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基於3D數模的三坐標測量機曲麵檢測

時間:2014-07-15 14:26:18來源:本站瀏覽次數:5524

從60年代初發明到現在,三坐標測量機(CMM)在製造業得到世界範圍廣泛應用,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隻能顯示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。  

    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麵件檢測,通常是,先在CAD軟件裏用相關命令在曲麵數模上生成截麵線和點的坐標,以此作為理論值,控製測量機到對應的位置,進行檢測,並比較坐標值的偏離。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,對於單點測量來說,由於無法確定矢量方向,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。

  基於3D數模的測量

  利用曲麵數模對曲麵進行檢測是CMM測量技術發展的需要。由於曲麵建構技術比較複雜,在CAD應用範疇裏也屬於高端技術,一般由專業的CAD/CAM係統完成。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麵的技術問題:數模導入接口、對齊、測尖補償、理論值捕獲。

1.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,由於技術、利益等眾所周知的原因,全世界各大CAD製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,國際上建立了一係列的數據交換標準,如國際標準數據交換STEP(Standard for the 
Exchange of Product ModelData),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複雜數模輸入後個別曲麵的丟失、破損,還有就是導入速度的快慢。對於一個10M的數模,有的可能用幾十秒鍾,有的可能要幾分鍾。目前市麵上比較有名的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。

2.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,將機器坐標係與工件坐標係保持一致,測量值才具有可比性。

  對於箱體類零件,基本都采用3-2-1方式建坐標,利用麵、線、點特征來確定坐標軸和原點,通過建立工件坐標係來將工件找正,這也是最基本、最準確的對齊方法。應盡量選用加工好、範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,對於建立的坐標係,還需要可以進行平移、旋轉等操作,以產生新的對齊。

  對於不規則形體,計算就要複雜得多。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。對於該情況,測量軟件常用的是迭代找正的方法。對於單點觸發采數的測量機,通常是軟件在數模曲麵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,然後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,但同時計算越複雜,對計算機盡管每種軟件關於對齊都有不同的分類和特點,但基本主要采用以上方法。

3.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。

  對於平麵、圓等標準特征,可以通過整體偏置的方式自動補償測頭,對於連續掃描的曲線,也可以用同樣的方式自動處理。但對於曲麵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麵,以該微平麵的法向視為測點處曲麵的法向,從而完成測尖補償。

  對於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,也可以不測量微平麵,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。對於非接觸式測頭,不存在測尖補償問題。

4.理論值捕獲

  在解決了數模的導入和對齊後,理論值的捕獲就比較簡單。對於圓等標準特征,軟件隻需要能從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。對於自動測量來說,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。

  對於曲麵工件上的點,通常分為曲麵點和邊緣點,有的軟件分得更細。對於曲麵上的點,通過直接測量,測量點沿數模曲麵法向投影到曲麵上,即可獲得理論點。但邊緣點就不同了,邊緣是CAD曲麵的邊界所在,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,由於測針無法直接準確測量到,並且測頭的補償方向無法確定,因此,無法直接測量,隻能采用間接測量的方式。通常,其處理原理,為了測量邊緣上P點,可以在其兩邊測點。此例采用前3點用於確定上麵,第4,5點確定邊界方向,而最後一點6確定目標點的位置,其投射到前麵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麵邊緣距其最近點。

  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。



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