基于3D數(shù)模的三坐標(biāo)測量機(jī)曲面檢測

摘要：計算機(jī)輔助設(shè)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(biāo)測量機(jī)。本文結(jié)合ZCRMDT三坐標(biāo)測量機(jī)測量軟件的研發(fā)，從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、對齊、測尖補(bǔ)償、理論值捕獲等四個關(guān)鍵方面，對基于3D數(shù)模的三坐標(biāo)測量機(jī)曲面檢測技術(shù)進(jìn)行了深入剖析。同時對三坐標(biāo)測量機(jī)測量軟件現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；對齊；測尖補(bǔ)償；理論值

1．引言
　　從60年代初發(fā)明到現(xiàn)在，三坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）在制造業(yè)得到世界范圍廣泛應(yīng)用，成為3D檢測工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。三坐標(biāo)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(biāo)測量機(jī)只能顯示XYZ坐標(biāo)，而目前的各種檢測軟件幾乎可以解決用戶的絕大部分問題。軟件日益成為影響用戶使用好壞的關(guān)鍵所在。
2．CMM測量軟件發(fā)展趨勢
　　對于傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量機(jī)檢測來說，通常是設(shè)計部門提供二維圖紙，檢驗部門根據(jù)圖紙對工件進(jìn)行尺寸及形位公差的檢測。隨著三維CAD軟件的應(yīng)用，越來越多的技術(shù)部門使用三維CAD建模技術(shù)進(jìn)行設(shè)計。因此，各坐標(biāo)機(jī)廠家紛紛推出了基于三維CAD技術(shù)的測量軟件，直接將客戶設(shè)計好的三維CAD模型導(dǎo)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，受到用戶的一致好評。基于CAD的測量成為目前三坐標(biāo)測量軟件的發(fā)展熱點(diǎn)。
　　在CAD設(shè)計中，一般的規(guī)則工件通過基本的特征命令即可完成三維實(shí)體設(shè)計，比如拉伸、打孔等，對于此類工件的檢測，相對比較簡單。隨著工業(yè)造型的發(fā)展，以及加工中心的應(yīng)用，越來越多的工件被設(shè)計成復(fù)雜的形狀表面，比如覆蓋件、內(nèi)飾件等。曲線曲面的建構(gòu)技術(shù)在CAD造型中屬于比較高級的設(shè)計范疇，許多高檔三維CAD軟件都有專門的曲線、曲面處理模塊，使得用戶可以設(shè)計出B級甚至A級曲面。曲面類工件的檢測，對三坐標(biāo)測量軟件提出了更高的要求。
3．CMM曲面檢測
3．1傳統(tǒng)測量方法
　　在沒有采用CAD數(shù)模的情況下用三坐標(biāo)測量機(jī)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(shù)模上生成截面線和點(diǎn)的坐標(biāo)，以此作為理論值，控制測量機(jī)到對應(yīng)的位置，進(jìn)行檢測，并比較坐標(biāo)值的偏離。這種方法需要設(shè)計人員額外提供理論數(shù)據(jù)，同時測頭測尖球徑的補(bǔ)償不容易準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，對于單點(diǎn)測量來說，由于無法確定矢量方向，測頭的補(bǔ)償根本無法實(shí)現(xiàn)。因此，這種辦法具有一定的局限性。
3．2基于3D數(shù)模的測量
　　利用曲面數(shù)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(gòu)技術(shù)比較復(fù)雜，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。在測量軟件內(nèi)，則是通過導(dǎo)入設(shè)計數(shù)模而利用的問題。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，就必須解決好四個方面的技術(shù)問題：數(shù)模導(dǎo)入接口、對齊、測尖補(bǔ)償、理論值捕獲。
一、數(shù)模導(dǎo)入接口
　　利用數(shù)模進(jìn)行檢測，首先要做的工作，當(dāng)然是保證數(shù)模正確導(dǎo)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制造商各自開發(fā)著不同的軟件和格式，例如國內(nèi)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(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，如國際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)，美國的初始圖形交換標(biāo)準(zhǔn)IGES (Initial Graphics Exchange Specification)等。盡管IGES標(biāo)準(zhǔn)存在數(shù)據(jù)文件大、轉(zhuǎn)換時間長、信息不夠全等缺點(diǎn)，但不可否認(rèn)，它是目前應(yīng)用最廣泛的接口標(biāo)準(zhǔn)，絕大部分CAD軟件均支持該標(biāo)準(zhǔn)，我國也將IGES作為推薦標(biāo)準(zhǔn)。
　　目前具備數(shù)模檢測功能的測量機(jī)軟件，均支持IGES格式。差異基本上主要體現(xiàn)在復(fù)雜數(shù)模輸入后個別曲面的丟失、破損，還有就是導(dǎo)入速度的快慢。對于一個10M的數(shù)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題。圖1為中測量儀自主研發(fā)的ZCRMDT測量軟件，導(dǎo)入數(shù)模到檢測軟件的情況，數(shù)模大小46M多。
　　針對目前主流CAD軟件，一些測量機(jī)軟件商也開發(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(zhuǎn)換，避免了轉(zhuǎn)換帶來的影響。不過，這種接口一般都需要另外購買。
二、　　對齊
　　對齊（Align）是三坐標(biāo)測量機(jī)軟件的一項重要內(nèi)容，無論有無數(shù)模，都必須通過對齊，將機(jī)器坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系保持一致，測量值才具有可比性。
對于箱體類零件，基本都采用3-2-1方式建坐標(biāo)，利用面、線、點(diǎn)特征來確定坐標(biāo)軸和原點(diǎn)，通過建立工件坐標(biāo)系來將工件找正，這也是最基本、最準(zhǔn)確的對齊方法。應(yīng)盡量選用加工好、范圍大的特征來作為建坐標(biāo)基準(zhǔn)，以減小對齊產(chǎn)生的誤差。通常，對于建立的坐標(biāo)系，還需要可以進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)等操作，以產(chǎn)生新的對齊。
對于不規(guī)則形體，計算就要復(fù)雜得多。如果工件上有明確的特征點(diǎn)，如3個孔心，則通常測量出實(shí)際值，與理論值對應(yīng)，進(jìn)行3點(diǎn)找正。
　　我們經(jīng)常會遇到工件上沒有明確特征的情況，即我們無法準(zhǔn)確的將測量值和理論值直接對應(yīng)。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(shù)的測量機(jī)，通常是軟件在數(shù)模曲面上選取多點(diǎn)作為目標(biāo)點(diǎn)，所選取的點(diǎn)應(yīng)能在全部6個自由度上固定零件，以防零件出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和移動，然后將測量機(jī)移動到工件上盡量對應(yīng)的位置采集實(shí)測點(diǎn)，軟件將測量點(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)。有的測量軟件在迭代超差時，將指導(dǎo)你重新測量到更接近的點(diǎn)進(jìn)行更準(zhǔn)確的計算。
還有種情況是直接測量多個點(diǎn)，軟件將該點(diǎn)群與理論數(shù)模進(jìn)行最佳匹配計算，將點(diǎn)群與數(shù)模一步步對齊，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)，但同時計算越復(fù)雜，對計算機(jī)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和特點(diǎn)，但基本主要采用以上方法。
三、測尖補(bǔ)償
　　目前，三坐標(biāo)測量機(jī)用得最多的是機(jī)械觸發(fā)式測頭，配以紅寶石測針，必然會帶來測尖補(bǔ)償?shù)膯栴}。
　　對于平面、圓等標(biāo)準(zhǔn)特征，可以通過整體偏置的方式自動補(bǔ)償測頭，對于連續(xù)掃描的曲線，也可以用同樣的方式自動處理。但對于曲面測量時經(jīng)常遇到的單點(diǎn)測量，如何解決測尖補(bǔ)償問題呢？
　　要單獨(dú)對一點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，則必須知道補(bǔ)償?shù)姆较蚴噶?，也即是接觸點(diǎn)處的法向矢量方向。為了找到該法線方向，比較準(zhǔn)確的做法是，在測點(diǎn)的周邊測量個微平面，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(bǔ)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(shù)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(shù)，也可以不測量微平面，軟件直接以測點(diǎn)刺穿數(shù)模的方向矢量進(jìn)行測尖補(bǔ)償，即以數(shù)模上該處的法向矢量代替工件上實(shí)測處的法向矢量做為測尖補(bǔ)償?shù)姆较颉５侨绻ぜc數(shù)模本身該處曲率偏差大，則測尖補(bǔ)償將不準(zhǔn)，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不可靠。
　　對于非接觸式測頭，不存在測尖補(bǔ)償問題。
四、理論值捕獲
　　在解決了數(shù)模的導(dǎo)入和對齊后，理論值的捕獲就比較簡單。對于圓等標(biāo)準(zhǔn)特征，軟件只需要能從CAD數(shù)模上選取識別該特征，即可直接從其特性中提取理論值。對于自動測量來說，就可以直接根據(jù)數(shù)模特征進(jìn)行編程，指導(dǎo)機(jī)器運(yùn)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(xì)。對于曲面上的點(diǎn)，通過直接測量，測量點(diǎn)沿數(shù)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)，由于測針無法直接準(zhǔn)確測量到，并且測頭的補(bǔ)償方向無法確定，因此，無法直接測量，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(biāo)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(shù)模中曲面邊緣距其最近點(diǎn)。
　　通過以上方式，即可實(shí)現(xiàn)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(xiàn)狀
基于3D數(shù)模對曲面工件進(jìn)行檢測，在三坐標(biāo)機(jī)測量里屬于高級應(yīng)用范疇，一般在高端測量軟件才包含該功能。目前國內(nèi)市場上比較常見的如PC-DMIS的 CAD++版，VIRTUL DMIS等，它們是由WILCOX、ENTELEGENCE等專業(yè)測量機(jī)軟件公司開發(fā)而成。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，它是由英國的CAD/CAM軟件商DELCAM提供，這也體現(xiàn)了測量機(jī)軟件與CAD軟件結(jié)合越來越緊密的趨勢。
　　事實(shí)上，對于曲面質(zhì)量評價，作為曲面建構(gòu)、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(shè)計曲線、曲面的偏離，以便在保證精度的同時提高表面質(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(jié)果。
5．ZCRMDT測量軟件的研發(fā)
　　國內(nèi)對于測量軟件的研發(fā)相對滯后，對于需要具備數(shù)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)研究院測量儀器研究所（中測量儀）推出的ZCRMDT手動版測量軟件，完全的三維圖形化測量環(huán)境，支持?jǐn)?shù)模導(dǎo)入，測頭軌跡動態(tài)模擬，可視化測量，視圖旋轉(zhuǎn)、縮放，圖形選取，實(shí)現(xiàn)了利用曲面數(shù)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(shù)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(shù)模比較，得出偏差，檢驗人員根據(jù)結(jié)果對該點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，直到偏差在許可的范圍內(nèi)。
　　從技術(shù)水平來看，ZCRMDT軟件作為一款手動版測量軟件，已達(dá)到或接近國外同類軟件的水平，在國內(nèi)處于先進(jìn)地位，同時，相對于國外軟件，具有明顯的價格優(yōu)勢。目前，ZCRMDT軟件已配套于中測量儀生產(chǎn)的手動測量機(jī)上，被全國數(shù)十家用戶所采用，使客戶不需花太多錢就可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)測量功能，解決了客戶的測量問題。
6．結(jié)束語
　　基于3D數(shù)模的三坐標(biāo)曲面檢測技術(shù)屬于一項綜合性強(qiáng)的高級測量技術(shù)，涉及到CAD、三坐標(biāo)測量機(jī)、軟件編程及計量等專業(yè)學(xué)科，絕非簡單一篇文章所能囊括，本文為筆者工作中對相關(guān)軟件的測試和開發(fā)經(jīng)驗的一點(diǎn)體會，特提出與大家共同探討。隨著三坐標(biāo)測量技術(shù)的發(fā)展，三坐標(biāo)測量軟件必定會取得更加長足的進(jìn)步。

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