便攜式三坐標測量儀坐標對齊方法研究

孟翔鵬

摘 要：飛機制造裝配過程中為滿足精密嚴格的制造要求，需要對各部位零件、部件進行幾何形狀、公差、材料變形、強度等一系列檢測，以達到生產要求。同時在制造階段我們需要通過這些數字化檢測數據，進一步與設計三維數據進行全面分析比對，尋找適應生產要求的最佳設計解決方案。文章通過介紹便攜式三坐標測量儀的相關應用原理，使用過程等，提出全新的逆向掃描數據與實際零部件的坐標對齊方式，進而完成掃描數據與設計三維數模的比對分析，為設計制造過程提供必要的檢測依據。

關鍵詞：逆向掃描；HandyPROBE；光筆；靶點；Metrolog；C-track

中圖分類號：TH72 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）27-0064-02

引言

目前國內飛機裝配定位仍然以型架為主，通過定位裝置對飛機站位基準進行定位，但在裝配過程中仍然存在較多定位不準、不協調的問題。因此，通過逆向技術手段解決此類問題是目前較為主流的解決方案之一，通過逆向掃描和檢測設備，能夠對部件進行數字化實際狀態重構，通過與理論數據進行比對，找到問題產生原因，解決部件裝配質量問題，從而不斷提升產品質量。

目前，以激光跟蹤儀、激光雷達、IGPS（IndoorGlobal Positioning System）、攝影測量、便攜式坐標測量（Portable Coordinate Measurement Ma-chine，PCMM）等為代表的零部件光電檢測方法發展十分迅猛，在飛機整體生產裝配過程中扮演著越來越重要的角色，但以上設備和方法在較為復雜的裝配環境下都存在一定的局限性，無法對形狀復雜、幾何特征多的部件進行檢測，缺少有效地實物與理論的檢測對比。根據實際情況分析和篩選，三坐標測量儀配合逆向掃描設備及相關處理軟件能夠較為全面的完成包括逆向數據采集、逆向檢測、逆向數據結果分析等功能，能夠滿足當前條件下的檢測要求。其中被測物與設備測量空間坐標轉換是其中最為關鍵的一環，只有兩者坐標重合，相關檢測結果才能被使用。

本文將著重介紹三坐標測量儀在檢測過程中的幾種空間坐標對齊方法，以滿足不同條件下的零部件檢測需求。

1 相關設備軟件介紹

便攜式三坐標測量儀，是一種用來實現形狀位置公差檢測的手持式逆向檢測設備。由HandyPROBE手持式三坐標測量儀，C-TRACK數據采集器，數據接口盒，處理軟件Metrology等部件組成，最后采用CATIA軟件進行檢測結果分析。

2 坐標對齊方法

通過掃描設備獲取被掃描件數據后，需要將被掃描件和設備空間坐標進行對齊重合，根據被掃描件的特征和實際情況，可分為三點對齊法、兩點一面對齊法和掃描定位點對齊法。

2.1 三點對齊

利用被掃描件本身的三個不處于同一直線上的點進行定位，實現兩個空間的坐標對接。但通常情況下，三點特征需要通過其他幾何特征間接獲得，如圓錐、圓柱、棱線交點等特征的中心，通過構造命令，實現三點對齊中點的提取要求。

對于無法通過提取幾何特征得到坐標對齊三點的被掃描件，可以人工添加幾何特征實現點位的提取。本文采取的辦法是利用三個圓柱形靶點代替原始幾何特征，實現坐標空間對齊。具體過程如下：

（1）將三個圓柱形靶點按近似非等腰直角三角形的形狀放置于被測物之上，將靶點與被測物一同進行逆向掃描。

（2）使用CATIA軟件中的QSR和DSE逆向模塊對圓柱形靶點進行逆向建模。

（3）使用逆向檢測軟件Metrolog導入靶點模型，使用“創建圓——測量”命令，依次選擇圓柱形靶點頂面3點和測量3點，自動生成圓柱端面圓分別命名為CIR1，CIR2，CIR3。

（4）在逆向檢測軟件中的坐標對齊方式選擇“三點對齊”命令，依次選擇CIR1，CIR2，CIR3，點擊確認，完成兩者空間坐標對齊。

2.2 一面兩點對齊

如圖1所示，該零件具備兩處圓柱形定位基準，且對應基準面為平面，此類零件的檢測方法可以采用兩點一面坐標對齊方式完成。

圖1 被測零件掃描結果

通過三坐標測量儀提取了包括圓柱基準、腹板面、定位標點等信息，坐標對齊具體過程為：

（1）使用三坐標測量儀提取相關基準信息，即兩個定位點和一個腹板面。

（2）將新創建的基準信息重新定義空間坐標位置，雙擊基準信息，在命令框中為創建的基準信息添加CAD模型的對應基準坐標信息。

（3）在軟件內選擇兩點一面坐標對齊命令，完成坐標對齊。

如圖2中點位即為三坐標測量提取的測量點位，待CAD模型與測量點位空間坐標重合后，即可檢測具體偏差數值。需要注意的是，三坐標測量儀的定位標點在選擇時，應使用動態模式，這樣無論如何移動被測零件，定位標點與被測零件空間相對位置都不會發生變化，測量結果較為準確。

2.3 定位標點對齊

在無法得到被測零件表面的定位標點或標點出現脫落時，可以采用前面提到的方法進行坐標對齊，但過程相對復雜。當可以通過逆向掃描設備獲得定位標點時，可以使用定位標點坐標對齊法，快速完成坐標對齊。具體過程如下：

（1）在掃描實物完成后，將定位標點導出并保存。

（2）打開Metrolog，在右側設備圖標位置鼠標右擊選擇“打開定位標點”，選擇已經獲得的定位標點文件，確定后即可完成坐標對齊。

3 CATIA逆向模塊分析

通過以上坐標對齊方法，能夠實現被測實物與檢測設備的空間重合，這是逆向檢測方法極為重要的一環，但后續的檢測數據與理論數據的全面分析才是為制造生產部門所需要的，據此可以實現產品加工工藝的提升、裝配質量的改善。如圖3所示，該零件中間部分負差較高，部分位置超過2mm，邊角處正差較高，最大達到13mm。

4 結束語

本文從三坐標測量儀入手，根據生產加工實際需求，提出了針對不同類型零件和條件的空間坐標對齊方法，將逆向掃描、逆向檢測、逆向對比分析的全流程打通，擴大了逆向檢測的應用范圍，并有效改善了檢測精度，滿足了生產裝配需求，為改進生產流程，提升工藝質量提供了必要的依據。

參考文獻：

[1]唐圣彪，屠大維.激光同步掃描三角測距成像系統的理論分析[J].光電子·激光，2001，6.

[2]劉勝蘭，羅志光，譚高山，等.飛機復雜裝配部件三維數字化綜合測量與評估方法[J].航空學報，2013，1.

[3]王洪廣，孟祥忠.溫度對三坐標測量機影響的技術研究[J].科技創新與應用，2015（14）：5-6.endprint