摘要：本文以美國brown&sharpe公司生產(chǎn)的microxcel pfx454型三坐標(biāo)測量機(jī)该眨、Renishaw測頭及隨機(jī)軟件PC-DMIS 3.0為基礎(chǔ)膨泄，以Cimatron CAD/CAM/R-En為數(shù)據(jù)處理軟件，詳細(xì)介紹了三坐標(biāo)測量機(jī)在汽車排氣管反求工程中的坐標(biāo)系建立讲稀、數(shù)據(jù)采集汤笋、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、處理等方面的應(yīng)用技術(shù)葱峡。

　　一砚哗、 引言
　　三坐標(biāo)測量機(jī)簡稱CMM，自六十年代中期第一臺三坐標(biāo)測量機(jī)問世以來砰奕，隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步以及電子控制系統(tǒng)频祝、檢測技術(shù)的發(fā)展，為三坐標(biāo)測量機(jī)向高精度脆淹、高速度方向發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持常空。CMM測量方式可分為接觸測量和非接觸測量以及接觸和非接觸并用式測量，早期的CMM主要用于計量與檢測盖溺，隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展漓糙，尤其FMS技術(shù)廣泛的應(yīng)用，使三坐標(biāo)測量機(jī)在反求工程中的地位日益受到重視烘嘱。
　　反求工程主要包含兩項內(nèi)容昆禽，一是實物模型表面數(shù)據(jù)點(diǎn)的獲取，即數(shù)字化技術(shù)蝇庭；二是曲面造型技術(shù)醉鳖。從三坐標(biāo)測量機(jī)的基本工作原理可看出：①三坐標(biāo)測量機(jī)能在工件一次裝卡的情況下通過測頭的有效組合以及結(jié)合測頭A、B軸旋轉(zhuǎn)功能哮内，能完成零件的大部分幾何元素的測量剪炮。②借助隨機(jī)計算機(jī)及測量軟件可完成對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算與誤差分析。③先進(jìn)的測量軟件可支持CAD/CAM功能或進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換达植，可使設(shè)計藤门、生產(chǎn)、測量實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享轿侍。即三坐標(biāo)測量機(jī)測得的數(shù)據(jù)既可用于數(shù)據(jù)分析酒尝，也可為反求工程技術(shù)以及RP技術(shù)提供原始信息。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　本文以美國brown&sharpe公司生產(chǎn)的microxcel pfx454型三坐標(biāo)測量機(jī)皿腾、Renishaw測頭及隨機(jī)軟件PC-DMIS 3.0為基礎(chǔ)迫手，以Cimatron CAD/CAM/R-En為數(shù)據(jù)處理軟件，詳細(xì)介紹了三坐標(biāo)測量機(jī)在汽車排氣管反求工程中的坐標(biāo)系建立索廊、數(shù)據(jù)采集舒搬、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換耻债、處理等方面的應(yīng)用技術(shù)。應(yīng)用步驟如圖1所示挺久。

 
圖1 三坐標(biāo)測量機(jī)應(yīng)用步驟

　　二、 分析實物原型
　　圖2所示的汽車排氣管模型為通過反求工程得到的最終數(shù)字產(chǎn)品模型驻债，其外形復(fù)雜乳规，曲面變化較大且不規(guī)則，要對其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集合呐，在三坐標(biāo)測量機(jī)上方法很多暮的，但是數(shù)據(jù)的采集方案要符合造型的思路，否則很難實現(xiàn)零件的精確再現(xiàn)锌烫。根據(jù)排氣管的幾何形狀怔赤，可以看出盡管排氣管表面完全是無規(guī)則的空間曲面驱显，但整個幾何形狀卻是由排氣管輪廓曲線及可變截面輪廓線來控制的。這樣就可以通過變截面掃描物體的方法來創(chuàng)建排氣管的曲面模型恨闪。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是采集的數(shù)據(jù)少，造型時幾何模型表面光滑放坏，有利于濾掉測量過程中產(chǎn)生的隨機(jī)擾動和原始零件固有的缺陷咙咽。

 
圖2 汽車排氣管數(shù)字模型

　　當(dāng)然也可以對排氣管表面進(jìn)行分層截面輪廓測量，但這種方法數(shù)據(jù)采集工作量大淤年，曲線處理的工作量也很大钧敞，且通過這些曲線所創(chuàng)建的曲面上會存在明顯的凸凹不平波紋，效果很不理想蛙陆。實測過程中采用了第一種方法笨迂。

　　三、 測量機(jī)測頭校驗
　　測量機(jī)應(yīng)用之前买鹊，測頭應(yīng)進(jìn)行校驗捍彼。一是讓軟件計算球心相對于測量機(jī)坐標(biāo)系零點(diǎn)的位置；二是計算測頭的等效直徑筑卑。由于測桿的變形匹羹，測頭的等效直徑與上一次測量所用測頭實際直徑有所差別，進(jìn)行當(dāng)前測頭校驗可以保證測頭半徑補(bǔ)償精度协颅。
　　校驗前糕但，先考慮如何建立被測量物體的坐標(biāo)系，要對物體進(jìn)行哪幾個方向的測量簇娩，對測頭在這幾個方向要一一進(jìn)行校驗唠魏，并將校驗的結(jié)果保存起來。
　　測頭校驗后货裳，要考慮排氣管在工作臺上怎樣裝夾例吹，嚴(yán)格按照測量要求捧颅，使用專用夾具，將工件固定在工作臺上较雕。以保證精度要求碉哑。

　　四、 物體坐標(biāo)系的建立
　　坐標(biāo)系的確定是將來數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵問題亮蒋。坐標(biāo)系的建立正確與否扣典，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)處理能否順利進(jìn)行、造型是否正確慎玖。特別是排氣管在測量過程中贮尖，不可能一次裝卡測完所有數(shù)據(jù)，為保證在不同的坐標(biāo)系測量的數(shù)據(jù)趁怔，能夠進(jìn)行整合湿硝，構(gòu)成被測物體的統(tǒng)一數(shù)字模型。這就要求在不同的測量過程中润努，確立的坐標(biāo)系能夠互相統(tǒng)一起來关斜。實測中取上端面第一個圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，至于軸向問題可通過Cimatron CAD/CAM造型軟件坐標(biāo)變換功能得到統(tǒng)一铺浇。坐標(biāo)系如圖3所示蚤吹。

 
圖3 汽車排氣管數(shù)字模型坐標(biāo)示意圖

　　測量過程中，建立坐標(biāo)系的常用方法有3-2-1法和疊代法划疟。疊代法建坐標(biāo)系泡募，仍是根據(jù)“3-2-1”的特點(diǎn)，引入“最佳擬合”條件推算零件的方向苦恶，用此方法必須有名義尺寸或CAD信息票虎，特別是必須有矢量信息。不管何種方法筝踢，建立坐標(biāo)系分為三步：零件的找正摔色、旋轉(zhuǎn)到軸線、設(shè)置原點(diǎn)彰碑。
　　根據(jù)3-2-1法建立坐標(biāo)系的順序数辱，需要測量出三到六個元素，即：開始三個元素用于找正平面详般，建立工作平面的法矢初藐；另兩個元素用于鎖定所選定的工作平面X、Y玷利、Z三軸之一乍恐；最后一個元素用于確定零件的坐標(biāo)原點(diǎn)。測量前测砂，明確測量基準(zhǔn)茵烈，一般情況下選用表面粗糙度良好百匆、高質(zhì)量、有良好重復(fù)性的元素作為基準(zhǔn)呜投。具體操作步驟如下：
　　a加匈、零件的找正
　　根據(jù)排氣管的幾何形狀，選用排氣管的底面作為找正平面仑荐。測量時雕拼，用手操盒控制在底面上測三點(diǎn)，按“DONE”按鈕释漆，告訴PC-DMIS欲采集的點(diǎn)已完成并用來構(gòu)造新的元素悲没，PC-DMIS將分析所測的點(diǎn)并探知所測的是一個平面篮迎。
　　b男图、旋轉(zhuǎn)到軸線
　　所測零件坐標(biāo)軸還可以自由旋轉(zhuǎn)，需要用兩個元素來鎖定此旋轉(zhuǎn)自由度甜橱。以底面四個近似橢圓圓心連線作為軸線（Y軸）揭凭，用手操盒在底面任意兩個橢圓上測四至五點(diǎn)，利用PC-DMIS構(gòu)圖功能求出橢圓圓心點(diǎn)乞微。
　　c俯重、設(shè)置原點(diǎn)
　　最后確定基準(zhǔn)的位置，此基準(zhǔn)把不同坐標(biāo)系測得的元素整合在一起蝉徒，根據(jù)分析夕锹，以底面四個橢圓靠邊上的一個橢圓圓心為原點(diǎn)。
　　至此可以建立坐標(biāo)系认寓，在菜單中選UtilityàAlignment檬桅，當(dāng)出現(xiàn)建立坐標(biāo)系對話框時，建入所需的坐標(biāo)值即可奉量。
　　排氣管的外形復(fù)雜芹寓，不可能一次測量完所有數(shù)據(jù)，根據(jù)分析需要兩次測量笼糙，在兩次測量中妓唬，分別建立坐標(biāo)系，并保證這兩次建立的坐標(biāo)系原點(diǎn)盡量統(tǒng)一拳喘，分別將其保存苫昌。

　　五、 分析特征曲線
　　根據(jù)排氣管的幾何形狀可知幸海，排氣管的整體形狀是由排氣管的輪廓曲線和變截面線來控制的蜡歹。為了將來造型逼真，嚴(yán)格的說是應(yīng)該由各個變截面曲線的中心點(diǎn)的連線而構(gòu)成的涕烧，但是在測量和數(shù)據(jù)處理時很難達(dá)到這一點(diǎn)月而，所以通常在測量時是根據(jù)排氣管的分型線和管表面與肋板的交線來作為輪廓曲線汗洒，這樣做的缺點(diǎn)就是測量出來的輪廓曲線很不光滑，需要在后來的數(shù)據(jù)處理中將其進(jìn)行光順處理父款。

　　六溢谤、 數(shù)據(jù)采集
　　根據(jù)以上分析，排氣管的整體幾何形狀由排氣管的輪廓曲線以及可變截面來控制的憨攒，由于排氣管外形較復(fù)雜世杀，分為兩次測量。所測輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)及特征數(shù)據(jù)點(diǎn)見圖4肝集。

 
圖 4-a 外輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn) 圖4-b 表面特征數(shù)據(jù)點(diǎn)

 
圖 4-c 輪廓邊界數(shù)據(jù)點(diǎn)

　　測量數(shù)據(jù)點(diǎn)要反映輪廓信息的關(guān)鍵點(diǎn)瞻坝，尤其是在曲率變化比較明顯的地方要增加測量點(diǎn)。

　　七芙糙、 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及處理
　　測量機(jī)所測數(shù)據(jù)一般都可用文本格式輸出牢簸，也可以IGES、STEP通用格式輸出鹊逛。選菜單FileàExports出現(xiàn)對話框渺类，選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)文件名和所屬坐標(biāo)系名稱及輸出格式即可。
　　測量數(shù)據(jù)處理指實測數(shù)據(jù)中異常數(shù)據(jù)點(diǎn)的過濾象讶，對有效數(shù)據(jù)作深入的分析累换，找出各參數(shù)之間的關(guān)系，要求對測量數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行編輯盏拐、過濾待插、求精和排序，整理雜亂的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)掠袒。
　　曲線的數(shù)據(jù)處理一般包含光滑性處理和對曲線進(jìn)行適當(dāng)?shù)男藜艉脱由旖萃祝詮浹a(bǔ)測量的不足并滿足造型要求，在測量曲面輪廓時惯缚，測頭很難準(zhǔn)確接觸到模型的棱線上路影，造成所測曲線的光滑性比較差。同時由于測頭和棱線的接觸法矢方向難以保持一致屋群，有可能造成測量結(jié)果在三維空間內(nèi)有明顯的波動闸婴，這就需要對被測曲線做光滑性處理∩瞩铮可以使這些點(diǎn)同時投影到一個平面上邪乍，然后將投影后的點(diǎn)構(gòu)造成曲線。還有曲線的兩個端點(diǎn)處对竣，尤其是和其他曲面的交點(diǎn)處庇楞，受測量空間和測頭半徑的影響，很難精確地測量到端點(diǎn)處的幾何數(shù)據(jù)否纬，此時應(yīng)先做出與曲線相交的曲面來吕晌，然后沿著曲面的U蛋褥、V方向?qū)⑶€延伸到曲面，從而完成曲面造型睛驳。

　　八烙心、 總結(jié)
　　反求工程一般是通過坐標(biāo)測量機(jī)等數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取復(fù)雜零件的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)而利用反求軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理乏沸，實現(xiàn)由點(diǎn)à線à面淫茵，進(jìn)而實現(xiàn)零件的三維模型設(shè)計。三坐標(biāo)測量機(jī)在反求工程中的應(yīng)用牲耐，使企業(yè)開發(fā)师莫、研制產(chǎn)品起點(diǎn)高、投入少琐惩，周期大為縮短狮消，為企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益，所以三坐標(biāo)測量機(jī)的使用技術(shù)受到企業(yè)廣泛重視盟挤。