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。

　　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。

1.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 ModelData)，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。

2.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)盡管每種軟件關(guān)于對(duì)齊都有不同的分類和特點(diǎn)，但基本主要采用以上方法。

3.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)姆较颉５侨绻ぜc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。

4.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,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。