3D數(shù)模坐標(biāo)測量管理論文

1、3D數(shù)模坐標(biāo)測量管理論文關(guān)于3D數(shù)模坐標(biāo)測量管理論文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(jì)部門提供二維圖 紙，檢驗(yàn)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(jì)。因此，各坐標(biāo)機(jī)廠家

2、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(jì)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?；贑AD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(jì)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(jì)，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(jì)成復(fù)雜的形狀表而，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(jì)范疇，許多高檔三維 CAD軟件都有專門的曲線、

3、曲面處理模塊，使得用戶可以設(shè)計(jì)出B 級甚至A級曲而。曲而類工件的檢測，對三坐標(biāo)測量軟件提出了更 高的要求。3. CMM曲面檢測對齊（Align）是三坐標(biāo)測量機(jī)軟件的一項(xiàng)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(jì)算就要復(fù)雜得多。

4、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(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(gè)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(shí)，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(jì)算。還有種情況是直接測量多個(gè)點(diǎn)，軟件將該

5、點(diǎn)群與理論數(shù)模進(jìn)行最 佳匹配計(jì)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(shí)計(jì)算越復(fù)雜，對計(jì)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)，但基木主要采用 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}。對于平而、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 曲而測量時(shí)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)姆较蚴噶浚布词墙?觸點(diǎn)處的法向矢

6、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(gè)微平而，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 量微平而，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)?#39;方向。但是如果工件與數(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

7、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。對于曲而工件上的點(diǎn)，通常分為曲面點(diǎn)和邊緣點(diǎn)，有的軟件分得 更細(xì)。對于曲而上的點(diǎn)，通過直接測量，測量點(diǎn)沿?cái)?shù)模曲面法向投 影到曲而上，即可獲得理論點(diǎn)。但邊緣點(diǎn)就不同了，邊緣是CAD曲 而的邊界所在，例如，飯金件的邊，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

8、采用前3點(diǎn)用于確定上而，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，其投射到前而確定的邊所產(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,VIRTULDMIS等，它們是由WILCOX、 ENTELEGENCE等專業(yè)測量機(jī)軟件公司開發(fā)而成。POWERINSPECT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，

9、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(jià)，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(jì)曲線、曲而的偏離，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 Z5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Z

10、CRMDT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(yàn)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，己達(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(shí)，相對 于國外軟件，具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢。目前，ZCRMDT軟件己配套于中 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