王紅敏

(山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255049)

三坐標測量機系統(tǒng)控制及曲線曲面測量

王紅敏

(山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255049)

基于三坐標測量機，從測點布置和測量路徑設計出發(fā)，分析了曲線、曲面輪廓自動控制測量方法，實現(xiàn)了對各種自由曲線及曲面的測量.對凸輪、葉片等實例的分析表明，利用該方法可以快速編輯數(shù)據(jù)以進行高質量、復雜表面的模型重構，從而有效降低了由于操作人員的差異所引起的隨機誤差.該方法系統(tǒng)誤差來源單一，測量結果具有更高的置信度.

三坐標測量機；曲線；曲面；測量

三坐標測量機是機械零件信息數(shù)字化的重要檢測設備，而控制系統(tǒng)則是三坐標測量機的關鍵組成部分，計算機和電氣系統(tǒng)是整個三坐標測量機的指揮中心，該部分是控制和數(shù)據(jù)處理的關鍵部件，可通過控制三坐標測量機測量系統(tǒng)，開發(fā)各種子程序，用于測量機的測頭標定、常規(guī)產(chǎn)品零件測量、以及自由曲線和曲面連續(xù)測量等[1-3].本文主要探討基于三坐標測量機的曲線曲面測量路徑規(guī)劃與檢測.

1 測頭系統(tǒng)工作狀態(tài)控制

三坐標測量機的測頭系統(tǒng)起探測瞄準作用，測頭是由CPU控制x、y、z三軸，然后實現(xiàn)系統(tǒng)按一定算法聯(lián)動工作.從檢測的角度認為其測頭系統(tǒng)是一個高靈敏傳感器.因此對測頭的控制及實時保護也是控制系統(tǒng)的重要任務之一.圖1所示為三坐標測量機測頭工作狀態(tài)控制程序框圖，圖2為測頭旋轉及方位控制狀態(tài)圖.

圖1 測頭工作狀態(tài)控制框圖

圖2 測頭旋轉及方位控制

2 三坐標測量機測頭自動控制及測量路徑優(yōu)化設計

構成空間曲線的基本要素是直線和圓弧，因此大多數(shù)CNC測量系統(tǒng)都具有直線和圓弧插補功能.三坐標測量機的運動是在x、y、z三個方向作正交直線運動，其測量基本原理是在設計測量軌跡時，首先給出直線的起點和終點(圓弧的起點、終點、圓心)以及運動方向等，然后通過插補功能計算出起點與終點之間各測量點的坐標值.CNC自動測量是通過預先設定的測量軌跡，控制坐標測量機沿給定曲線的軌跡運動[4].自由曲面的測量通常是在一個個截面上進行，在每一截面上，曲面與它的交線為一曲線，只要測得各曲線的形狀，即可擬合出相應的曲面，從而實現(xiàn)曲線、曲面測量.

2.1 測點分布規(guī)劃

測量自由曲線、曲面時，一般采用等間距測量方法，測量中為了保證測量準確度大多會縮小測量間距，這樣必然降低測量效率，且增加后續(xù)數(shù)據(jù)處理及誤差評定等工作量.因此理想的設計方法是使測點的疏密分布隨曲線、曲面的曲率變化而變化，即曲率越大測點愈密，反之測點愈疏，從而科學地反映出待測曲線、曲面的幾何形狀信息.

根據(jù)以上理論可知，可以利用等弓高的測點分布方式進行設計與測量，即給定被測曲線測量起始點的x坐標值xi和設定固定弓高值h后，三坐標測量機對滿足兩相鄰測點曲線上的點到這兩點構成弦的最大距離(即弓高等于h)的點進行測量記錄，實現(xiàn)自動跟蹤測量，如圖3所示.這樣不僅可以提高測量精度，還可以實現(xiàn)測點的自適應合理布局.

圖3 等弓高測量

可利用如圖4所示測點自適應測量方法，即先對被測曲線進行等間距粗測，獲得初始測點pi-1、pi、pi+1、pi+2、…，然后每相鄰三點作為一組，逐點進行分析，判斷所分析的點到特定直線(該直線由與所分析的點相鄰的兩點構成)的距離hi(即弓高)是否小于或等于給定弓高值h.若滿足條件，則分析下一點；若不滿足，則在所分析的點與前一點之間進行細測和更深層次的三點劃分.重復上述過程，直至所有的測點都達到規(guī)定的精度要求.該算法既能達到等弓高的精度要求，又充分利用被測曲線的幾何特性，使得測點的分布在曲線曲率大的地方分布密，曲率小的地方分布疏，減少了不必要的冗余數(shù)據(jù).實例效果如圖5所示.

圖4 自適應測點布局設計 圖5 自適應測點樣例

2.2 工件實時檢測時測量路徑優(yōu)化

圖6所示為表面測量路徑示意圖，適用于平面盤形凸輪等的測量路徑設計.測頭在計算機控制下，先以1→2為探測方向探測點3，隨后測頭移到避障點4，再以4→5為探測方向探測點5.如此，循環(huán)反復該過程，直至結束.

測量時，由人工操作或由計算機控制，使測頭沿預先設計的路徑逐點探測被測零件表面.假定測頭初始位置在1處，為了檢測工件表面點3，一般會先快速驅動測頭到達離點3表面之法線上方較近的一點2(快速運動的目的是為了提高測量效率)，然后再沿法線方向慢慢接觸點3(慢速接觸是為了保證測量精度)，采集點3 之數(shù)據(jù)；之后快速到達點4，慢慢接觸點5，采集點5 之數(shù)據(jù)；……，如此不斷運動，逐點測量后面的點.測量完成后，測頭停在安全處8的位置 .圖中點3、5、7為探測點，點2、4、6為避障點，而2→3、4→5、6→7則為探測方向，即探測方向矢量.

圖6 表面測量路徑示例

為使測頭防撞，測量3、5、7等點時，測頭以低速沿法向前進，與工件表面接觸采集數(shù)據(jù)后，總是先在硬件控制下沿法向退回一小段距離，然后再向避障點2、4、6運動.測量中，工件輪廓的法線方向是按測得的前兩點坐標而算出，測頭按計算出的法線方向作探測運動.

基于以上理論，根據(jù)測量機的原理特點，合理布置測點，優(yōu)化測量路徑，編寫曲線、曲面的測量程序，其測量原理與模型重構步驟如圖7所示.

圖7 曲面測量及模型重構

3 測量實例

三坐標測量機自動測量控制采用上述原理采樣一點，運算一次，進給一步，使測頭從工件輪廓的某點切入，直至測量到預定位置結束.為實現(xiàn)連續(xù)測量，通常需要給定測量起點、方向點、終點及測量投影平面等，測量投影平面是與測量軌跡平行或重疊的平面.可先手動探測一點作為測量起點，再在其左或右邊附近探測一點作為方向點，然后再探測一點作為終止點以結束掃描.因本例所示為掃描一封閉曲線，故可把起點同時作為終點，不必單獨設立探測終點.此外，通常還需指定測量速度和采樣密度等參數(shù)，待所需參數(shù)設定好后，便可啟動測量程序，在計算機程序的控制下，自動完成整個軌跡的測量.

接觸式測頭測量曲面，坐標測量機給出的是測端球心的軌跡.由于測球總是有一定的半徑r，因此它是與被測曲面相距r的包絡面.在用三坐標測量機測得代表球心軌跡的曲面后，為得到所需測量的表面，應作測頭半徑補償，求出與球心軌跡構成的曲面相距r的包絡面.實現(xiàn)三維補償確定曲面法向常用的方法有微平面法、微球面法、曲面擬合法等[5-7].圖8為平面凸輪測量及測頭補償示意圖.

圖8 平面凸輪測量及測頭補償

逐點測量部分程序如下：

BEGIN

PRB(1);CAR;ANGDEG;SYS(MCS);OUTNO

OUTSET(X,Y,Z)

DEV(PRINTER,SCR)

PCNT;DCM(3);DMIS;MM;NCOMP

PNT(LI,2);PNT(CI,4);PNT(PL,4)

PNT(CO,6);PNT(SP,5);PNT(CY,6)

POSVEL(50);POSACC(50);POSDEC(50);

MESVEL(30);FLY(10.000);PREH(4.000);

SEARCH(10.000);RET(3.000);THICKNESS(0.000);

INIT(PROBES,SYSTEMS,ELEMENTS,PRINTER)

LOAD("C∶WINMEILQUA.QUA")

NUM1=1.5

STR1=INPUT("創(chuàng)建文件名 ")

OPEN(1,"C∶WINMEIL"+STR1+".TXT",WRITE)

!!STARTINGPOINT

PO1=POINT(0,0,0,0,0,0)

!!ENDINGPOINT

PO3=POINT(0,0,0,0,0,0)

!

STIP=INPUT("掃描步長 ")

!

CNC

!MACRO

PNT(PL,4)

DIR(PO1[I],PO1[J],PO1[K])

…

本文以意大利Coord3公司的ARES10.7.5型三坐標測量機為基礎，根據(jù)測量機的原理及特點，合理布置測點，優(yōu)化測量路徑，編制曲面測量程序，將相應的曲線、曲面檢測方法，編輯成獨立的通用性強、可供調用的子程序，輕松實現(xiàn)曲線、曲面快速測量，并且方便與其它CAD軟件進行數(shù)據(jù)交換與銜接.測量流程、輸出文件格式及相關實例如圖9和10所示.

圖9 曲面測量流程及數(shù)據(jù)輸出

圖10 某葉片表面點云、表面輪廓及實體模型

附：曲面測量部分程序

BEGIN

WAIT("======曲面測量軟件=======")

OUTNO

NCOMP

NEWSYS(WSCAN)

TOOLCO=INPUT("測頭號?")

PRB(TOOLCO)

STR3=INPUT("輸出文件名")

DIS1=0

WHILE (DIS1 <=0)

DIS1=INPUT("接近距離?")

ENDWHILE

PREH(DIS1); RET(DIS1); SEARCH(100)

SCAPL=-1

WHILE((SCAPL<0) OR (SCAPL >2))

SCAPL=INPUT("掃描曲面位于哪個平面上,輸入∶ [0]--XY, [1]--YZ, [2]--ZX?")

SCAPL=RND(SCAPL)

ENDWHILE

…

4 結束語

本文基于三坐標測量機，從測點布置和測量路徑設計出發(fā)，分析了曲線、曲面輪廓自動控制測量，且以凸輪、葉片等實例加以驗證，其特點如下：(1)利用已知的測量點通過曲線外延插值，預測未知的下一點，實現(xiàn)了自動跟蹤未知CAD模型的表面測量.(2)利用三坐標測量機和各種逆向工程產(chǎn)品軟件銜接，快速編輯數(shù)據(jù)，重構出復雜的、高質量外形表面.通過控制表面邊界，自動形成符合公差規(guī)定的平滑、多面塊曲面，保證了相鄰表面之間銜接的平滑與連續(xù)，從而實現(xiàn)對各種自由曲面的測量，以利于產(chǎn)品設計開發(fā)、開展逆向工程和快速原型制造.

[1] 陳鋒，邴智剛，李尚會，等.實現(xiàn)超長零件測量的三坐標測量機輔助設備研制及檢測方法研究[J]. 機電工程，2013(7) : 820-823.

[2] 史堯臣，張學忱，侯躍謙，等.減速器蓋逆向造型與三維數(shù)字化檢測[J]. 長春大學學報， 2010(12) : 11-13.

[3] 楊欣榮，韓德印.逆向工程在測量葉型板過程中的應用[J]. 機械工程師， 2012(3) : 66-67.

[4] 姚兵，陳軍.基于CMM的復雜曲面數(shù)據(jù)測量規(guī)劃研究[J]. 機床與液壓， 2012(3) : 77-79.

[5] 王紅敏，孫殿柱，張志誠. 基于CMM的曲面檢測技術與測頭半徑補償[J]. 工具技術， 2006,40(10) : 77-80.

[6] 王紅敏.三坐標測量機測頭半徑補償技術及應用[J]. 制造技術與機床， 2010(6) : 109-112.

[7] 王紅敏. 基于三坐標測量機的凸輪測量技術研究[J]. 制造技術與機床， 2009(9) : 21-24.

(編輯：郝秀清)

Automatic control of coordinate measuring machineand measurement of curve and surface

WANG Hong-min

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Based on three coordinate measuring machine, the automatic control measurement of the curve and surface profile are analyzed by the measuring point distribution and the path design, and the measurement of various curves and surface is realized. Analysis of cam, leaves, and other examples show that using the method can quickly edit data so as to carry out high quality and complex surface of model reconstruction, then decrease the random error caused by the difference operator. The error source of the method is single and the measurement results have higher confidence.

coordinate measuring machine(CMM); curve; surface; measurement

2014-11-21

王紅敏，女，yswhm@126.com

1672-6197(2015)06-0050-04

TP

A