基于3D數(shù)模的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)曲面檢測(cè)
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| 李海 , 徐海衛(wèi) (中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院完簿，四川，成都610021) 摘要：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)曲面工件的檢測(cè)提出了更高的要求乌奇，這一任務(wù)的完成通常依靠三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。本文結(jié)合ZCRMDT三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量軟件的研發(fā)眯娱，從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換礁苗、對(duì)齊、測(cè)尖補(bǔ)償徙缴、理論值捕獲等四個(gè)關(guān)鍵方面试伙，對(duì)基于3D數(shù)模的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)曲面檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入剖析。同時(shí)對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量軟件現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討于样。 關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換疏叨；對(duì)齊；測(cè)尖補(bǔ)償；理論值 Inspecting surfaces by CMM based on 3D CAD model LI Hai , XU Hai-wei (National Institute of Measurement and Testing Technology, Chengdu 610021,China) Abstract: The development of CAD and CAM technology makes it more important to inspect surfaces, this is usually carried out by CMM. With the research and development of ZCRMDT measuring software, the technology using CMM to inspect surfaces by 3D CAD model is analysed from four key aspects: data exchange, alignment; probe compensation; and nominal data acquisition. Meanwhile, the status and the development trend of CMM measuring software are also discussed in this paper. Key words: IGES; Align; Probe compensation; Nominal data 1．引言 從60年代初發(fā)明到現(xiàn)在蚤蔓，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）在制造業(yè)得到世界范圍廣泛應(yīng)用泛汁，成為3D檢測(cè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)得到迅速發(fā)展陶焙，而配套檢測(cè)軟件的發(fā)展寿经，更是突飛猛進(jìn)。最早的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)只能顯示XYZ坐標(biāo)听量，而目前的各種檢測(cè)軟件幾乎可以解決用戶的絕大部分問(wèn)題剖坟。軟件日益成為影響用戶使用好壞的關(guān)鍵所在。 2．CMM測(cè)量軟件發(fā)展趨勢(shì) 對(duì)于傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)來(lái)說(shuō)榕暴，通常是設(shè)計(jì)部門提供二維圖紙绪桑，檢驗(yàn)部門根據(jù)圖紙對(duì)工件進(jìn)行尺寸及形位公差的檢測(cè)。隨著三維CAD軟件的應(yīng)用飘具，越來(lái)越多的技術(shù)部門使用三維CAD建模技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)猴试。因此，各坐標(biāo)機(jī)廠家紛紛推出了基于三維CAD技術(shù)的測(cè)量軟件载易，直接將客戶設(shè)計(jì)好的三維CAD模型導(dǎo)入測(cè)量軟件進(jìn)行檢測(cè)粒惜。這樣做的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，不需要額外的圖紙浦译，理論值可以直接捕獲棒假，更可以進(jìn)行測(cè)量仿真，測(cè)頭干涉檢查等精盅，所以帽哑，受到用戶的一致好評(píng)√厩危基于CAD的測(cè)量成為目前三坐標(biāo)測(cè)量軟件的發(fā)展熱點(diǎn)妻枕。 在CAD設(shè)計(jì)中，一般的規(guī)則工件通過(guò)基本的特征命令即可完成三維實(shí)體設(shè)計(jì)粘驰，比如拉伸屡谐、打孔等，對(duì)于此類工件的檢測(cè)蝌数，相對(duì)比較簡(jiǎn)單愕掏。隨著工業(yè)造型的發(fā)展，以及加工中心的應(yīng)用顶伞，越來(lái)越多的工件被設(shè)計(jì)成復(fù)雜的形狀表面饵撑，比如覆蓋件、內(nèi)飾件等唆貌。曲線曲面的建構(gòu)技術(shù)在CAD造型中屬于比較高級(jí)的設(shè)計(jì)范疇拙故，許多高檔三維CAD軟件都有專門的曲線窃德、曲面處理模塊，使得用戶可以設(shè)計(jì)出B級(jí)甚至A級(jí)曲面亮倍。曲面類工件的檢測(cè)忆颇，對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量軟件提出了更高的要求。 3．CMM曲面檢測(cè) 3．1傳統(tǒng)測(cè)量方法 在沒(méi)有采用CAD數(shù)模的情況下用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)曲面件檢測(cè)纠惧，通常是卿截，先在CAD軟件里用相關(guān)命令在曲面數(shù)模上生成截面線和點(diǎn)的坐標(biāo)，以此作為理論值杖进，控制測(cè)量機(jī)到對(duì)應(yīng)的位置袁垄，進(jìn)行檢測(cè)宿拔，并比較坐標(biāo)值的偏離隧庐。這種方法需要設(shè)計(jì)人員額外提供理論數(shù)據(jù)，同時(shí)測(cè)頭測(cè)尖球徑的補(bǔ)償不容易準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)视甩，對(duì)于單點(diǎn)測(cè)量來(lái)說(shuō)士袜，由于無(wú)法確定矢量方向，測(cè)頭的補(bǔ)償根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)电爹。因此蔫仙，這種辦法具有一定的局限性。 3．2基于3D數(shù)模的測(cè)量 利用曲面數(shù)模對(duì)曲面進(jìn)行檢測(cè)是CMM測(cè)量技術(shù)發(fā)展的需要丐箩。由于曲面建構(gòu)技術(shù)比較復(fù)雜摇邦，在CAD應(yīng)用范疇里也屬于高端技術(shù)，一般由專業(yè)的CAD/CAM系統(tǒng)完成屎勘。在測(cè)量軟件內(nèi)施籍，則是通過(guò)導(dǎo)入設(shè)計(jì)數(shù)模而利用的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)這一目的概漱，就必須解決好四個(gè)方面的技術(shù)問(wèn)題：數(shù)模導(dǎo)入接口丑慎、對(duì)齊、測(cè)尖補(bǔ)償瓤摧、理論值捕獲竿裂。 一、數(shù)模導(dǎo)入接口 利用數(shù)模進(jìn)行檢測(cè)照弥，首先要做的工作腻异，當(dāng)然是保證數(shù)模正確導(dǎo)入到測(cè)量軟件。事實(shí)上壳晨，由于技術(shù)铣修、利益等眾所周知的原因，全世界各大CAD制造商各自開(kāi)發(fā)著不同的軟件和格式那梭，例如國(guó)內(nèi)影響比較大的UG超丛、PROE蚂霎、CATIA等，均不能直接互讀文件逢棺。 為了解決這一矛盾贷挠，國(guó)際上建立了一系列的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)篱馅，美國(guó)的初始圖形交換標(biāo)準(zhǔn)IGES (Initial Graphics Exchange Specification)等春环。盡管IGES標(biāo)準(zhǔn)存在數(shù)據(jù)文件大、轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)展嘲、信息不夠全等缺點(diǎn)沟密，但不可否認(rèn)，它是目前應(yīng)用最廣泛的接口標(biāo)準(zhǔn)曾探，絕大部分CAD軟件均支持該標(biāo)準(zhǔn)痹换，我國(guó)也將IGES作為推薦標(biāo)準(zhǔn)。 目前具備數(shù)模檢測(cè)功能的測(cè)量機(jī)軟件都弹，均支持IGES格式娇豫。差異基本上主要體現(xiàn)在復(fù)雜數(shù)模輸入后個(gè)別曲面的丟失、破損畅厢，還有就是導(dǎo)入速度的快慢冯痢。對(duì)于一個(gè)10M的數(shù)模，有的可能用幾十秒鐘框杜，有的可能要幾分鐘浦楣。目前市面上比較有名的CMM測(cè)量軟件，均基本較好的解決了這一問(wèn)題咪辱。圖1為中測(cè)量?jī)x自主研發(fā)的ZCRMDT測(cè)量軟件振劳，導(dǎo)入數(shù)模到檢測(cè)軟件的情況，數(shù)模大小46M多梧乘。 針對(duì)目前主流CAD軟件澎迎，一些測(cè)量機(jī)軟件商也開(kāi)發(fā)了各種直讀接口，如UG文件直讀选调、PROE文件直讀等夹供，不需中間文件格式轉(zhuǎn)換，避免了轉(zhuǎn)換帶來(lái)的影響臭呀。不過(guò)喂磷，這種接口一般都需要另外購(gòu)買。 二聊树、 對(duì)齊 對(duì)齊（Align）是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)軟件的一項(xiàng)重要內(nèi)容欲访，無(wú)論有無(wú)數(shù)模，都必須通過(guò)對(duì)齊峦筏，將機(jī)器坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系保持一致宏动，測(cè)量值才具有可比性涡拾。 對(duì)于箱體類零件，基本都采用3-2-1方式建坐標(biāo)斜孩，利用面胆褪、線、點(diǎn)特征來(lái)確定坐標(biāo)軸和原點(diǎn)臀胞，通過(guò)建立工件坐標(biāo)系來(lái)將工件找正狰绪，這也是最基本、最準(zhǔn)確的對(duì)齊方法蛋济。應(yīng)盡量選用加工好棍鳖、范圍大的特征來(lái)作為建坐標(biāo)基準(zhǔn)，以減小對(duì)齊產(chǎn)生的誤差碗旅。通常渡处，對(duì)于建立的坐標(biāo)系，還需要可以進(jìn)行平移扛芽、旋轉(zhuǎn)等操作骂蓖，以產(chǎn)生新的對(duì)齊积瞒。 對(duì)于不規(guī)則形體川尖，計(jì)算就要復(fù)雜得多。如果工件上有明確的特征點(diǎn)茫孔，如3個(gè)孔心叮喳，則通常測(cè)量出實(shí)際值，與理論值對(duì)應(yīng)缰贝，進(jìn)行3點(diǎn)找正馍悟。 我們經(jīng)常會(huì)遇到工件上沒(méi)有明確特征的情況，即我們無(wú)法準(zhǔn)確的將測(cè)量值和理論值直接對(duì)應(yīng)剩晴。對(duì)于該情況锣咒，測(cè)量軟件常用的是迭代找正的方法。對(duì)于單點(diǎn)觸發(fā)采數(shù)的測(cè)量機(jī)砰声，通常是軟件在數(shù)模曲面上選取多點(diǎn)作為目標(biāo)點(diǎn)仆洞，所選取的點(diǎn)應(yīng)能在全部6個(gè)自由度上固定零件，以防零件出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)沉南，然后將測(cè)量機(jī)移動(dòng)到工件上盡量對(duì)應(yīng)的位置采集實(shí)測(cè)點(diǎn)甘直，軟件將測(cè)量點(diǎn)在數(shù)模上目標(biāo)點(diǎn)的附近區(qū)域進(jìn)行迭代找正，直到找正誤差在指定的精度內(nèi)劣晾。有的測(cè)量軟件在迭代超差時(shí)呐蹂，將指導(dǎo)你重新測(cè)量到更接近的點(diǎn)進(jìn)行更準(zhǔn)確的計(jì)算。 還有種情況是直接測(cè)量多個(gè)點(diǎn)莫诺，軟件將該點(diǎn)群與理論數(shù)模進(jìn)行最佳匹配計(jì)算伐种，將點(diǎn)群與數(shù)模一步步對(duì)齊些吨，直到點(diǎn)群與數(shù)模的偏差均方根最小。該方法點(diǎn)數(shù)越多越準(zhǔn)啡罗，但同時(shí)計(jì)算越復(fù)雜馁梁，對(duì)計(jì)算機(jī)要求較高，通常在掃描點(diǎn)云的對(duì)齊中刃唤，用得比較多隔心。 盡管每種軟件關(guān)于對(duì)齊都有不同的分類和特點(diǎn)，但基本主要采用以上方法尚胞。 三硬霍、測(cè)尖補(bǔ)償 目前，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)用得最多的是機(jī)械觸發(fā)式測(cè)頭笼裳，配以紅寶石測(cè)針唯卖，必然會(huì)帶來(lái)測(cè)尖補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。 對(duì)于平面躬柬、圓等標(biāo)準(zhǔn)特征拜轨，可以通過(guò)整體偏置的方式自動(dòng)補(bǔ)償測(cè)頭，對(duì)于連續(xù)掃描的曲線允青，也可以用同樣的方式自動(dòng)處理橄碾。但對(duì)于曲面測(cè)量時(shí)經(jīng)常遇到的單點(diǎn)測(cè)量，如何解決測(cè)尖補(bǔ)償問(wèn)題呢颠锉？ 要單獨(dú)對(duì)一點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償法牲，則必須知道補(bǔ)償?shù)姆较蚴噶浚布词墙佑|點(diǎn)處的法向矢量方向足贴。為了找到該法線方向牡泡，比較準(zhǔn)確的做法是，在測(cè)點(diǎn)的周邊測(cè)量個(gè)微平面哮寨，以該微平面的法向視為測(cè)點(diǎn)處曲面的法向尔产，從而完成測(cè)尖補(bǔ)償。 對(duì)于工件測(cè)點(diǎn)附本身曲率變化不大的地方瞎遗，或者工件與數(shù)模本身偏差較小的情況下每此，如果要求不高，為了減少采點(diǎn)數(shù)悦浙，也可以不測(cè)量微平面愤栽，軟件直接以測(cè)點(diǎn)刺穿數(shù)模的方向矢量進(jìn)行測(cè)尖補(bǔ)償，即以數(shù)模上該處的法向矢量代替工件上實(shí)測(cè)處的法向矢量做為測(cè)尖補(bǔ)償?shù)姆较蛐摺５侨绻ぜc數(shù)模本身該處曲率偏差大齿喧，則測(cè)尖補(bǔ)償將不準(zhǔn)，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不可靠相贺。 對(duì)于非接觸式測(cè)頭轻欣，不存在測(cè)尖補(bǔ)償問(wèn)題省咨。 四、理論值捕獲 在解決了數(shù)模的導(dǎo)入和對(duì)齊后玷室，理論值的捕獲就比較簡(jiǎn)單零蓉。對(duì)于圓等標(biāo)準(zhǔn)特征，軟件只需要能從CAD數(shù)模上選取識(shí)別該特征穷缤，即可直接從其特性中提取理論值敌蜂。對(duì)于自動(dòng)測(cè)量來(lái)說(shuō)，就可以直接根據(jù)數(shù)模特征進(jìn)行編程津肛，指導(dǎo)機(jī)器運(yùn)行到特征的理論值位置附近進(jìn)行測(cè)量章喉。 對(duì)于曲面工件上的點(diǎn)，通常分為曲面點(diǎn)和邊緣點(diǎn)身坐，有的軟件分得更細(xì)秸脱。對(duì)于曲面上的點(diǎn)，通過(guò)直接測(cè)量部蛇，測(cè)量點(diǎn)沿?cái)?shù)模曲面法向投影到曲面上摊唇，即可獲得理論點(diǎn)。但邊緣點(diǎn)就不同了涯鲁，邊緣是CAD曲面的邊界所在巷查，例如，鈑金件的邊岛牺，最簡(jiǎn)單的如方體的棱邊等辫慎。如果要檢測(cè)邊緣上的點(diǎn)，由于測(cè)針無(wú)法直接準(zhǔn)確測(cè)量到涮愧，并且測(cè)頭的補(bǔ)償方向無(wú)法確定，因此跃渠，無(wú)法直接測(cè)量订搏，只能采用間接測(cè)量的方式。通常沛四，其處理原理如圖3所示框辞，為了測(cè)量邊緣上P點(diǎn)，可以在其兩邊測(cè)點(diǎn)糊晋。此例采用前3點(diǎn)用于確定上面缤媒，第4,5點(diǎn)確定邊界方向，而最后一點(diǎn)6確定目標(biāo)點(diǎn)的位置际器，其投射到前面確定的邊所產(chǎn)生的點(diǎn)岔冯，視為邊緣測(cè)量點(diǎn)，其理論值為數(shù)模中曲面邊緣距其最近點(diǎn)舅逸。 通過(guò)以上方式桌肴，即可實(shí)現(xiàn)邊緣點(diǎn)的檢測(cè)皇筛。具體到不同軟件，可能有不同的處理方法坠七。 4．曲面測(cè)量軟件現(xiàn)狀 基于3D數(shù)模對(duì)曲面工件進(jìn)行檢測(cè)水醋，在三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量里屬于高級(jí)應(yīng)用范疇，一般在高端測(cè)量軟件才包含該功能彪置。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上比較常見(jiàn)的如PC-DMIS的 CAD++版拄踪，VIRTUL DMIS等，它們是由WILCOX拳魁、ENTELEGENCE等專業(yè)測(cè)量機(jī)軟件公司開(kāi)發(fā)而成宫蛆。POWER INSPECT軟件由于其在數(shù)模處理上的功能較強(qiáng)，也被引用到坐標(biāo)機(jī)上的猛，它是由英國(guó)的CAD/CAM軟件商DELCAM提供耀盗，這也體現(xiàn)了測(cè)量機(jī)軟件與CAD軟件結(jié)合越來(lái)越緊密的趨勢(shì)。 事實(shí)上卦尊，對(duì)于曲面質(zhì)量評(píng)價(jià)猎之，作為曲面建構(gòu)、編輯乐跺、分析的一部分鹃远，CAD軟件制造商較早就有比較好的解決辦法，尤其是在逆向工程處理軟件症忽，在將采集的點(diǎn)云處理成曲面后嚎闹，往往需要比較點(diǎn)云和設(shè)計(jì)曲線、曲面的偏離牙晰，以便在保證精度的同時(shí)提高表面質(zhì)量暂臀。圖4為imageware中對(duì)點(diǎn)云與曲面的比較分析，并以不同顏色梯度表示結(jié)果较谣。 5．ZCRMDT測(cè)量軟件的研發(fā) 國(guó)內(nèi)對(duì)于測(cè)量軟件的研發(fā)相對(duì)滯后帐扯，對(duì)于需要具備數(shù)模檢測(cè)等高級(jí)功能的，一般都配套國(guó)外軟件趾赡。中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院測(cè)量?jī)x器研究所（中測(cè)量?jī)x）推出的ZCRMDT手動(dòng)版測(cè)量軟件赴辨，完全的三維圖形化測(cè)量環(huán)境，支持?jǐn)?shù)模導(dǎo)入好勤，測(cè)頭軌跡動(dòng)態(tài)模擬捣域，可視化測(cè)量，視圖旋轉(zhuǎn)宴合、縮放焕梅，圖形選取，實(shí)現(xiàn)了利用曲面數(shù)模進(jìn)行檢測(cè)的功能，值得一提的是丘侠，還可以利用CAD平臺(tái)的功能對(duì)數(shù)模進(jìn)行編輯處理徒欣。圖5為利用ZCRMDT軟件對(duì)一曲面檢具進(jìn)行檢測(cè)，軟件將工件上測(cè)量點(diǎn)直接與數(shù)模比較蜗字，得出偏差打肝，檢驗(yàn)人員根據(jù)結(jié)果對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，直到偏差在許可的范圍內(nèi)挪捕。 從技術(shù)水平來(lái)看粗梭，ZCRMDT軟件作為一款手動(dòng)版測(cè)量軟件，已達(dá)到或接近國(guó)外同類軟件的水平级零，在國(guó)內(nèi)處于先進(jìn)地位断医，同時(shí)，相對(duì)于國(guó)外軟件淤汽，具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)葡谅。目前，ZCRMDT軟件已配套于中測(cè)量?jī)x生產(chǎn)的手動(dòng)測(cè)量機(jī)上卸能，被全國(guó)數(shù)十家用戶所采用括柿，使客戶不需花太多錢就可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)測(cè)量功能，解決了客戶的測(cè)量問(wèn)題延坡。 6．結(jié)束語(yǔ) 基于3D數(shù)模的三坐標(biāo)曲面檢測(cè)技術(shù)屬于一項(xiàng)綜合性強(qiáng)的高級(jí)測(cè)量技術(shù)饲丢，涉及到CAD、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)舵博、軟件編程及計(jì)量等專業(yè)學(xué)科蜻弧，絕非簡(jiǎn)單一篇文章所能囊括，本文為筆者工作中對(duì)相關(guān)軟件的測(cè)試和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的一點(diǎn)體會(huì)蟆盖，特提出與大家共同探討吓挣。隨著三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，三坐標(biāo)測(cè)量軟件必定會(huì)取得更加長(zhǎng)足的進(jìn)步拗酌。 作者簡(jiǎn)介： 徐海衛(wèi)（1960-）川砌，男，高級(jí)工程師春哨，MBA，所長(zhǎng)恩伺，長(zhǎng)期從事三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)研究發(fā)展工作赴背。 李海 （1973-），男晶渠，工程師凰荚，技術(shù)服務(wù)部長(zhǎng)，主要從事三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)用研究工作褒脯。 |
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