第5頁圖5上位機CAN通信的主程序流程圖3軟件設(shè)計基于CAN現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)的軟件包括上位機的監(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。在此簡要介紹上位機通信程序的設(shè)計。上位機的CAN通信程序主要用于CAN通信適配卡向下位機發(fā)送指令或數(shù)據(jù)以及從下位機讀取數(shù)據(jù)等,是整個軟件設(shè)計過程中非常重要的一部分。上位機CAN通信的主程序流程圖如圖5所示。4結(jié)束語近幾年來,現(xiàn)場總線技術(shù)在國內(nèi)有了較快的發(fā)展,其工業(yè)化的產(chǎn)品也日臻成熟。現(xiàn)場總線控制系統(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)場總線之一更不例外8。本文設(shè)計的CAN總線控制系統(tǒng)具有造價低廉、結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)的特點,不僅在淡水魚加工控制系統(tǒng)中具有較高的使用價值,而且在諸如此類中小型控制系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1白焰,吳鴻,楊國田分散控制系統(tǒng)與