基于3D數(shù)模的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)曲面檢測(cè)

摘要：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)曲面工件的檢測(cè)提出了更高的要求，這一任務(wù)的完成通常依靠三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。本文結(jié)合ZCRMDT三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量軟件的研發(fā)，從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、對(duì)齊、測(cè)尖補(bǔ)償、理論值捕獲等四個(gè)關(guān)鍵方面，對(duì)基于3D數(shù)模的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)曲面檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入剖析。同時(shí)對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量軟件現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；對(duì)齊；測(cè)尖補(bǔ)償；理論值

1．引言
　　從60年代初發(fā)明到現(xiàn)在，三坐標(biāo)測(cè)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(cè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)得到迅速發(fā)展，而配套檢測(cè)軟件的發(fā)展，更是突飛猛進(jìn)。最早的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)只能顯示XYZ坐標(biāo)，而目前的各種檢測(cè)軟件幾乎可以解決用戶(hù)的絕大部分問(wèn)題。軟件日益成為影響用戶(hù)使用好壞的關(guān)鍵所在。
2．CMM測(cè)量軟件發(fā)展趨勢(shì)
　　對(duì)于傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)來(lái)說(shuō)，通常是設(shè)計(jì)部門(mén)提供二維圖紙，檢驗(yàn)部門(mén)根據(jù)圖紙對(duì)工件進(jìn)行尺寸及形位公差的檢測(cè)。隨著三維CAD軟件的應(yīng)用，越來(lái)越多的技術(shù)部門(mén)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)廠家紛紛推出了基于三維CAD技術(shù)的測(cè)量軟件，直接將客戶(hù)設(shè)計(jì)好的三維CAD模型導(dǎo)入測(cè)量軟件進(jìn)行檢測(cè)。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(cè)量仿真，測(cè)頭干涉檢查等，所以，受到用戶(hù)的一致好評(píng)?；贑AD的測(cè)量成為目前三坐標(biāo)測(cè)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(guò)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(duì)于此類(lèi)工件的檢測(cè)，相對(duì)比較簡(jiǎn)單。隨著工業(yè)造型的發(fā)展，以及加工中心的應(yīng)用，越來(lái)越多的工件被設(shè)計(jì)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(jí)的設(shè)計(jì)范疇，許多高檔三維CAD軟件都有專(zhuān)門(mén)的曲線、曲面處理模塊，使得用戶(hù)可以設(shè)計(jì)出B級(jí)甚至A級(jí)曲面。曲面類(lèi)工件的檢測(cè)，對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量軟件提出了更高的要求。
3．CMM曲面檢測(cè)
3．1傳統(tǒng)測(cè)量方法
　　在沒(méi)有采用CAD數(shù)模的情況下用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)曲面件檢測(cè)，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(diǎn)的坐標(biāo)，以此作為理論值，控制測(cè)量機(jī)到對(duì)應(yīng)的位置，進(jìn)行檢測(cè)，并比較坐標(biāo)值的偏離。這種方法需要設(shè)計(jì)人員額外提供理論數(shù)據(jù)，同時(shí)測(cè)頭測(cè)尖球徑的補(bǔ)償不容易準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，對(duì)于單點(diǎn)測(cè)量來(lái)說(shuō)，由于無(wú)法確定矢量方向，測(cè)頭的補(bǔ)償根本無(wú)法實(shí)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(cè)量
　　利用曲面數(shù)模對(duì)曲面進(jìn)行檢測(cè)是CMM測(cè)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(zhuān)業(yè)的CAD/CAM系統(tǒng)完成。在測(cè)量軟件內(nèi)，則是通過(guò)導(dǎo)入設(shè)計(jì)數(shù)模而利用的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，就必須解決好四個(gè)方面的技術(shù)問(wèn)題：數(shù)模導(dǎo)入接口、對(duì)齊、測(cè)尖補(bǔ)償、理論值捕獲。
一、數(shù)模導(dǎo)入接口
　　利用數(shù)模進(jìn)行檢測(cè)，首先要做的工作，當(dāng)然是保證數(shù)模正確導(dǎo)入到測(cè)量軟件。事實(shí)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(kāi)發(fā)著不同的軟件和格式，例如國(guó)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(guó)際上建立了一系列的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)，美國(guó)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(shí)間長(zhǎng)、信息不夠全等缺點(diǎn)，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(guó)也將IGES作為推薦標(biāo)準(zhǔn)。
　　目前具備數(shù)模檢測(cè)功能的測(cè)量機(jī)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(gè)別曲面的丟失、破損，還有就是導(dǎo)入速度的快慢。對(duì)于一個(gè)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(cè)量軟件，均基本較好的解決了這一問(wèn)題。圖1為中測(cè)量?jī)x自主研發(fā)的ZCRMDT測(cè)量軟件，導(dǎo)入數(shù)模到檢測(cè)軟件的情況，數(shù)模大小46M多。
　　針對(duì)目前主流CAD軟件，一些測(cè)量機(jī)軟件商也開(kāi)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(lái)的影響。不過(guò)，這種接口一般都需要另外購(gòu)買(mǎi)。
二、　　對(duì)齊
　　對(duì)齊（Align）是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)軟件的一項(xiàng)重要內(nèi)容，無(wú)論有無(wú)數(shù)模，都必須通過(guò)對(duì)齊，將機(jī)器坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系保持一致，測(cè)量值才具有可比性。
對(duì)于箱體類(lèi)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(lái)確定坐標(biāo)軸和原點(diǎn)，通過(guò)建立工件坐標(biāo)系來(lái)將工件找正，這也是最基本、最準(zhǔn)確的對(duì)齊方法。應(yīng)盡量選用加工好、范圍大的特征來(lái)作為建坐標(biāo)基準(zhǔn)，以減小對(duì)齊產(chǎn)生的誤差。通常，對(duì)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(duì)齊。
對(duì)于不規(guī)則形體，計(jì)算就要復(fù)雜得多。如果工件上有明確的特征點(diǎn)，如3個(gè)孔心，則通常測(cè)量出實(shí)際值，與理論值對(duì)應(yīng)，進(jìn)行3點(diǎn)找正。
　　我們經(jīng)常會(huì)遇到工件上沒(méi)有明確特征的情況，即我們無(wú)法準(zhǔn)確的將測(cè)量值和理論值直接對(duì)應(yīng)。對(duì)于該情況，測(cè)量軟件常用的是迭代找正的方法。對(duì)于單點(diǎn)觸發(fā)采數(shù)的測(cè)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(dòng)，然后將測(cè)量機(jī)移動(dòng)到工件上盡量對(duì)應(yīng)的位置采集實(shí)測(cè)點(diǎn)，軟件將測(cè)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(cè)量軟件在迭代超差時(shí)，將指導(dǎo)你重新測(cè)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(cè)量多個(gè)點(diǎn)，軟件將該點(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(duì)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(duì)計(jì)算機(jī)要求較高，通常在掃描點(diǎn)云的對(duì)齊中，用得比較多。
盡管每種軟件關(guān)于對(duì)齊都有不同的分類(lèi)和特點(diǎn)，但基本主要采用以上方法。
三、測(cè)尖補(bǔ)償
　　目前，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)用得最多的是機(jī)械觸發(fā)式測(cè)頭，配以紅寶石測(cè)針，必然會(huì)帶來(lái)測(cè)尖補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。
　　對(duì)于平面、圓等標(biāo)準(zhǔn)特征，可以通過(guò)整體偏置的方式自動(dòng)補(bǔ)償測(cè)頭，對(duì)于連續(xù)掃描的曲線，也可以用同樣的方式自動(dòng)處理。但對(duì)于曲面測(cè)量時(shí)經(jīng)常遇到的單點(diǎn)測(cè)量，如何解決測(cè)尖補(bǔ)償問(wèn)題呢？
　　要單獨(dú)對(duì)一點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，則必須知道補(bǔ)償?shù)姆较蚴噶?，也即是接觸點(diǎn)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(cè)點(diǎn)的周邊測(cè)量個(gè)微平面，以該微平面的法向視為測(cè)點(diǎn)處曲面的法向，從而完成測(cè)尖補(bǔ)償。
　　對(duì)于工件測(cè)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(cè)量微平面，軟件直接以測(cè)點(diǎn)刺穿數(shù)模的方向矢量進(jìn)行測(cè)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(cè)處的法向矢量做為測(cè)尖補(bǔ)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(cè)尖補(bǔ)償將不準(zhǔn)，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不可靠。
　　對(duì)于非接觸式測(cè)頭，不存在測(cè)尖補(bǔ)償問(wèn)題。
四、理論值捕獲
　　在解決了數(shù)模的導(dǎo)入和對(duì)齊后，理論值的捕獲就比較簡(jiǎn)單。對(duì)于圓等標(biāo)準(zhǔn)特征，軟件只需要能從CAD數(shù)模上選取識(shí)別該特征，即可直接從其特性中提取理論值。對(duì)于自動(dòng)測(cè)量來(lái)說(shuō)，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(cè)量。
　　對(duì)于曲面工件上的點(diǎn)，通常分為曲面點(diǎn)和邊緣點(diǎn)，有的軟件分得更細(xì)。對(duì)于曲面上的點(diǎn)，通過(guò)直接測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)沿?cái)?shù)模曲面法向投影到曲面上，即可獲得理論點(diǎn)。但邊緣點(diǎn)就不同了，邊緣是CAD曲面的邊界所在，例如，鈑金件的邊，最簡(jiǎn)單的如方體的棱邊等。如果要檢測(cè)邊緣上的點(diǎn)，由于測(cè)針無(wú)法直接準(zhǔn)確測(cè)量到，并且測(cè)頭的補(bǔ)償方向無(wú)法確定，因此，無(wú)法直接測(cè)量，只能采用間接測(cè)量的方式。通常，其處理原理如圖3所示，為了測(cè)量邊緣上P點(diǎn)，可以在其兩邊測(cè)點(diǎn)。此例采用前3點(diǎn)用于確定上面，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，其投射到前面確定的邊所產(chǎn)生的點(diǎn)，視為邊緣測(cè)量點(diǎn)，其理論值為數(shù)模中曲面邊緣距其最近點(diǎn)。
　　通過(guò)以上方式，即可實(shí)現(xiàn)邊緣點(diǎn)的檢測(cè)。具體到不同軟件，可能有不同的處理方法。
4．曲面測(cè)量軟件現(xiàn)狀
基于3D數(shù)模對(duì)曲面工件進(jìn)行檢測(cè)，在三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量里屬于高級(jí)應(yīng)用范疇，一般在高端測(cè)量軟件才包含該功能。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上比較常見(jiàn)的如PC-DMIS的 CAD++版，VIRTUL DMIS等，它們是由WILCOX、ENTELEGENCE等專(zhuān)業(yè)測(cè)量機(jī)軟件公司開(kāi)發(fā)而成。POWER INSPECT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，它是由英國(guó)的CAD/CAM軟件商DELCAM提供，這也體現(xiàn)了測(cè)量機(jī)軟件與CAD軟件結(jié)合越來(lái)越緊密的趨勢(shì)。
　　事實(shí)上，對(duì)于曲面質(zhì)量評(píng)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、曲面的偏離，以便在保證精度的同時(shí)提高表面質(zhì)量。圖4為imageware中對(duì)點(diǎn)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(cè)量軟件的研發(fā)
　　國(guó)內(nèi)對(duì)于測(cè)量軟件的研發(fā)相對(duì)滯后，對(duì)于需要具備數(shù)模檢測(cè)等高級(jí)功能的，一般都配套國(guó)外軟件。中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院測(cè)量?jī)x器研究所（中測(cè)量?jī)x）推出的ZCRMDT手動(dòng)版測(cè)量軟件，完全的三維圖形化測(cè)量環(huán)境，支持?jǐn)?shù)模導(dǎo)入，測(cè)頭軌跡動(dòng)態(tài)模擬，可視化測(cè)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(cè)的功能，值得一提的是，還可以利用CAD平臺(tái)的功能對(duì)數(shù)模進(jìn)行編輯處理。圖5為利用ZCRMDT軟件對(duì)一曲面檢具進(jìn)行檢測(cè)，軟件將工件上測(cè)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(duì)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(lái)看，ZCRMDT軟件作為一款手動(dòng)版測(cè)量軟件，已達(dá)到或接近國(guó)外同類(lèi)軟件的水平，在國(guó)內(nèi)處于先進(jìn)地位，同時(shí)，相對(duì)于國(guó)外軟件，具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。目前，ZCRMDT軟件已配套于中測(cè)量?jī)x生產(chǎn)的手動(dòng)測(cè)量機(jī)上，被全國(guó)數(shù)十家用戶(hù)所采用，使客戶(hù)不需花太多錢(qián)就可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)測(cè)量功能，解決了客戶(hù)的測(cè)量問(wèn)題。
6．結(jié)束語(yǔ)
　　基于3D數(shù)模的三坐標(biāo)曲面檢測(cè)技術(shù)屬于一項(xiàng)綜合性強(qiáng)的高級(jí)測(cè)量技術(shù)，涉及到CAD、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、軟件編程及計(jì)量等專(zhuān)業(yè)學(xué)科，絕非簡(jiǎn)單一篇文章所能囊括，本文為筆者工作中對(duì)相關(guān)軟件的測(cè)試和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的一點(diǎn)體會(huì)，特提出與大家共同探討。隨著三坐標(biāo)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，三坐標(biāo)測(cè)量軟件必定會(huì)取得更加長(zhǎng)足的進(jìn)步。

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