關於3D數模座標測量管理論文
關於3D數模座標測量管理論文
1．引言
從60年代初發明到現在，三座標測量機（CMM）在製造業得到世界範圍廣泛應用，成為3D檢測工業標準裝置。三座標測量技術得到迅速發展，而配套檢測軟體的發展，更是突飛猛進。最早的三座標測量機只能顯示XYZ座標，而目前的各種檢測軟體幾乎可以解決使用者的絕大部分問題。軟體日益成為影響使用者使用好壞的關鍵所在。
2．CMM測量軟體發展趨勢
對於傳統的三座標測量機檢測來說，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軟體的應用，越來越多的技術部門使用三維CAD建模技術進行設計。因此，各座標機廠家紛紛推出了基於三維CAD技術的測量軟體，直接將客戶設計好的三維CAD模型匯入測量軟體進行檢測。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，更可以進行測量模擬，測頭干涉檢查等，所以，受到使用者的一致好評。基於CAD的測量成為目前三座標測量軟體的發展熱點。
在CAD設計中，一般的規則工件透過基本的特徵命令即可完成三維實體設計，比如拉伸、打孔等，對於此類工件的檢測，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複雜的形狀表面，比如覆蓋件、內飾件等。曲線曲面的建構技術在CAD造型中屬於比較高階的設計範疇，許多高檔三維CAD軟體都有專門的曲線、曲面處理模組，使得使用者可以設計出B級甚至A級曲面。曲面類工件的檢測，對三座標測量軟體提出了更高的要求。
3．CMM曲面檢測
3．1傳統測量方法
在沒有采用CAD數模的情況下用三座標測量機對曲面件檢測，通常是，先在CAD軟體裡用相關命令在曲面數模上生成截面線和點的座標，以此作為理論值，控制測量機到對應的位置，進行檢測，並比較座標值的偏離。這種方法需要設計人員額外提供理論資料，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，由於無法確定向量方向，測頭的補償根本無法實現。因此，這種辦法具有一定的侷限性。
3．2基於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。由於曲面建構技術比較複雜，在CAD應用範疇裡也屬於高階技術，一般由專業的CAD/CAM系統完成。在測量軟體內，則是透過匯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：數模匯入介面、對齊、測尖補償、理論值捕獲。
一、數模匯入介面
利用數模進行檢測，首先要做的工作，當然是保證數模正確匯入到測量軟體。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體和格式，例如國內影響比較大的UG、PROE、CATIA等，均不能直接互讀檔案。
為了解決這一矛盾，國際上建立了一系列的資料交換標準，如國際標準資料交換STEP(StandardfortheExchangeofProductModelData)，美國的初始圖形交換標準IGES(InitialGraphicsExchangeSpecification)等。儘管IGES標準存在資料檔案大、轉換時間長、資訊不夠全等缺點，但不可否認，它是目前應用最廣泛的介面標準，絕大部分CAD軟體均支援該標準，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體，均支援IGES格式。差異基本上主要體現在複雜數模輸入後個別曲面的丟失、破損，還有就是匯入速度的快慢。對於一個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測量軟體，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測量軟體，匯入數模到檢測軟體的情況，數模大小46M多。
針對目前主流CAD軟體，一些測量機軟體商也開發了各種直讀介面，如UG檔案直讀、PROE檔案直讀等，不需中間檔案格式轉換，避免了轉換帶來的影響。不過，這種介面一般都需要另外購買。
二、對齊
對齊（Align）是三座標測量機軟體的一項重要內容，無論有無數模，都必須透過對齊，將機器座標系與工件座標系保持一致，測量值才具有可比性。
對於箱體類零件，基本都採用3-2-1方式建座標，利用面、線、點特徵來確定座標軸和原點，透過建立工件座標系來將工件找正，這也是最基本、最準確的對齊方法。應儘量選用加工好、範圍大的特徵來作為建座標基準，以減小對齊產生的誤差。通常，對於建立的座標系，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徵點，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徵的情況，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，測量軟體常用的是迭代找正的方法。對於單點觸發採數的測量機，通常是軟體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，然後將測量機移動到工件上儘量對應的位置採集實測點，軟體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。有的測量軟體在迭代超差時，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，軟體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，對計算機要求較高，通常在掃描點雲的對齊中，用得比較多。
儘管每種軟體關於對齊都有不同的分類和特點，但基本主要採用以上方法。
三、測尖補償
目前，三座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。
對於平面、圓等標準特徵，可以透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向量，也即是接觸點處的法向向量方向。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，為了減少採點數，也可以不測量微平面，軟體直接以測點刺穿數模的方向向量進行測尖補償，即以數模上該處的法向向量代替工件上實測處的法向向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，導致測量資料不可靠。
對於非接觸式測頭，不存在測尖補償問題。
四、理論值捕獲
在解決了數模的匯入和對齊後，理論值的捕獲就比較簡單。對於圓等標準特徵，軟體只需要能從CAD數模上選取識別該特徵，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徵進行程式設計，指導機器執行到特徵的理論值位置附近進行測量。
對於曲面工件上的點，通常分為曲面點和邊緣點，有的軟體分得更細。對於曲面上的點，透過直接測量，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，最簡單的如方體的稜邊等。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，只能採用間接測量的方式。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。此例採用前3點用於確定上面，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。
透過以上方式，即可實現邊緣點的檢測。具體到不同軟體，可能有不同的處理方法。
4．曲面測量軟體現狀
基於3D數模對曲面工件進行檢測，在三座標機測量裡屬於高階應用範疇，一般在高階測量軟體才包含該功能。目前國內市場上比較常見的如PC-DMIS的CAD++版，VIRTULDMIS等，它們是由WILCOX、ENTELEGENCE等專業測量機軟體公司開發而成。POWERINSPECT軟體由於其在數模處理上的功能較強，也被引用到座標機上，它是由英國的CAD/CAM軟體商DELCAM提供，這也體現了測量機軟體與CAD軟體結合越來越緊密的趨勢。
事實上，對於曲面質量評價，作為曲面建構、編輯、分析的一部分，CAD軟體製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體，在將採集的點雲處理成曲面後，往往需要比較點雲和設計曲線、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中對點雲與曲面的比較分析，並以不同顏色梯度表示結果。
5．ZCRMDT測量軟體的研發
國內對於測量軟體的研發相對滯後，對於需要具備數模檢測等高階功能的，一般都配套國外軟體。中國測試技術研究院測量儀器研究所（中測量儀）推出的ZCRMDT手動版測量軟體，完全的三維圖形化測量環境，支援數模匯入，測頭軌跡動態模擬，視覺化測量，檢視旋轉、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軟體對一曲面檢具進行檢測，軟體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，直到偏差在許可的範圍內。
從技術水平來看，ZCRMDT軟體作為一款手動版測量軟體，已達到或接近國外同類軟體的水平，在國內處於先進地位，同時，相對於國外軟體，具有明顯的價格優勢。目前，ZCRMDT軟體已配套於中測量儀生產的手動測量機上，被全國數十家使用者所採用，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
基於3D數模的三座標曲面檢測技術屬於一項綜合性強的高階測量技術，涉及到CAD、三座標測量機、軟體程式設計及計量等專業學科，絕非簡單一篇文章所能囊括，本文為筆者工作中對相關軟體的測試和開發經驗的一點體會，特提出與大家共同探討。隨著三座標測量技術的發展，三座標測量軟體必定會取得更加長足的進步。