虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精密檢測(cè)補(bǔ)償?shù)姆椒皯?yīng)用

胡曾堯

摘要：本文根據(jù)虛擬仿真技術(shù)數(shù)模的構(gòu)成方式和數(shù)學(xué)的浮點(diǎn)算法，提出了基于三坐標(biāo)測(cè)量、大型工具顯微鏡測(cè)量、表面質(zhì)量測(cè)微儀為代表的三種獲取物理模型精準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)的核算方法，針對(duì)三種不同檢測(cè)中存在的差異，對(duì)測(cè)量碰撞標(biāo)定方法、測(cè)點(diǎn)誤差補(bǔ)償方法、射線取點(diǎn)法進(jìn)行了研究，最終在高精密檢測(cè)中心實(shí)現(xiàn)了虛擬仿真交互功能系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：高精密檢測(cè)；虛擬現(xiàn)實(shí)；碰撞標(biāo)定；誤差補(bǔ)償

以高精密測(cè)量?jī)x器為載體，針對(duì)精密模具零件進(jìn)行的虛擬仿真測(cè)量，依托大學(xué)高精密檢測(cè)中心掌握的學(xué)生日常研究所得的檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)企業(yè)高精測(cè)量方法，以高精密測(cè)量的核心精準(zhǔn)點(diǎn)為目標(biāo)，探討不同高精密設(shè)備在虛擬仿真中獲得精準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)的不同方法。憑借大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)虛擬仿真高精密測(cè)量結(jié)果，測(cè)試在虛擬仿真平臺(tái)下對(duì)精密模具測(cè)量產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而促使最終測(cè)量結(jié)果擁有較高的真實(shí)性和參考性。

1 虛擬三坐標(biāo)側(cè)頭精準(zhǔn)測(cè)量方法

三坐標(biāo)測(cè)量為點(diǎn)對(duì)工件進(jìn)行的接觸法測(cè)量，即點(diǎn)對(duì)面碰撞測(cè)量。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用中所有的模型都為美工模型，即使用3D MAX/MAYA等軟件構(gòu)建的數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)模型的點(diǎn)為模型幾何坐標(biāo)點(diǎn)，數(shù)據(jù)模型的面為相關(guān)三點(diǎn)構(gòu)建的法相平面。

在虛擬的交互世界中，初始發(fā)生碰撞時(shí)，信號(hào)的輸出會(huì)產(chǎn)生1個(gè)運(yùn)算循環(huán)的時(shí)間延遲，即當(dāng)計(jì)算機(jī)因碰撞信號(hào)停止兩物體動(dòng)作時(shí)，兩物體已經(jīng)因?yàn)榕鲎舶l(fā)生了一定的相交區(qū)域。這對(duì)檢測(cè)的精準(zhǔn)度是有嚴(yán)重影響的。為保證測(cè)量的精密性，要對(duì)發(fā)生碰撞的兩個(gè)主物體“側(cè)頭”“工件”經(jīng)行定位或限位。

此外由于碰撞測(cè)量在虛擬世界中的實(shí)質(zhì)是點(diǎn)與面的碰撞，設(shè)點(diǎn)為P，面是由A、B、C三個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的工件表面（碰撞處），則利用重心法計(jì)算點(diǎn)在平面內(nèi)的坐標(biāo)。

下圖為反饋效果圖：

通過重心法獲取的點(diǎn)為白色標(biāo)記圖

2 虛擬大型工具顯微鏡精準(zhǔn)測(cè)量方法

大型工具顯微鏡是采用紅外線對(duì)工件掃描，撲捉反饋震蕩波信號(hào)進(jìn)而獲取測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)位置的一種方法，該方法屬于非接觸類測(cè)量。依據(jù)鼠標(biāo)原始撲捉算法，需要在虛擬空間做一個(gè)仿真的“鼠標(biāo)”和一個(gè)假設(shè)的攝像機(jī)平面。使用三維幀功能創(chuàng)建一個(gè)虛擬物，虛擬物沒有任何構(gòu)成體，僅存在一個(gè)坐標(biāo)和朝向。設(shè)這個(gè)虛擬物X軸、Z軸構(gòu)建一個(gè)平面。將這個(gè)面當(dāng)成是攝像機(jī)平面，則Y軸方向就是平面法線方向，這時(shí)可以與獲取鼠標(biāo)撲捉效果一樣的射線效果。

利用上述的固定信號(hào)循環(huán)檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)反饋信號(hào)的特點(diǎn)，分別是“A、A”型、“B、B”型、“A、B”型、“B、A”型四種存在方式。A代表?yè)渥叫盘?hào)為存在，B代表?yè)渥叫盘?hào)為空，即“A、A”型表示撲捉器一直在物體范圍內(nèi)移動(dòng)，“B、B”型表示撲捉器一直在物體范圍外移動(dòng)，“A、B”型表示撲捉器離開物體的瞬間，“B、A”型表示撲捉器進(jìn)入物體的瞬間。依次邏輯排除前三種方式，在且僅在“B、A”型時(shí)進(jìn)行空間位置記錄，此時(shí)記錄的點(diǎn)一定是被測(cè)物邊緣，而B至A的單位脈沖就成為限定移動(dòng)誤差的最大值。

3 虛擬表面質(zhì)量測(cè)微儀測(cè)量方法

顯微效果在真實(shí)世界中因?yàn)槲镔|(zhì)的組成是多層的，放大后可以看到微觀結(jié)構(gòu)，乃至構(gòu)成原子排列。可在虛擬世界中，虛擬物的微觀結(jié)構(gòu)實(shí)際就是模型頂面中隱藏的面頂點(diǎn)坐標(biāo)，面頂點(diǎn)的數(shù)量即使是高精密的模型也無法做到與實(shí)際相符的表面結(jié)構(gòu)。這樣在測(cè)量后就會(huì)因?yàn)辄c(diǎn)間距過大而形成“低像素”的現(xiàn)象，無法滿足大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)的精度要求。本軟件是采用了隨機(jī)取值與參數(shù)表格相關(guān)聯(lián)的方式，獲取與實(shí)驗(yàn)相近似的效果。首先將大量學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成表格，依據(jù)表格繪制三條主要參數(shù)變化范圍的依據(jù)，分別是工件材質(zhì)、加工方法、熱處理方法。依據(jù)數(shù)據(jù)模型中點(diǎn)與點(diǎn)的距離生產(chǎn)曲線變化效果，并將這些效果關(guān)聯(lián)像素大小。簡(jiǎn)單的說就是先獲取一段被測(cè)表面的X軸直線，再獲取該段直線的參數(shù)表，然后隨機(jī)刷新在參數(shù)范圍內(nèi)的曲線變化效果，再然后在后臺(tái)提交給相應(yīng)的X軸方向像素值，最后用相同手段獲取Y軸方向像素值后合并，生產(chǎn)效果2D圖和2D曲線。

4 結(jié)語

通過上述三種虛擬測(cè)量方法的應(yīng)用，基本可以對(duì)應(yīng)絕大部分檢測(cè)設(shè)備的測(cè)量算法。光學(xué)比較類設(shè)備可以參考大功顯的非接觸類測(cè)量算法，此外如果需要強(qiáng)行拉升測(cè)量精度值的位數(shù)，在數(shù)據(jù)模型處理上可以先放大100倍獲取，然后運(yùn)算浮點(diǎn)即可。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉光然.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2016.

[2]ORR，T.J.FILIGENZI，M.T.AND RUFF，T.M.Desktop Virtual Reality Miner Training Simulator[Online].2013.

[3]SQUELCH，A.P.2000.VR as an industrial training and marketing tool.Conference Proceedings IFIP 2000[Online].2016.