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[導(dǎo)讀]1.引言  三坐標(biāo)測量技術(shù)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(biāo)測量機只能顯示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?! ?

1.引言

  三坐標(biāo)測量技術(shù)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(biāo)測量機只能顯示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)進行設(shè)計。因此,各坐標(biāo)機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?;贑AD的測量成為目前三坐標(biāo)測量軟件的發(fā)展熱點。

  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的坐標(biāo),以此作為理論值,控制測量機到對應(yīng)的位置,進行檢測,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償不容易準(zhǔn)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(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、測尖補償、理論值捕獲。

  一、數(shù)模導(dǎo)入接口

  利用數(shù)模進行檢測,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,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(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、點特征來確定坐標(biāo)軸和原點,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,如3個孔心,則通常測量出實際值,與理論值對應(yīng),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(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(biāo)點,所選取的點應(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,然后將測量機移動到工件上盡量對應(yīng)的位置采集實測點,軟件將測量點在數(shù)模上目標(biāo)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(dǎo)你重新測量到更接近的點進行更準(zhǔn)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(zhǔn),但同時計算越復(fù)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(guān)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(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)模特征進行編程,指導(dǎo)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(zhǔn)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(biāo)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(biāo)機測量里屬于高級應(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(biāo)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(jié)合越來越緊密的趨勢。

 

 

  事實上,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,在將采集的點云處理成曲面后,往往需要比較點云和設(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(jié)果對該點進行調(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(jié)束語

  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步。

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