基于3D數(shù)模的三坐標測量機曲面檢測

摘要：計算機輔助設計/制造技術的發(fā)展，對曲面工件的檢測提出了更高的要求，這一任務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(shù)據(jù)轉換、對齊、測尖補償、理論值捕獲等四個關鍵方面，對基于3D數(shù)模的三坐標測量機曲面檢測技術進行了深入剖析。同時對三坐標測量機測量軟件現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行了探討。
關鍵詞：數(shù)據(jù)轉換；對齊；測尖補償；理論值

1．引言
　　從60年代初發(fā)明到現(xiàn)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。三坐標測量技術得到迅速發(fā)展，而配套檢測軟件的發(fā)展，更是突飛猛進。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的絕大部分問題。軟件日益成為影響用戶使用好壞的關鍵所在。
2．CMM測量軟件發(fā)展趨勢
　　對于傳統(tǒng)的三坐標測量機檢測來說，通常是設計部門提供二維圖紙，檢驗部門根據(jù)圖紙對工件進行尺寸及形位公差的檢測。隨著三維CAD軟件的應用，越來越多的技術部門使用三維CAD建模技術進行設計。因此，各坐標機廠家紛紛推出了基于三維CAD技術的測量軟件，直接將客戶設計好的三維CAD模型導入測量軟件進行檢測。這樣做的優(yōu)點非常明顯，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測量軟件的發(fā)展熱點。
　　在CAD設計中，一般的規(guī)則工件通過基本的特征命令即可完成三維實體設計，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，以及加工中心的應用，越來越多的工件被設計成復雜的形狀表面，比如覆蓋件、內(nèi)飾件等。曲線曲面的建構技術在CAD造型中屬于比較高級的設計范疇，許多高檔三維CAD軟件都有專門的曲線、曲面處理模塊，使得用戶可以設計出B級甚至A級曲面。曲面類工件的檢測，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(tǒng)測量方法
　　在沒有采用CAD數(shù)模的情況下用三坐標測量機對曲面件檢測，通常是，先在CAD軟件里用相關命令在曲面數(shù)模上生成截面線和點的坐標，以此作為理論值，控制測量機到對應的位置，進行檢測，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(shù)據(jù)，同時測頭測尖球徑的補償不容易準確實現(xiàn)，對于單點測量來說，由于無法確定矢量方向，測頭的補償根本無法實現(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)模對曲面進行檢測是CMM測量技術發(fā)展的需要。由于曲面建構技術比較復雜，在CAD應用范疇里也屬于高端技術，一般由專業(yè)的CAD/CAM系統(tǒng)完成。在測量軟件內(nèi)，則是通過導入設計數(shù)模而利用的問題。為了實現(xiàn)這一目的，就必須解決好四個方面的技術問題：數(shù)模導入接口、對齊、測尖補償、理論值捕獲。
一、數(shù)模導入接口
　　利用數(shù)模進行檢測，首先要做的工作，當然是保證數(shù)模正確導入到測量軟件。事實上，由于技術、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)交換標準，如國際標準數(shù)據(jù)交換STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)，美國的初始圖形交換標準IGES (Initial Graphics Exchange Specification)等。盡管IGES標準存在數(shù)據(jù)文件大、轉換時間長、信息不夠全等缺點，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(shù)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(xiàn)在復雜數(shù)模輸入后個別曲面的丟失、破損，還有就是導入速度的快慢。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換，避免了轉換帶來的影響。不過，這種接口一般都需要另外購買。
二、　　對齊
　　對齊（Align）是三坐標測量機軟件的一項重要內(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。
對于箱體類零件，基本都采用3-2-1方式建坐標，利用面、線、點特征來確定坐標軸和原點，通過建立工件坐標系來將工件找正，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，還需要可以進行平移、旋轉等操作，以產(chǎn)生新的對齊。
對于不規(guī)則形體，計算就要復雜得多。如果工件上有明確的特征點，如3個孔心，則通常測量出實際值，與理論值對應，進行3點找正。
　　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。對于單點觸發(fā)采數(shù)的測量機，通常是軟件在數(shù)模曲面上選取多點作為目標點，所選取的點應能在全部6個自由度上固定零件，以防零件出現(xiàn)旋轉和移動，然后將測量機移動到工件上盡量對應的位置采集實測點，軟件將測量點在數(shù)模上目標點的附近區(qū)域進行迭代找正，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，將指導你重新測量到更接近的點進行更準確的計算。
還有種情況是直接測量多個點，軟件將該點群與理論數(shù)模進行最佳匹配計算，將點群與數(shù)模一步步對齊，直到點群與數(shù)模的偏差均方根最小。該方法點數(shù)越多越準，但同時計算越復雜，對計算機要求較高，通常在掃描點云的對齊中，用得比較多。
盡管每種軟件關于對齊都有不同的分類和特點，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，必然會帶來測尖補償?shù)膯栴}。
　　對于平面、圓等標準特征，可以通過整體偏置的方式自動補償測頭，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)常遇到的單點測量，如何解決測尖補償問題呢？
　　要單獨對一點進行補償，則必須知道補償?shù)姆较蚴噶?，也即是接觸點處的法向矢量方向。為了找到該法線方向，比較準確的做法是，在測點的周邊測量個微平面，以該微平面的法向視為測點處曲面的法向，從而完成測尖補償。
　　對于工件測點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，為了減少采點數(shù)，也可以不測量微平面，軟件直接以測點刺穿數(shù)模的方向矢量進行測尖補償，即以數(shù)模上該處的法向矢量代替工件上實測處的法向矢量做為測尖補償?shù)姆较?。但是如果工件與數(shù)模本身該處曲率偏差大，則測尖補償將不準，導致測量數(shù)據(jù)不可靠。
　　對于非接觸式測頭，不存在測尖補償問題。
四、理論值捕獲
　　在解決了數(shù)模的導入和對齊后，理論值的捕獲就比較簡單。對于圓等標準特征，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)模特征進行編程，指導機器運行到特征的理論值位置附近進行測量。
　　對于曲面工件上的點，通常分為曲面點和邊緣點，有的軟件分得更細。對于曲面上的點，通過直接測量，測量點沿數(shù)模曲面法向投影到曲面上，即可獲得理論點。但邊緣點就不同了，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，由于測針無法直接準確測量到，并且測頭的補償方向無法確定，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，可以在其兩邊測點。此例采用前3點用于確定上面，第4,5點確定邊界方向，而最后一點6確定目標點的位置，其投射到前面確定的邊所產(chǎn)生的點，視為邊緣測量點，其理論值為數(shù)模中曲面邊緣距其最近點。
　　通過以上方式，即可實現(xiàn)邊緣點的檢測。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(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，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(xiàn)了測量機軟件與CAD軟件結合越來越緊密的趨勢。
　　事實上，對于曲面質量評價，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，在將采集的點云處理成曲面后，往往需要比較點云和設計曲線、曲面的偏離，以便在保證精度的同時提高表面質量。圖4為imageware中對點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(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，支持數(shù)模導入，測頭軌跡動態(tài)模擬，可視化測量，視圖旋轉、縮放，圖形選取，實現(xiàn)了利用曲面數(shù)模進行檢測的功能，值得一提的是，還可以利用CAD平臺的功能對數(shù)模進行編輯處理。圖5為利用ZCRMDT軟件對一曲面檢具進行檢測，軟件將工件上測量點直接與數(shù)模比較，得出偏差，檢驗人員根據(jù)結果對該點進行調整，直到偏差在許可的范圍內(nèi)。
　　從技術水平來看，ZCRMDT軟件作為一款手動版測量軟件，已達到或接近國外同類軟件的水平，在國內(nèi)處于先進地位，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現(xiàn)先進測量功能，解決了客戶的測量問題。
6．結束語
　　基于3D數(shù)模的三坐標曲面檢測技術屬于一項綜合性強的高級測量技術，涉及到CAD、三坐標測量機、軟件編程及計量等專業(yè)學科，絕非簡單一篇文章所能囊括，本文為筆者工作中對相關軟件的測試和開發(fā)經(jīng)驗的一點體會，特提出與大家共同探討。隨著三坐標測量技術的發(fā)展，三坐標測量軟件必定會取得更加長足的進步。

參考文獻
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