三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)應(yīng)用淺析

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以進(jìn)行零件和部件的尺寸、形狀及相互位置的檢測(cè)，例如箱體、導(dǎo)軌、渦輪和葉片、缸體、凸輪以及形體等空間型面的測(cè)量，此外還可以用于劃線、定中心孔和光刻集成線路等，并可對(duì)連續(xù)曲面進(jìn)行掃描及制備數(shù)控機(jī)床的加工程序等，具有通用性強(qiáng)、測(cè)量范圍大、精度高、效率高、性能好以及能與柔性制造系統(tǒng)相連接等優(yōu)點(diǎn)。

設(shè)計(jì)基準(zhǔn)：用于建立坐標(biāo)系元素

坐標(biāo)原點(diǎn)：一般通過構(gòu)造獲得

檢測(cè)內(nèi)容：需要測(cè)量元素，以及應(yīng)用這些元素進(jìn)行形位公差評(píng)價(jià)

其他：工件擺放位置、測(cè)頭角度以及測(cè)針大小/長短

綜合分析圖樣

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)主要是比較被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量并將比較結(jié)果用數(shù)值表示出來。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)需要3個(gè)方向的標(biāo)準(zhǔn)器(標(biāo)尺)，利用導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)沿相應(yīng)方向的運(yùn)動(dòng)，還需要三維測(cè)頭對(duì)被測(cè)量進(jìn)行探測(cè)和瞄準(zhǔn)。此外，測(cè)量機(jī)還具有數(shù)據(jù)處理和自動(dòng)檢測(cè)等功能，需要相應(yīng)的電氣控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)軟硬件來實(shí)現(xiàn)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量步驟如圖1所示。

圖1  零件測(cè)量流程

坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在制造工程中的應(yīng)用

1.建立坐標(biāo)系(以車身為例)

測(cè)量的目的是驗(yàn)證產(chǎn)品是否符合設(shè)計(jì)要求，并且輸出偏差量，以作為整改的參照。要做到這一點(diǎn)，必須建立在統(tǒng)一基準(zhǔn)的前提下，所以車身骨架坐標(biāo)系的建立必須與設(shè)計(jì)/制造基準(zhǔn)統(tǒng)一。

測(cè)量支架是測(cè)量輔助工裝，能夠準(zhǔn)確重復(fù)測(cè)量，提高測(cè)量一致性，比如奇瑞某車型設(shè)計(jì)定義基準(zhǔn)為前后縱梁四孔(見圖2)，坐標(biāo)值為：Φ30(-370，±510，169)，Φ25(2400，±440，108)。設(shè)計(jì)步驟如下：根據(jù)車身理論坐標(biāo)，設(shè)計(jì)測(cè)量支架(見圖3);測(cè)量支架安裝(見圖4);測(cè)量支架檢驗(yàn)-創(chuàng)建坐標(biāo)系1(見圖5)。坐標(biāo)系1的構(gòu)造面如下：通過(1，2，3，4);構(gòu)造直線(1，3)或者(2，4);原點(diǎn)用右前銷。再通過右前銷實(shí)際坐標(biāo)值進(jìn)行偏置平移，車身坐標(biāo)系建成。測(cè)量其他3個(gè)定位銷進(jìn)行檢查調(diào)整，直至符合精度要求。保存基準(zhǔn)，測(cè)量車身時(shí)調(diào)用。

圖2  奇瑞某車型測(cè)量支架

2.特征測(cè)量(手動(dòng))

(1)手動(dòng)測(cè)量面(見圖6)

①確認(rèn)從工具欄選用手動(dòng)模式。

②利用手操盒把測(cè)頭運(yùn)動(dòng)到平面的第一點(diǎn)附近，然后低速驅(qū)動(dòng)讓測(cè)頭與表面接觸,記錄下觸測(cè)位置。確定一個(gè)平面的最少點(diǎn)數(shù)為3點(diǎn)。對(duì)余下的點(diǎn)重復(fù)上述過程，若有壞點(diǎn)，則刪去重測(cè)。

③采點(diǎn)完成時(shí)，在鍵盤上按“終止”(END)鍵或手操盒上“完成”(DONE)鍵。

④PC-DMIS誤認(rèn)平面為圓，可通過如下3種方法進(jìn)行操作：在編輯選項(xiàng)中，選“替代推測(cè)”，然后定義為平面;用“CTRL+D”刪去此元素，并重新采點(diǎn)，注意點(diǎn)的分布;通過視圖工具欄打開“測(cè)定值”快捷菜單，選擇測(cè)量“平面”然后進(jìn)行測(cè)量，即在測(cè)量元素之前，先告訴PC-DMIS將要進(jìn)行平面的測(cè)量。

(2)手動(dòng)測(cè)量球(見圖7)

①確認(rèn)從工具欄中選用了手動(dòng)模式。

②測(cè)量球類似于測(cè)量圓，但在頂部測(cè)一點(diǎn)，這樣PC-DMIS會(huì)作球的計(jì)算而不是作圓的計(jì)算。PC-DMIS測(cè)球的最少點(diǎn)數(shù)為4，而且其中一點(diǎn)要在頂部。

③當(dāng)所有點(diǎn)己采集，則在鍵盤上按“終止”鍵或在手操盒上按“完成”鍵。

3.特征測(cè)量(自動(dòng))

(1)圓槽的測(cè)量

如果輸入的測(cè)點(diǎn)數(shù)為奇數(shù)，PC-DMIS將自動(dòng)在該值上加1。這樣，測(cè)量槽時(shí)使用的測(cè)點(diǎn)數(shù)就是偶數(shù)。在槽兩端的半圓上將各采一半的點(diǎn)，至少需要6個(gè)測(cè)點(diǎn)(見圖8)。

4.同軸度的測(cè)量

基準(zhǔn)圓柱與被測(cè)圓柱(較短)距離較遠(yuǎn)時(shí)不能用測(cè)量軟件直接求得，通常采用公共軸線法、直線度法和求距法。

(1)公共軸線法

在被測(cè)元素和基準(zhǔn)元素上測(cè)量多個(gè)橫截面的圓，將這些圓的圓心構(gòu)造一條3D直線，作為公共軸線，每個(gè)圓的直徑可以不一致，然后分別計(jì)算基準(zhǔn)圓柱和被測(cè)圓柱對(duì)公共軸線的同軸度，取其最大值作為該零件的同軸度。這條公共軸線近似于一個(gè)模擬心軸，因此這種方法接近于零件的實(shí)際裝配過程。

(2)直線度法

在被測(cè)元素和基準(zhǔn)元素上測(cè)量多個(gè)橫截面的圓，然后選擇這幾個(gè)圓構(gòu)造一條3D直線，同軸度近似為直線度的兩倍。被收集的圓在測(cè)量時(shí)最好測(cè)量其整圓，如果是在一個(gè)扇形上測(cè)量，則測(cè)量軟件計(jì)算出來的偏差可能很大。

(3)求距法

同軸度為被測(cè)元素和基準(zhǔn)元素軸線間最大距離的兩倍。即用關(guān)系計(jì)算出被測(cè)元素和基準(zhǔn)元素的最大距離后，將其乘以2即可。求距法在計(jì)算最大距離時(shí)要將其投影到一個(gè)平面上來計(jì)算，因此這個(gè)平面與用作基準(zhǔn)的軸的垂直度要好。這種情況比較適合測(cè)量同心度。

(4)案例分析，評(píng)價(jià)￠100和￠300的同軸度

①公共軸線法：在孔￠100上測(cè)量多個(gè)圓，在孔￠300上測(cè)量多個(gè)圓，把這些圓心以最佳擬合的方法求得一根軸線;再以孔￠100與孔￠280的軸線與公共軸線分別進(jìn)行同軸度的評(píng)價(jià)，以兩者的最大值為測(cè)量結(jié)果。

②外端內(nèi)端法：在外端面測(cè)量兩圓，在內(nèi)端面測(cè)量兩圓;以內(nèi)端兩圓的圓心構(gòu)成一條軸線，以外端兩圓構(gòu)成一條軸線，進(jìn)行評(píng)價(jià)。

5.車身焊接夾具檢測(cè)

在車身焊接夾具檢測(cè)中，通常使用夾具數(shù)模和車身鈑金件數(shù)模。使用夾具設(shè)計(jì)的數(shù)模測(cè)量時(shí)與實(shí)際的夾具具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，測(cè)量的結(jié)果一目了然，測(cè)量時(shí)只需考慮測(cè)頭半徑補(bǔ)償就可以了。若用車身設(shè)計(jì)時(shí)鈑金件數(shù)模來檢測(cè)車身焊接夾具，既可以檢測(cè)夾具的制造精度，同時(shí)還可以檢測(cè)車身夾具在設(shè)計(jì)時(shí)候出現(xiàn)的不可避免的錯(cuò)誤，可謂是一舉兩得，但是需要考慮各種因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。在檢測(cè)夾具時(shí)，利用測(cè)量軟件中自動(dòng)查找理論值的功能，自動(dòng)和夾具設(shè)計(jì)的數(shù)?；蜍嚿礅k金件數(shù)模進(jìn)行適時(shí)比較，計(jì)算出被測(cè)物體的偏差值。

(1)利用車身鈑金件數(shù)模測(cè)量

利用車身鈑金件數(shù)模的時(shí)候，考慮到鈑金件的料厚以及夾具定位銷和鈑金件孔的相互關(guān)系，其料厚的補(bǔ)償數(shù)值和方向是根據(jù)車身鈑金件和夾具定位元件相對(duì)于測(cè)頭的位置來判斷的。

①測(cè)量夾具定位元件時(shí)，夾具的定位元件就是鈑金件的理論平面的時(shí)候，因測(cè)頭可以穿過理論的數(shù)模，料厚補(bǔ)償為零，無需料厚補(bǔ)償。

②測(cè)量夾具定位元件時(shí)，夾具的定位元件與鈑金件的理論平面相差一個(gè)料厚的時(shí)候，因測(cè)頭不可以穿過理論的數(shù)模，料厚補(bǔ)償為負(fù)值。

③在實(shí)際的檢測(cè)過程中，當(dāng)料厚的補(bǔ)償數(shù)值大于測(cè)頭半徑的時(shí)候，測(cè)頭的半徑補(bǔ)償方向和數(shù)值會(huì)出現(xiàn)紊亂的現(xiàn)象，若選用大于料厚的測(cè)頭半徑，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)測(cè)量手法引起的余弦誤差，頻繁更換測(cè)頭也不現(xiàn)實(shí)。因此當(dāng)補(bǔ)償?shù)牧虾翊笥跍y(cè)頭半徑的時(shí)候，將測(cè)頭的半徑補(bǔ)償關(guān)閉，料厚的補(bǔ)償數(shù)值繼續(xù)設(shè)置，此時(shí)，設(shè)置料厚的時(shí)候考慮測(cè)頭的半徑補(bǔ)償，然后繼續(xù)后續(xù)的測(cè)量，經(jīng)過這樣的設(shè)置，上述情況消除。

(2)測(cè)量夾具定位銷

①夾具的定位銷是直銷，而鈑金件和銷子是垂直的(見圖9)，此時(shí)鈑金件的中心值和夾具定位銷的中心值完全一樣，測(cè)量定位銷的時(shí)候，取其鈑金件孔的理論值即可。若是夾具設(shè)計(jì)的數(shù)模，直接在夾具的數(shù)模上取值后測(cè)量圓柱即可。

②夾具的定位銷是傾斜的，即與坐標(biāo)平面成一角度，但是銷子相對(duì)鈑金件所在的平面是垂直的(見圖10)，如果是夾具的設(shè)計(jì)數(shù)模，首先應(yīng)該自動(dòng)測(cè)量一個(gè)圓柱，再評(píng)價(jià)圓柱的軸線與夾具的基準(zhǔn)面的角度，其銷子的角度應(yīng)該滿足夾具定位銷的設(shè)計(jì)公差±5°的要求。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在逆向工程中的應(yīng)用

1.應(yīng)用接觸式測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理

(1)測(cè)點(diǎn)分布

①測(cè)點(diǎn)分布由表面形狀特征決定 這種情況下具體測(cè)點(diǎn)的采樣位置在表面形狀的等高線上或在表面形狀的特性曲線上，“不規(guī)則”測(cè)點(diǎn)的分布根據(jù)表面形狀曲率的大小決定，曲率大則測(cè)點(diǎn)多，曲率小則測(cè)點(diǎn)少。

②測(cè)點(diǎn)位置分布和表面形狀無關(guān) 這種情況下具體測(cè)點(diǎn)的采樣位置在表面形狀的平行截面上或者等間距的情況下采樣。測(cè)點(diǎn)根據(jù)一定順序進(jìn)行。

(2)測(cè)量數(shù)據(jù)中的異常點(diǎn)的剔除

①直接觀察法 用肉眼直接將與截面數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離較大的、與測(cè)量順序連線有突然變化或相差較大的和存在于屏幕上的孤點(diǎn)剔除。

②曲線檢查法 對(duì)截面數(shù)據(jù)點(diǎn)重合得到一條曲線。根據(jù)曲線的光順情況，剔出曲線上的偏差較大點(diǎn)。

③弦高差方法 連接檢查點(diǎn)的前后兩點(diǎn)，計(jì)算弦高，若大于給定的允差，則剔除該點(diǎn)。

(3)測(cè)量數(shù)據(jù)的球形測(cè)頭半徑補(bǔ)償

當(dāng)反求模型的精度要求較高時(shí)，應(yīng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)頭補(bǔ)償，否則重建的模型將在尺寸上與被測(cè)值有偏差。

(4)測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換

每一個(gè)CAD系統(tǒng)都有自己的數(shù)據(jù)文件,數(shù)據(jù)文件格式與每個(gè)CAD系統(tǒng)自己的內(nèi)部數(shù)據(jù)模式密切相關(guān)。常用的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)有IGES標(biāo)準(zhǔn)、STEP標(biāo)準(zhǔn)以及DXF、ASCII等。

其中IGES數(shù)據(jù)格式能被大多數(shù)CAD/CAM軟件所接受。通過編寫數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換器完成從三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)數(shù)據(jù)格式到IGES數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，對(duì)測(cè)量機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)編輯、IGES數(shù)據(jù)編輯等功能。

(5)測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的編輯

對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的編輯主要是對(duì)測(cè)量點(diǎn)云的分割、復(fù)制、刪改、分塊、對(duì)齊和定位等。

2.非接觸式測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理

(1)貼參考點(diǎn) 為了獲取物體空間完整的掃描點(diǎn)云，必須在被測(cè)物體表面貼一些參考點(diǎn)，參考點(diǎn)可以將物體上的點(diǎn)緊密聯(lián)系在一個(gè)坐標(biāo)系里。在曲面較平坦的區(qū)域可以稀疏一些，而在曲率變化較大的區(qū)域可以密集一些。

(2)創(chuàng)建坐標(biāo)系 將兩根標(biāo)準(zhǔn)棒和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)原點(diǎn)放在被測(cè)物體表面，該棒是經(jīng)過嚴(yán)格校定過的，通過此棒將空間的點(diǎn)緊密聯(lián)系在一個(gè)指定的坐標(biāo)系下。

(3)找出定位基準(zhǔn)，建立測(cè)量坐標(biāo)系 在被測(cè)物體的數(shù)模上選擇出定位的基準(zhǔn)孔，然后在被測(cè)物體上也選擇同樣的基準(zhǔn)孔定位并建立測(cè)量坐標(biāo)系。

在測(cè)量的過程中，多視點(diǎn)云對(duì)齊時(shí)，可人工干預(yù)參考點(diǎn)的選取，最大限度地提高測(cè)量精度。出現(xiàn)點(diǎn)云對(duì)齊錯(cuò)誤時(shí)，應(yīng)刪去錯(cuò)誤點(diǎn)云及相應(yīng)拾取的錯(cuò)誤參考點(diǎn)，重新進(jìn)行測(cè)量。需要注意被測(cè)件的邊界。邊界點(diǎn)云可能不夠完整，因此在測(cè)量的過程中應(yīng)注意對(duì)邊界的測(cè)量。

結(jié)語

隨著汽車制造業(yè)的不斷發(fā)展，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為現(xiàn)代化大型精密儀器，具有通用性強(qiáng)、測(cè)量精度可靠，方便實(shí)現(xiàn)物體空間坐標(biāo)三維尺寸、輪廓等數(shù)據(jù)的測(cè)量及處理等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，將成為汽車工業(yè)及整個(gè)制造業(yè)領(lǐng)域不可缺少的主要組成部分。