基于3D數模的三坐標測量機曲面檢測

摘要：計算機輔助設計/制造技術(shù)的發(fā)展，對曲面工件的檢測提出了更高的要求，這一任務(wù)的完成通常依靠三坐標測量機。本文結合ZCRMDT三坐標測量機測量軟件的研發(fā)，從數據轉換、對齊、測尖補償、理論值捕獲等四個(gè)關(guān)鍵方面，對基于3D數模的三坐標測量機曲面檢測技術(shù)進(jìn)行了深入剖析。同時(shí)對三坐標測量機測量軟件現狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：數據轉換；對齊；測尖補償；理論值

1．引言
　　從60年代初發(fā)明到現在，三坐標測量機（CMM）在制造業(yè)得到世界范圍廣泛應用，成為3D檢測工業(yè)標準設備。三坐標測量技術(shù)得到迅速發(fā)展，而配套檢測軟件的發(fā)展，更是突飛猛進(jìn)。最早的三坐標測量機只能顯示XYZ坐標，而目前的各種檢測軟件幾乎可以解決用戶(hù)的絕大部分問(wèn)題。軟件日益成為影響用戶(hù)使用好壞的關(guān)鍵所在。
2．CMM測量軟件發(fā)展趨勢
　　對于傳統的三坐標測量機檢測來(lái)說(shuō)，通常是設計部門(mén)提供二維圖紙，檢驗部門(mén)根據圖紙對工件進(jìn)行尺寸及形位公差的檢測。隨著(zhù)三維CAD軟件的應用，越來(lái)越多的技術(shù)部門(mén)使用三維CAD建模技術(shù)進(jìn)行設計。因此，各坐標機廠(chǎng)家紛紛推出了基于三維CAD技術(shù)的測量軟件，直接將客戶(hù)設計好的三維CAD模型導入測量軟件進(jìn)行檢測。這樣做的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，不需要額外的圖紙，理論值可以直接捕獲，更可以進(jìn)行測量仿真，測頭干涉檢查等，所以，受到用戶(hù)的一致好評?；贑AD的測量成為目前三坐標測量軟件的發(fā)展熱點(diǎn)。
　　在CAD設計中，一般的規則工件通過(guò)基本的特征命令即可完成三維實(shí)體設計，比如拉伸、打孔等，對于此類(lèi)工件的檢測，相對比較簡(jiǎn)單。隨著(zhù)工業(yè)造型的發(fā)展，以及加工中心的應用，越來(lái)越多的工件被設計成復雜的形狀表面，比如覆蓋件、內飾件等。曲線(xiàn)曲面的建構技術(shù)在CAD造型中屬于比較高級的設計范疇，許多高檔三維CAD軟件都有專(zhuān)門(mén)的曲線(xiàn)、曲面處理模塊，使得用戶(hù)可以設計出B級甚至A級曲面。曲面類(lèi)工件的檢測，對三坐標測量軟件提出了更高的要求。
3．CMM曲面檢測
3．1傳統測量方法
　　在沒(méi)有采用CAD數模的情況下用三坐標測量機對曲面件檢測，通常是，先在CAD軟件里用相關(guān)命令在曲面數模上生成截面線(xiàn)和點(diǎn)的坐標，以此作為理論值，控制測量機到對應的位置，進(jìn)行檢測，并比較坐標值的偏離。這種方法需要設計人員額外提供理論數據，同時(shí)測頭測尖球徑的補償不容易準確實(shí)現，對于單點(diǎn)測量來(lái)說(shuō)，由于無(wú)法確定矢量方向，測頭的補償根本無(wú)法實(shí)現。因此，這種辦法具有一定的局限性。
3．2基于3D數模的測量
　　利用曲面數模對曲面進(jìn)行檢測是CMM測量技術(shù)發(fā)展的需要。由于曲面建構技術(shù)比較復雜，在CAD應用范疇里也屬于高端技術(shù)，一般由專(zhuān)業(yè)的CAD/CAM系統完成。在測量軟件內，則是通過(guò)導入設計數模而利用的問(wèn)題。為了實(shí)現這一目的，就必須解決好四個(gè)方面的技術(shù)問(wèn)題：數模導入接口、對齊、測尖補償、理論值捕獲。
一、數模導入接口
　　利用數模進(jìn)行檢測，首先要做的工作，當然是保證數模正確導入到測量軟件。事實(shí)上，由于技術(shù)、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(zhù)不同的軟件和格式，例如國內影響比較大的UG、PROE、CATIA等，均不能直接互讀文件。
為了解決這一矛盾，國際上建立了一系列的數據交換標準，如國際標準數據交換STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)，美國的初始圖形交換標準IGES (Initial Graphics Exchange Specification)等。盡管IGES標準存在數據文件大、轉換時(shí)間長(cháng)、信息不夠全等缺點(diǎn)，但不可否認，它是目前應用最廣泛的接口標準，絕大部分CAD軟件均支持該標準，我國也將IGES作為推薦標準。
　　目前具備數模檢測功能的測量機軟件，均支持IGES格式。差異基本上主要體現在復雜數模輸入后個(gè)別曲面的丟失、破損，還有就是導入速度的快慢。對于一個(gè)10M的數模，有的可能用幾十秒鐘，有的可能要幾分鐘。目前市面上比較有名的CMM測量軟件，均基本較好的解決了這一問(wèn)題。圖1為中測量?jì)x自主研發(fā)的ZCRMDT測量軟件，導入數模到檢測軟件的情況，數模大小46M多。
　　針對目前主流CAD軟件，一些測量機軟件商也開(kāi)發(fā)了各種直讀接口，如UG文件直讀、PROE文件直讀等，不需中間文件格式轉換，避免了轉換帶來(lái)的影響。不過(guò)，這種接口一般都需要另外購買(mǎi)。
二、　　對齊
　　對齊（Align）是三坐標測量機軟件的一項重要內容，無(wú)論有無(wú)數模，都必須通過(guò)對齊，將機器坐標系與工件坐標系保持一致，測量值才具有可比性。
對于箱體類(lèi)零件，基本都采用3-2-1方式建坐標，利用面、線(xiàn)、點(diǎn)特征來(lái)確定坐標軸和原點(diǎn)，通過(guò)建立工件坐標系來(lái)將工件找正，這也是最基本、最準確的對齊方法。應盡量選用加工好、范圍大的特征來(lái)作為建坐標基準，以減小對齊產(chǎn)生的誤差。通常，對于建立的坐標系，還需要可以進(jìn)行平移、旋轉等操作，以產(chǎn)生新的對齊。
對于不規則形體，計算就要復雜得多。如果工件上有明確的特征點(diǎn)，如3個(gè)孔心，則通常測量出實(shí)際值，與理論值對應，進(jìn)行3點(diǎn)找正。
　　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)法準確的將測量值和理論值直接對應。對于該情況，測量軟件常用的是迭代找正的方法。對于單點(diǎn)觸發(fā)采數的測量機，通常是軟件在數模曲面上選取多點(diǎn)作為目標點(diǎn)，所選取的點(diǎn)應能在全部6個(gè)自由度上固定零件，以防零件出現旋轉和移動(dòng)，然后將測量機移動(dòng)到工件上盡量對應的位置采集實(shí)測點(diǎn)，軟件將測量點(diǎn)在數模上目標點(diǎn)的附近區域進(jìn)行迭代找正，直到找正誤差在指定的精度內。有的測量軟件在迭代超差時(shí)，將指導你重新測量到更接近的點(diǎn)進(jìn)行更準確的計算。
還有種情況是直接測量多個(gè)點(diǎn)，軟件將該點(diǎn)群與理論數模進(jìn)行最佳匹配計算，將點(diǎn)群與數模一步步對齊，直到點(diǎn)群與數模的偏差均方根最小。該方法點(diǎn)數越多越準，但同時(shí)計算越復雜，對計算機要求較高，通常在掃描點(diǎn)云的對齊中，用得比較多。
盡管每種軟件關(guān)于對齊都有不同的分類(lèi)和特點(diǎn)，但基本主要采用以上方法。
三、測尖補償
　　目前，三坐標測量機用得最多的是機械觸發(fā)式測頭，配以紅寶石測針，必然會(huì )帶來(lái)測尖補償的問(wèn)題。
　　對于平面、圓等標準特征，可以通過(guò)整體偏置的方式自動(dòng)補償測頭，對于連續掃描的曲線(xiàn)，也可以用同樣的方式自動(dòng)處理。但對于曲面測量時(shí)經(jīng)常遇到的單點(diǎn)測量，如何解決測尖補償問(wèn)題呢？
　　要單獨對一點(diǎn)進(jìn)行補償，則必須知道補償的方向矢量，也即是接觸點(diǎn)處的法向矢量方向。為了找到該法線(xiàn)方向，比較準確的做法是，在測點(diǎn)的周邊測量個(gè)微平面，以該微平面的法向視為測點(diǎn)處曲面的法向，從而完成測尖補償。
　　對于工件測點(diǎn)附本身曲率變化不大的地方，或者工件與數模本身偏差較小的情況下，如果要求不高，為了減少采點(diǎn)數，也可以不測量微平面，軟件直接以測點(diǎn)刺穿數模的方向矢量進(jìn)行測尖補償，即以數模上該處的法向矢量代替工件上實(shí)測處的法向矢量做為測尖補償的方向。但是如果工件與數模本身該處曲率偏差大，則測尖補償將不準，導致測量數據不可靠。
　　對于非接觸式測頭，不存在測尖補償問(wèn)題。
四、理論值捕獲
　　在解決了數模的導入和對齊后，理論值的捕獲就比較簡(jiǎn)單。對于圓等標準特征，軟件只需要能從CAD數模上選取識別該特征，即可直接從其特性中提取理論值。對于自動(dòng)測量來(lái)說(shuō)，就可以直接根據數模特征進(jìn)行編程，指導機器運行到特征的理論值位置附近進(jìn)行測量。
　　對于曲面工件上的點(diǎn)，通常分為曲面點(diǎn)和邊緣點(diǎn)，有的軟件分得更細。對于曲面上的點(diǎn)，通過(guò)直接測量，測量點(diǎn)沿數模曲面法向投影到曲面上，即可獲得理論點(diǎn)。但邊緣點(diǎn)就不同了，邊緣是CAD曲面的邊界所在，例如，鈑金件的邊，最簡(jiǎn)單的如方體的棱邊等。如果要檢測邊緣上的點(diǎn)，由于測針無(wú)法直接準確測量到，并且測頭的補償方向無(wú)法確定，因此，無(wú)法直接測量，只能采用間接測量的方式。通常，其處理原理如圖3所示，為了測量邊緣上P點(diǎn)，可以在其兩邊測點(diǎn)。此例采用前3點(diǎn)用于確定上面，第4,5點(diǎn)確定邊界方向，而最后一點(diǎn)6確定目標點(diǎn)的位置，其投射到前面確定的邊所產(chǎn)生的點(diǎn)，視為邊緣測量點(diǎn)，其理論值為數模中曲面邊緣距其最近點(diǎn)。
　　通過(guò)以上方式，即可實(shí)現邊緣點(diǎn)的檢測。具體到不同軟件，可能有不同的處理方法。
4．曲面測量軟件現狀
基于3D數模對曲面工件進(jìn)行檢測，在三坐標機測量里屬于高級應用范疇，一般在高端測量軟件才包含該功能。目前國內市場(chǎng)上比較常見(jiàn)的如PC-DMIS的 CAD++版，VIRTUL DMIS等，它們是由WILCOX、ENTELEGENCE等專(zhuān)業(yè)測量機軟件公司開(kāi)發(fā)而成。POWER INSPECT軟件由于其在數模處理上的功能較強，也被引用到坐標機上，它是由英國的CAD/CAM軟件商DELCAM提供，這也體現了測量機軟件與CAD軟件結合越來(lái)越緊密的趨勢。
　　事實(shí)上，對于曲面質(zhì)量評價(jià)，作為曲面建構、編輯、分析的一部分，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，在將采集的點(diǎn)云處理成曲面后，往往需要比較點(diǎn)云和設計曲線(xiàn)、曲面的偏離，以便在保證精度的同時(shí)提高表面質(zhì)量。圖4為imageware中對點(diǎn)云與曲面的比較分析，并以不同顏色梯度表示結果。
5．ZCRMDT測量軟件的研發(fā)
　　國內對于測量軟件的研發(fā)相對滯后，對于需要具備數模檢測等高級功能的，一般都配套國外軟件。中國測試技術(shù)研究院測量?jì)x器研究所（中測量?jì)x）推出的ZCRMDT手動(dòng)版測量軟件，完全的三維圖形化測量環(huán)境，支持數模導入，測頭軌跡動(dòng)態(tài)模擬，可視化測量，視圖旋轉、縮放，圖形選取，實(shí)現了利用曲面數模進(jìn)行檢測的功能，值得一提的是，還可以利用CAD平臺的功能對數模進(jìn)行編輯處理。圖5為利用ZCRMDT軟件對一曲面檢具進(jìn)行檢測，軟件將工件上測量點(diǎn)直接與數模比較，得出偏差，檢驗人員根據結果對該點(diǎn)進(jìn)行調整，直到偏差在許可的范圍內。
　　從技術(shù)水平來(lái)看，ZCRMDT軟件作為一款手動(dòng)版測量軟件，已達到或接近國外同類(lèi)軟件的水平，在國內處于先進(jìn)地位，同時(shí)，相對于國外軟件，具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢。目前，ZCRMDT軟件已配套于中測量?jì)x生產(chǎn)的手動(dòng)測量機上，被全國數十家用戶(hù)所采用，使客戶(hù)不需花太多錢(qián)就可以實(shí)現先進(jìn)測量功能，解決了客戶(hù)的測量問(wèn)題。
6．結束語(yǔ)
　　基于3D數模的三坐標曲面檢測技術(shù)屬于一項綜合性強的高級測量技術(shù)，涉及到CAD、三坐標測量機、軟件編程及計量等專(zhuān)業(yè)學(xué)科，絕非簡(jiǎn)單一篇文章所能囊括，本文為筆者工作中對相關(guān)軟件的測試和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗的一點(diǎn)體會(huì )，特提出與大家共同探討。隨著(zhù)三坐標測量技術(shù)的發(fā)展，三坐標測量軟件必定會(huì )取得更加長(cháng)足的進(jìn)步。

參考文獻
[1] PC-DMIS CAD++培訓教程（V3.5）[M]，2004，?？怂箍禍y量技術(shù)(青島)有限公司
[2] Virtual DMIS Users Guide Ver 5 [M]，2005，entelegence Inc.
[3] PowerINSPECT 3050 Users Guide[M]，2003，Delcam plc.
[4]王晉.三坐標測量機軟件技術(shù)的發(fā)展[J].現代制造，2004,296(5):28-31.
[5]張國雄.三坐標測量機[M].天津:天津大學(xué)出版社,1998,8.
[6]姜元慶,劉佩軍 編譯.UG/Imageware逆向工程培訓教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003,12.