基于三坐标测量机的测量软件　ＭｗｏｒｋｓＣＡＤ

摘 要：针对制造业对三坐标测量软件的需求，基于三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine, CMM)设计并实现测量软件MworksCAD. 将其体系结构分为4层：机器层、驱动层、功能服务层和界面层.将尺寸测量接口规范(Dimensional Measuring Interface Standard，DMIS)测量语言作为系统的信息载体，实现智能化的测量点采样、测量路径选择和碰撞检测，提供基于Open CASCADE的三维CAD模型显示与操作，可以满足测量过程自动、高效的要求.

关键词：三坐标测量机； 尺寸测量接口规范； 测量规划； Open CASCADE

中图分类号：TP391.72

文献标志码：A

Measure software MworksCAD based on

coordinate measuring machine

WANG Yuxi１, WANG Wanlong１, DONG Yude２, LIU Daxin１

(1. Dept. of Computer Sci. & Tech., Univ. of Sci. & Tech. of China, Hefei

230027, China；

2. School of Machine & Automobile Eng., Hefei Univ. of Tech., Hefei 230009, China)

Abstract： With the requirement of Coordinate Measuring Machine(CMM)in manufacturing, the measuring software named MworksCAD is designed and implemented. The architecture is divided into four layers: machine layer, driver layer, function service layer, and interface layer. The information carrier is Dimensional Measuring Interface Standard(DMIS) language. The intelligent

measuring sampling, measuring path choice, and collision detection are implemented. The display and manipulation for 3D CAD models based on Open CASADE are provided. The software can satisfy the demand of automation and efficiency in measuring.

Key words： coordinate measuring machine; dimensional measuring interface standard; measuring planning; Open CASCADE

0 引 言

随着敏捷制造技术的发展，以敏捷制造为核心的先进制造技术已成为21世纪的主流技术.它要求企业具有快速的反应性和产品质量的高标准，因此企业设备应具有高度的柔性、可编程化和自动化.三坐标测量机^［1］(Coordinate Measuring Machine, CMM)作为大型精密测量仪器在制造业中起着质量监控的作用，现代制造技术的发展向其提出更高的要求：测量过程和测量方式的自动化，以及测量过程的可控制化.

CMM是集机械、光学、控制技术和计算机技术为一体的大型精密测量仪器，广泛应用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中.它不仅可用于零件的尺寸形状及相互位置的检测，例如箱体、导轨、涡轮和叶片、缸体、凸轮、齿轮、形体等空间型面的测量，而且能与柔性制造系统相连接以实现设计、制造和检测的一体化.^［2］CMM对于提高产品质量、加速产品生产有重要作用，在国内外已得到广泛应用，成为产品质量检测的重要设施.

目前，国内CMM驱动软件存在的主要问题是：不支持传统的CAD文件，没有与企业信息化系统结合，测量方式不具有编程性，以及测量过程中决策没有智能化等.因此还未商业化，尚处于研发阶段.

针对制造业对CMM的需求，开发基于CMM的测量软件MworksCAD.作为具有商业价值的测量软件，它具有如下特点：(1)支持标准CAD文件，能与企业其他信息系统结合；（2）提供基于尺寸测量接口规范(Dimensional Measuring Interface Standard，DMIS)测量语言的可编程系统，实现测量过程的可移植性和可控制性；（3）采用多种智能算法，使测量过程具有自主性和自动化.

1 相关技术

1.1 CMM

CMM通过测量三维坐标并与标准值进行比较来确定产品是否合格.由于所测对象和放置环境条件不尽相同，其种类繁多、形式各异，但基本由主机、测头和电气系统组成.主机是测头的基座，驱动测头运动，并提供测量物体的平台；测头具有三维坐标感知功能，可以在3个方向上感受瞄准信号和微小偏移，由此确定物体的空间坐标，按测量方式可分为接触式和非接触式；电气系统是测量机的控制部分，通常由计算机硬件部分、测量机软件和打印绘图装置组成.^［2］

1.2 Open CASCADE CAD系统

Open CASCADE^［3］ 是由法国的Matra Datavision公司设计开发的CAD系统，于1999年开放源代码.Open CASCADE采用C++开发基于OpenGL的专用快速开发的CAD类库，提供基本几何体表达与操作、CAD模型显示与操作、多种CAD文件格式读取与保存等功能，可应用于CAD软件开发、仿真软件设计和三维图形显示等方面.

1.3 DMIS语言

DMIS由美国CAM-I组织资助开发，其目标是建立一套计算机系统与测量设备之间检测数据双向通信的标准.它提供一种数据格式，由一套术语词汇表建立一个用于检测规程和检测结果数据的中性文件，并利用它进行系统之间的数据交换^［4-6］.本软件所采用的版本是DMIS 5.0.

2 体系结构

图1给出MworksCAD的体系结构，其中共有4层.在这种层次关系中低层向上层提供服务并向上透明，如功能服务层驱动机器运动但无须知道是何种机器，驱动层会提供服务.最下面的第4层是各种机器的集合，如手动机和数控机等；第3层是驱动层，提供各种机器的驱动程序，给出驱动机器的接口供上层调用；第2层是功能服务层，它提供各种服务，如计算和规划等；最上面一层是界面层，表示CAD模型，显示测量过程等.

2.1 驱动层

MworksCAD利用驱动层驱动三坐标测量机，支持自动机和手动机两种形式.对于自动机，驱动服务根据CAD生成的测量点或测量路径驱使机器按程序进行测量；对于手动机，MworksCAD读取机器测量的数据计算生成相应的数据.驱动程序为多种接口提供支持，如RS232，PCI，OMINI，同时可根据用户的选择自动切换驱动程序，以便支持不同的机器.

软件与机器的数据交流一般采用轮询和中断两种方式.在轮询式中，软件间隔固定的时间查询机器状态并获得数据，其缺点是占用系统资源大；在中断式中，每当机器有测量数据产生时就通知软件，软件将数据取走，其优点是占用资源少，但需要硬件支持.为了支持上述两种方式，同时避免其缺点，在MworksCAD中利用多线程解决这个问题.软件建立监视线程，对轮询式机器定时查询，对中断式机器监视中断发生，获得数据后与MworksCAD主线程进行通讯.

2.2 功能服务层核心结构

功能服务层是整个系统的核心，提供计算服务、信息表示、规划服务和数据存储服务等；接受界面层的图形命令调用，生成DMIS测量程序，对DMIS程序进行语法检查，完成测量结果的计算，规划测量过程，向下调用驱动层调度机器，其结构见图2.

(1) CAD服务.CAD服务采用OpenCASCADE系统.MworksCAD对Open CASCADE运行库进行包装，基于原有的功能提供测量过程中所需要的功能，各功能见图3.其中内侧矩形中的功能是Open CASCADE的基本功能，其他功能是经过包装后提供给本系统的功能.利用CAD服务，界面层可以显示CAD模型，显示动态的测量过程，允许用户进行选择、放大缩小和平移等操作；规划服务可以进行采样点规划和碰撞检测；数据存储和加载服务可以支持多种CAD格式.

(2) 计算服务.计算服务提供测量过程中的数据处理功能.在测量过程中处理各种几何元素的构造，如直线、平面和圆等；对坐标系进行变换，如从直角坐标变换到极坐标，处理坐标原点的平移、坐标轴的旋转等；计算各种几何体实际值和名义值间的差，如形位工程、尺寸公差等.

(3) DMIS程序构造服务.主要是根据测量对象的类型和测量方式按照DMIS语言规范生成DMIS测量程序.DMIS程序由定义、命令和程序子单元构成.定义和命令构成DMIS语句，包括面向过程的命令语句和面向几何的定义语句.命令语句由运动语句、机器参数以及检测过程本身所特有的其他语句组成.定义语句用于描述几何、公差、坐标系，以及CAD系统数据库中其他形式的数据.构造服务根据用户点击菜单、按钮和图形的顺序填充几何对象、机器类型、测量对象，构造DMIS语句，自动生成的DMIS语句见图4.

(4) DMIS程序语法检测服务.按照DMIS语言规范对加载的DMIS程序进行语法检查，指出错误，如无错误则进行下一步处理.MworksCAD支持离线编程，即手工编写程序，通过机器运行获得结果.检测服务提供一般语言的语法语义检测功能，方便用户快速调试程序.

(5) 数据存储和加载服务.提供测量过程中各种测量数据的存储、加载和解释，对IGES和STEP等CAD数据转换文件格式进行支持；对测量过程中的环境如坐标系和测头等环境数据进行保存，以便下次测量处于同一环境中；对测量过程中产生的DMIS测量程序进行保存，以支持同一系列产品的循环测量；提供将测量结果转化为Microsoft Word，PowerPoint，Excel等文件格式的报表，便于图形化显示结果.

(6) 规划服务.即提供测量过程规划，包括采样点规划,测量路径规划和碰撞检测与规避功能.三坐标测量机通过对模型上规划的测量点进行测量来完成测量过程，该过程要解决的问题包括采样点的分布、测量路径选择和碰撞消除^{［1，7，8］}.采样点规划基于产品的CAD模型计算最佳的测量点集；测量路径规划根据采样点集确定最优路径，使测量时间尽可能短；碰撞检测与规避功能消除测量过程中测头与产品发生的碰撞，提供改良的路径.

2.3 图形界面层

界面层按实现方式分为两部分：基于Windows的标准图形界面设计部分和基于Open CASCADE的CAD显示部分.标准图形界面部分向用户提供功能展示，向用户提供各种测量功能选择，如构造、选择测头和计算公差等，以便用户使用；CAD显示部分向用户展示CAD模型，利用CAD服务提供的功能接口显示动态测量过程及测量结果.

3 系统实现

3.1 系统界面及操作过程

MworksCAD由Visual C++ 6.0实现，在Windows 2000/XP下运行，其系统界面见图5.Mworks-CAD主窗口分为4个部分：CAD视图窗口、测量过程DMIS语言显示窗口、测量结果显示窗口和测量对象窗口(图5中，左上角是测量对象窗口，左下角是测量结果窗口，中间是CAD视图窗口，右下角是DMIS语言显示窗口).

在软件运行时，用户打开开始菜单载入所需的CAD模型，在CAD视图窗口将显示CAD模型.选择相应的功能菜单后弹出相应的对话框进行设置(其中包括环境设置和测量变量设置)，如图5中右侧的对话框，点击确定确定后将在CAD模型上显示测量路径并动态显示测量过程，与此同时在测量过程DMIS语言显示窗口显示测量语句，最后在测量结果[CM(22]显示窗口显示测量结果并在测量对象窗口显示测量[CM)]的对象.测量完成后可对生成的DMIS程序和测量结果进行保存，并可将测量结果以报表形式打印.

3.2 系统消息流程

MworksCAD依靠DMIS程序为信息载体，利用DMIS程序在各个模块间传递信息，调用各个系统服务来完成软件功能，其具体的消息流程见图6.

MworksCAD支持离线编程和在线编程，其中离线编程是指在脱离机器的情况下通过文本编辑器手工编写DMIS 测量程序，在线编程则通过软件提供的功能自动编程.在软件操作时，用户可以选择载入手工编写的程序或以保存的在线测量程序运行，以便对同类型的产品进行重复测量；或者通过选择相应的功能自动生成DMIS程序，保存后可以继续以同一方式进行测量.

4 结 论

利用三坐标测量机加速产品质量检测过程是机械制造业的大势所趋，如何利用三坐标测量机满足测量过程中的种种要求是一个值得探讨的问题.国内自主开发的测量软件很少，MworksCAD是第一个商用化软件.本文在开发该软件的基础上讨论测量软件的设计实现过程.MworksCAD采用业界测量标准语言接口DMIS，可以将测量过程保存为DMIS程序，并且可以运行任何测量软件生成的DMIS程序，兼容性和通用性非常好；采用基于Open CASCADE的开放源代码CAD可运行库，具有动态的可视化效果，成本较低；采用大量智能化算法，测量效率较高.与流行的测量软件相比，MworksCAD拥有其绝大多数功能，具有良好的兼容性和可操作性，而且价格低廉、可扩展性强，推广价值很高.

参考文献：

［1］ 马新辉. 智能三坐标测量机的研究［D］. 天津：天津大学， 2002.

［2］ 张国熊. 三坐标测量机［M］. 天津：天津大学出版社, 1999: 1-20.

［3］ Open CASCADE S A S. Open CASCADE

technical document［EB/OL］. (2004-08-01)［2005-12-10］. HTTP://www.OpenCASCADE.org/org/doc/.

［4］ 李鹏涛. 逆向工程中基于DMIS的自动测量关键技术研究与实现［D］. 西安: 西北工业大学, 2001.

［5］ ANSI/CAM-I. Dimensional measuring interface standard part 1［S］. Bedford : CAM-I Inc, 2001.

［6］ 张定华. 基于散乱数据的曲面重构及相关技术研究［D］. 西安: 西北工业大学, 2001.

［7］ 吴永清. 智能三坐标测量机检测规划中若干关键技术的研究［D］. 天津: 天津大学，2001.

［8］ SPTIZ S N, REQUICHA A A G. Multiple-goals path planning for coordinate measuring machines［C］// Proc 2000. IEEE International Conference on Robotics & Automation. San Francisco, CA, USA, 2000(3): 2 322-2 327.

(编辑 于 杰)

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