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1、摘要 :该系统为飞机涡轮增压叶片数据检测系统 。系统提供与三坐标测量机的接口 ,实现在实时状态下对零件轮廓的测量标定 ,为产品质量控制提供依据 。主要内容包括 : 数据检测系统的总体设计 、数据处理模块的设计与实现 、测头管理系统的设计与实现 、软件与测量机之间的通讯等功能的设计与实现以及其它一些在数据检测系统设计中需要解决的问题 。关键词 :数据检测系统 三坐标测量机 计算机辅助设计 轮廓测量中图分类号 : TP391Measure Data System Developing f or Blade of Airplane TurbineWang Ya2ping Wang PengAbstr
2、act : The system p rovides t he communication - interface for CMM (32D Coordinate Measuring Machine) , realizes t he f unction of surface check in real - time , and p rovides t he reference for qualit y cont rol. The paper mainly includes : t he design of t he systems col2lectivit y , data p rocessi
3、ng , testing p robes management , t he communication wit h CMM , and ot her questions to be solved during measure system design.Key words : measuring system ; CMM ; CAD ; p rofile measure1引言航空零件通常比拟复杂 ,而且质量要求高 ,因此 ,为了提 高零件检测的效率和精确度 ,迫切需要实现检测的数字化 ,即 通过计算机软件支持的自动化数字检测中心来实现零件检 测 。用户对数据检测系统开发的要求已经不再仅仅局限
4、于单 纯的检测功能 ,更希望将数据检测技术与 CAD/ CAM 技术紧 密结合起来 。2系统功能及要求三坐标自动测量机的曲线 、曲面测量涉及到许多关键问 题和技术 , 在 系 统 的 设 计 中 以 现 有 CAD 系 统 为 基 础 , 包 括 CAD/ CAM 模块 、检测模块 、通讯模块 。针对目前产品质量保 证体系的实际需要开发空间自由曲线 、自由曲面的专用测量 系统是十分迫切的 。对国外数据检测系统产品的调查发现 : 数据检测系统的开发通常都设计为源于 CAD 的坐标测量机 检测规划自动生成系统 。所研制的系统应以根本的尺寸公差 和形位公差 、空间自由曲线 、曲面为主要测量对象 ,实
5、现对空 间自由曲线与自由曲面的测量 、数据采集 、数值与图形的处 理 、误差计算 、评价及表达 ,并作为质量保证体系的质量信息 源之一 。系统设计采用模块化的层次结构 ,有良好的可扩展 性 。图 1 为系统的功能结构图 。可以将软件分为三个层次 ,即 : 数据输入层 ,主要是为检 测系统建立理论模型和获取测量数据 ;数据处理层 ,主要是对 检测过程中各种数据进行分析 、处理 ; 输出层 ,是实现测量结果的分析处理 、测量报表的生成 。3 测头管理系统由于测头的迅速开展 ,我们尝试着对这些测头进行有效 的管理 ,我们把测针 、连接杆 、测头回转体 、测头自动更换装置图 1 系统的功能结构图等组成
6、的检测器称之为测头系统 ,简称测头 。而所谓的测头管理就是测头的创立 、修改和删除以及对组成测头的各个部 件添加 、修改和删除的管理 。具体的说包括测头的定义 、校正 和调用 。在进行零件检测时 ,首先要进行测头的定义 ,该局部 将采用交互方式实现对测针 、连接杆 、测头回转体 、测头自动 更换装置的形状和规格进行选择并将生成的测头系统保存到 数据库中 ,以便于使用时候的调用 。根据开发产品配套系统的设想 ,将其设计为一个典型的 、架构在检测系统根底上 、并有效的集成到系统中的功能完备的数据库系统 。基于以上的考虑 ,我们在测头管理系统开发及使用过程 中 :建立用户层 、应用层和数据层的三层构
7、架 ; 以后台数据库 为数据核心 ,对标准数据进行输入 、查询 、修改和删除 ;以检测 系统为平台 ,对话框为交互方式 ,对数据进行标准化的管理 ; 采用 ADO (ActiveX Data Object) 为数据库访问方式 。作者简介 :王亚平 ,男 ( 1955 - ) ,北京航空航天大学高级工程师 、硕士研究生导师 ,研究领域为 CAD/ CAM 。王 鹏 ,男 ( 1980 - ) ,北京航空航天大学 2001 届硕士研究生 ,研究方向计算机辅助设计与制造 。收稿日期 :2004 - 1 - 9测量结果是用户最为关心的问题 ,通常的测量评价包括离散类评价和轮廓度类评价两种类型 。由于是
8、针对飞机涡轮 增压叶片的数据检测 ,系统把测量的重点放在曲线 、曲面的测 量上 ,对于测量结果的表述采用图形报表方式和文字报表方 式 。对于实时测量数据系统提供数据分析功能进行半径补 偿 、平面拟合处理以满足检测的各种需要 。4 . 1 测量结果的图形显示零件检验完毕应该提供应用户比拟直观的测量结果 ,以 图形方式显示的测量结果即包括原始模型又包含标签和边 框 ,具有工程要求的测量文件能够满足用户的要求 。测量结 果的图形显示包括图形标签和图形边框 。模型的显示是在三 维空间的方式下进行 ,标签的标注和边框显示那么在二维平面 上进行 。当模型的观察视角 ( 相对于旋转而言) 或视区 ( 相对
9、于缩放 、平移而言) 发生变化时 ,标签的显示会根据模型的当 前位置自动地重新更新标签的位置 。同时可以根据用户的需 要动态编辑标签 ,包括移动标签 、改变标签的字体以及格式 、 控制指定测量点处标签的显示与否 、设置标签显示时所间隔 的测量点个数等功能 ,充分满足用户的需求 。4 . 2 文字报表的生成为了让用户得到详细的文字信息便于进一步的分析处 理 ,并考虑到 Excel 报表是一种比拟通用和直观的报表形式 。 采用自动化技术使用 Excel 组件 、对 Excel 对 象 的 控 制 与 操 作 ,实现了将测量数据转化为 Excel 数据文件 。4 . 3 实时测量数据处理在进行零部件
10、检测时 ,方法是 :测量机对零部件某一高度 的轮廓进行测量 ,将所采集数据点通过串行通讯传送到计算 机 ,系统通过读串口获得测量点数据 , 对测量点进行半径补 偿 ,并与 CAD 环境中的理论数模进行比拟 ,判断点是否超差 , 将补偿后的合格测量点保存和显示在系统中 ,当测量点大于 等于三个时 ,开始进行曲面拟合 ,当测量结束后得到由所有测 量点拟合的平面 ,将此平面与零件数模求交 ,得到一条与模型 的交线 ,用户把所有测量点投影到拟合平面上通过投影点及 其连线与轮廓线的比拟来判断叶片的质量 。此过程的实现涉及到以下两个方面的技术问题 :(a) 半径补偿根据轮廓度的定义 ,轮廓度测量首先是计算
11、实际轮廓与 理论轮廓的法向偏差值 。坐标测量中测头的测端通常做成球形 ,其目的是防止划伤零件外表 ,同时也是为了保证测头与轮1e = r( cos- 1)式中 : r 为测端半径 ;为接触点处的曲线切向与水平坐标轴所夹的锐角 。在实际测量中 ,被测零件的实际轮廓与理论轮廓之间存 在一定的偏差 。由于实际轮廓与理论轮廓的位置关系的不 同 ,半径的补偿方向也会有所不同 。首先 ,根据测头测量时的触测方向确定方向矢量 V 1 ;接着 ,计算测头中心到理论轮廓的最近点 P ,构造矢量 V 2 ,起点为测头中心 ,终点为点 P ;最后 ,计算出矢量 V 1与矢量 V 2的夹角 ,假设夹角小于 90那么属
12、于情况一 ,假设夹角大于 90那么属于情况二 。1 表示理论轮廓2 表示实际轮廓图 3 半径补偿方向的判定方法可用下面公式计算夹角的余弦 :V 1 V 2cos=| V | | V |1 2这样 , 问题的焦点就集中到求解测头中心到理论曲面的距离的方法上 。如果能够快速准确地计算出测头中心到理论 轮廓的距离 , 问题就迎刃而解 。以曲面的测头半径补偿为例 , 设测头中心点坐标为 Pc ( xc , yc , z c ) , 被测接触点坐标为 Ps( x , y , z , 被测点的单位法矢量为 P ( l , m , n) , 那么经测头半s)ssn径补偿后的坐标为 :x = x - r ls
13、cys = yc - r mzs = z c - r n式中 : r 测头半径 。( b) 最小二乘法作平面拟合 测量得到的是一系列离散数据 ,由它获得曲线曲面方程的过程称为建模 ,即曲线曲面的重构 ,其主要方法是拟合 。根据此次对飞机涡轮增压叶片数据检测的实际需要 ,我们需要 利用测量得到的离散点进行平面拟合 。由解析几何知道 ,三点可以定一个平面 。从理论上讲 ,只 要测量不在同一直线上的三点就可以确定一个平面 。但任何时候 、任何地方都不可能存在绝对平的平面实体 ,因此所采样的点 ,并不一定能真正代表该平面 。再者 ,即使选取的三点位 置非常的出色 ,也会由于在测量中受到来自各方面误差因
14、素 的干扰 ,使测点中包含误差 ,更何况在叶片实际测量时 ,通常测量的点很多 ,有时甚至多达数百点 。当实际测量点 N 超过确定一个平面的最少点数 3 时 , 可能形成 CN 3 个不同的要 素 。如果测量平面点数 N 为 10 时 ,可能形成的平面数 CN 3= 120 。那么 ,采用什么样的方法来确定唯一的被测要素呢 ?1 实际轮廓2 理论轮廓图 2 轮廓度测量示意图廓外表法向接触 ,但是由于测端半径的影响 ,坐标测量机给出将测量过程以文件的方式提供应用户端的目的是向用户提供一个离线测量的接口 ,用户可以将测量过程以文件的形式读入到程序中 ,程序再做出相应的计算处理 ,从而得到测量结 果
15、。系统开发中采用专门的 PPL 语言标准将测量路径生成测量文件 。本系统与测量机之采用串行通讯 ,确定测量点和相应 的测量结果的发送和接收格式 ,保证数据的正确发送和接收 。1白作霖等. 基于 CNC 坐标测量机的自由曲面曲线自动检测及处理系统 . 西安交通大学学报 ,1995 .马树元. 三坐标测量机测量与以往测量方法的比拟. 计量技术 ,1994 .王国兴. 用三坐标测量机对空间曲面的测量. 计量技术 ,1995 .曹麟祥 ,汪慰军. 三坐标测量机的现状 、开展与未来. 宇航计测技术 ,1996 .冯国馨等. CMM 曲线曲面测量领域的关键问题. 航空精密制造技术 ,1999 .张雄飞 ,
16、方方. Windows 平台下数据采集串口通讯的实现. 计算机自动 测量与控制 ,2001 ,9 .张国雄. 三坐标测量机. 天津大学出版社 ,1999 .梁荣茗. 三坐标测量机的设计 、使用 、维修与检定. 中国计量出版社 ,2000 .郑章 ,程刚 ,张勇等. Visual C + + 6 . 0 数据库开发技术. 机械工业出版 社 ,1999 .李现勇. Visual C + + 串行通信技术与工程实践. 人民邮电出版社 ,2002王能斌. 数据库系统原理. 电子工业出版社 ,2000 ,1 .2345678图 4 通过串口通讯的测量方案6所谓测量过程 ,是信息的采集 、传递和处理 ,以
17、及对坐标 测量机控制的过程 。在实践中 ,由于串行通讯具有所有传输 线少 , 适合于远距离传输等特点 ,所以采用以 PC 机为主 ,通 过电缆线连接 ,以 RS - 232 串行接口为通讯通道 ,对数据传 输进行控制 ,并接收测量机发送回来的信息 。如图 4 所示 。91011(上接第 5 页)程中非常重要的一局部 。上位机 CAN 通信的主程序流程图如图 5 所示 。4结束语近几年来 ,现场总线技术在国内有了较快的开展 , 其工 业化的产品也日臻成熟 。现场总线控制系统代替传统的集 中控制系统已成为不可阻挡的潮流 ,CAN 总线作为最有前途 的现场总线之一更不例外8 。本文设计的 CAN 总
18、线控制系 统具有造价低廉 、结构简单 、易于维护的特点 ,不仅在淡水鱼 加工控制系统中具有较高的使用价值 ,而且在诸如此类中小 型控制系统中得到越来越广泛的应用 。参考文献1白焰 ,吴鸿 ,杨国田. 分散控制系统与现场总线控制系统 - 根底 、评选 、设计和应用M . 中国电路出版社 ,2001 .顾洪军等. 工业企业网与现场总线技术及应用M . 人民邮电出版社 ,2002 .邬宽明. 现场总线技术选编 M . 北京 : 北京航空航天大学出版社 ,2003 .Data Sheet PCA82C250 , Philip s Semico nductors , September 1994 .邬宽
19、明. CAN 原理和应用系统设计 M . 北京航天航空大学出版社 ,2002 .邹益仁 ,马增良 ,蒲维. 现场总线控制系统的设计和开发 M . 国防工 业出版社 ,2003 .张金宏 ,沈天健. CAN 总线在加速器控制系统中应用. 测控技术 ,1999 (6) :3132 .23图 53软件设计上位机 CAN 通信的主程序流程图45基于 CAN 现场总线的控制系统的软件包括上位机的监控软件 、通用 CAN 控制器的软件 、以及 CAN 操作和显示控 制器的软件 。在此简要介绍上位机通信程序的设计 。上位 机的 CAN 通信程序主要用于 CAN 通信适配卡向下位机发 送指令或数据以及从下位机读取数据等 ,是整个软件设计过67