三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)實(shí)測(cè)元素與數(shù)字模型最佳擬合的應(yīng)用

劉廣東，劉心宇，曹陽

（黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱 150040）

1 三坐標(biāo)檢測(cè)機(jī)工作原理及數(shù)模最佳擬合的分析

1.1 三坐標(biāo)檢測(cè)機(jī)工作原理

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作原理是，利用可觸測(cè)及的工件元素建立可標(biāo)定的坐標(biāo)系，以取點(diǎn)或掃描的方法，獲得被測(cè)工件元素在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置及相應(yīng)尺寸參數(shù)[1]，在建立的坐標(biāo)系空間內(nèi)，所有的被測(cè)工件元素都可以坐標(biāo)值的形式進(jìn)行統(tǒng)一的描述，再通過三測(cè)機(jī)的測(cè)量軟件，對(duì)已測(cè)取的工件元素進(jìn)行計(jì)算、衡量和比對(duì)，對(duì)于無法觸及的工件部位和相關(guān)尺寸，還可以利用能夠觸及到的工件元素通過構(gòu)造、擬合等方式模擬出來進(jìn)行測(cè)量。

1.2 數(shù)模最佳擬合的分析

在諸多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸要求精密的機(jī)械零部件的生產(chǎn)和檢測(cè)過程中，使用數(shù)字模型對(duì)采集的尺寸元素進(jìn)行貼合比對(duì)是最準(zhǔn)確也是最便捷的方法[2]。在使用數(shù)字模型對(duì)機(jī)械零部件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，如何使檢測(cè)程序的坐標(biāo)系與數(shù)字模型的坐標(biāo)系完美擬合、保持一致是整個(gè)檢測(cè)過程中的重中之重，本文以葉輪轉(zhuǎn)子為例，詳細(xì)闡述在使用數(shù)模檢測(cè)機(jī)械零部件過程中的坐標(biāo)系擬合和比對(duì)擬合的過程，其需要考慮的技術(shù)難點(diǎn)如下：

1）建立檢測(cè)程序與數(shù)字模型完全一致的坐標(biāo)，以此保證在數(shù)字模型上取測(cè)元素可以在實(shí)物機(jī)械零部件上精確觸測(cè)，避免發(fā)生誤測(cè)和錯(cuò)過零部件的情況。

2）建立與數(shù)字模型修正坐標(biāo)系，在后期完成所有元素的觸測(cè)取點(diǎn)后，以此坐標(biāo)系修正三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭、測(cè)針及運(yùn)動(dòng)矢量造成的失真誤差，完成近乎完美的比對(duì)工作。

2 建立最佳擬合坐標(biāo)系的測(cè)量方法

2.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量前參數(shù)調(diào)整及測(cè)針選擇

本文例舉的三級(jí)轉(zhuǎn)子工件（如圖1），葉片間距較小，選用紅寶石球徑為2 mm，測(cè)桿長度為40 mm的球形測(cè)針：1）根據(jù)三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的表面方位，選用測(cè)針角度為A0°B0°；2）由于三級(jí)轉(zhuǎn)子均布葉片間隔較小，為避免觸測(cè)時(shí)發(fā)生干涉，需要修改三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)逼近距離為0.5 mm，回退距離為0.5 mm；3）為避免測(cè)頭移動(dòng)中發(fā)生干涉，需要設(shè)置安全平面沿Z軸正方向避讓30 mm，沿Z軸正方向避讓30 mm并激活安全平面。

圖1 三級(jí)轉(zhuǎn)子

2.2 檢測(cè)坐標(biāo)系的建立

本文例舉的三級(jí)轉(zhuǎn)子產(chǎn)品（如圖2），由于需要使用數(shù)字模型進(jìn)行檢測(cè)，所以采用迭代法法建立坐標(biāo)系，定位角向以方便以后工作中的成批測(cè)量，具體編程步驟如下：

圖2 三級(jí)轉(zhuǎn)子數(shù)字模型

1）取上端面為平面1，建立第一層初始坐標(biāo)系以確定Z軸方向，標(biāo)定與數(shù)模相同的工件擺放方式，具體操作如下：

2）取上直口為圓1，任意葉片任意點(diǎn)為點(diǎn)1，并以圓1圓心和點(diǎn)1構(gòu)造出直線1，以圓1、點(diǎn)1、直線1確立第二層初始坐標(biāo)系，以此坐標(biāo)系確定XY軸方向，具體步驟如下：

3）在A1和A2坐標(biāo)系下，利用數(shù)模取點(diǎn)方式，進(jìn)行第三層精建坐標(biāo)系，以此保證實(shí)物機(jī)械零部件的坐標(biāo)系重合于數(shù)字模型坐標(biāo)系[3]，建立坐標(biāo)系元素應(yīng)與初建坐標(biāo)系相同，但為保證觸測(cè)精度，能使用三維元素的應(yīng)該使用三維元素，故將初建坐標(biāo)系中使用的圓自動(dòng)觸測(cè)為圓柱，以修正軸向采集數(shù)據(jù)，并建立精建坐標(biāo)系A(chǔ)3，具體步驟如下：

在建立A3坐標(biāo)系后，此坐標(biāo)系與數(shù)字模型坐標(biāo)系已完美重合，可以進(jìn)行所有尺寸及形位公差的測(cè)量，如圖3、圖4所示，例舉程序如下：

圖3 三級(jí)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系

圖4 三級(jí)轉(zhuǎn)子葉片取點(diǎn)

2.3 比對(duì)坐標(biāo)系的建立

在所有觸測(cè)任務(wù)結(jié)束后，為了使比對(duì)結(jié)果不失真，必須建立比對(duì)專用坐標(biāo)系，利用程序最佳擬合方式，確保定角定位與數(shù)字模型比對(duì)，具體步驟如下：

在A4、A5坐標(biāo)系下，如圖5所示，參與比對(duì)的元素可與數(shù)字模型完美擬合，觀測(cè)實(shí)物產(chǎn)品所有參數(shù)與數(shù)字模型的差距[4]。

圖5 掃描線的比對(duì)

3 結(jié)論

按照本文所述的最佳擬合數(shù)模檢測(cè)方法，可以在使用數(shù)模檢測(cè)產(chǎn)品的過程中保證實(shí)物檢測(cè)元素與數(shù)字模型的最大貼合，保證檢測(cè)結(jié)果100%不失真，確保檢測(cè)結(jié)果，本文敘述的多重坐標(biāo)系法可以應(yīng)用于所有數(shù)模參測(cè)程序中，使其情況復(fù)雜程度可無限多次迭代坐標(biāo)系直至達(dá)到最高擬合程度，在日益提高的三次元檢測(cè)工作中，提供了新的設(shè)計(jì)思路，為解決數(shù)模參測(cè)檢測(cè)方式拓展了新的方法。