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/制造技術的發展，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，從數據轉換、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狀和發展趨勢進行了探討。
關鍵詞：數據轉換；對齊；測尖補償；理論值

1．引言
　　從60年代初發明到現在，三坐標測量機（CMM）在制造業得到世界范圍廣泛應用，成為3D檢測工業標準設備。三坐標測量技術得到迅速發展，而配套檢測軟件的發展，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測量軟件發展趨勢
　　對于傳統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?；贑AD的測量成為目前三坐標測量軟件的發展熱點。
　　在CAD設計中，一般的規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。隨著工業造型的發展，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傳統測量方法
　　在沒有采用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軟件里用相關命令在曲面數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據，同時測頭測尖球徑的補償不容易準確實現，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。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行檢測是CMM測量技術發展的需要。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，一般由專業的CAD/CAM系統完成。在測量軟件內，則是通過導入設計數模而利用的問題。為了實現這一目的，就必須解決好四個方面的技術問題：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制造商各自開發著不同的軟件和格式，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發了各種直讀接口，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容，無論有無數模，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，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。對于單點觸發采數的測量機，通常是軟件在數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，軟件將測量點在數模上目標點的附近區域進行迭代找正，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，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模進行最佳匹配計算，將點群與數模一步步對齊，直到點群與數模的偏差均方根最小。該方法點數越多越準，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式測頭，配以紅寶石測針，必然會帶來測尖補償的問題。
　　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，則必須知道補償的方向矢量，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，或者工件與數模本身偏差較小的情況下，如果要求不高，為了減少采點數，也可以不測量微平面，軟件直接以測點刺穿數模的方向矢量進行測尖補償，即以數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。對于自動測量來說，就可以直接根據數模特征進行編程，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生的點，視為邊緣測量點，其理論值為數模中曲面邊緣距其最近點。
　　通過以上方式，即可實現邊緣點的檢測。具體到不同軟件，可能有不同的處理方法。
4．曲面測量軟件現狀
基于3D數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等專業測量機軟件公司開發而成。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
　　國內對于測量軟件的研發相對滯后，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境，支持數模導入，測頭軌跡動態模擬，可視化測量，視圖旋轉、縮放，圖形選取，實現了利用曲面數模進行檢測的功能，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模比較，得出偏差，檢驗人員根據結果對該點進行調整，直到偏差在許可的范圍內。
　　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，在國內處于先進地位，同時，相對于國外軟件，具有明顯的價格優勢。目前，ZCRMDT軟件已配套于中測量儀生產的手動測量機上，被全國數十家用戶所采用，使客戶不需花太多錢就可以實現先進測量功能，解決了客戶的測量問題。
6．結束語
　　基于3D數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經驗的一點體會，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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