賈敏 薛安勃 孫建輝 趙朝雄

摘 ? 要：在使用三坐標(biāo)測量機測量輪廓度的過程中，我們往往需要導(dǎo)入3D模型與實際測量數(shù)據(jù)點位進(jìn)行匹配，通過實際與理論相比對獲得輪廓度偏差值。這個計算過程輸出有兩個選擇，那就是最佳擬合和基準(zhǔn)擬合，本文通過對基準(zhǔn)特征對齊分析方法、最佳擬合分析方法的具體論述，結(jié)合典型案例，提出了基準(zhǔn)對齊分析和最佳擬合數(shù)據(jù)分析方法的適用性范圍。

關(guān)鍵詞：基準(zhǔn)特征對齊 ?最佳擬合對齊 ?內(nèi)基準(zhǔn) ?外基準(zhǔn)

中圖分類號：O241 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（a）-0072-02

在常見的測量案例中，基準(zhǔn)對齊分析方法的應(yīng)用更為普遍，原因在于，從加工制造角度看，其數(shù)據(jù)分析思路與產(chǎn)品制造思路如出一轍，按部就班從建立初始基準(zhǔn)出發(fā)，來判斷后續(xù)待測特征與數(shù)模的偏離狀態(tài)。就此而言其數(shù)據(jù)分析結(jié)果更具有說服力。最佳擬合分析則僅在自由曲面分析等領(lǐng)域有所應(yīng)用并沒有被業(yè)界所廣泛接受，但是最佳擬合數(shù)據(jù)分析是否真的一無是處或者適用性低尚有待論證，本文對這兩種數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行深入的討論和研究[1]。

1 ?基準(zhǔn)對齊數(shù)據(jù)分析簡介

基準(zhǔn)特征對齊，顧名思義可理解為，在整個測量工程中將所有被測要素以及基準(zhǔn)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行采集獲取，將數(shù)據(jù)包在分析軟件下進(jìn)行對齊分析，將數(shù)據(jù)包中的基準(zhǔn)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行辨別和分類，保證基準(zhǔn)特征與所有被測數(shù)據(jù)相對位置保持不變的前提下，將基準(zhǔn)特征數(shù)據(jù)和與之進(jìn)行對比分析的數(shù)模相應(yīng)基準(zhǔn)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行對齊，并在此對齊基礎(chǔ)上觀察其他所有被測數(shù)據(jù)與數(shù)模相應(yīng)位置的數(shù)據(jù)偏差?！盎鶞?zhǔn)特征對齊”主要用于有規(guī)則外形的零件，通過創(chuàng)建在CAD 模型和點云上對應(yīng)的基準(zhǔn)或特征的擬合，達(dá)到CAD模型和點云的整體對齊[2]。

2 ?最佳擬合數(shù)據(jù)分析簡介

最佳擬合，同樣在測量工程前期需將所有被測要素以及基準(zhǔn)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集獲取，后期將數(shù)據(jù)包在分析軟件下進(jìn)行對齊分析，將數(shù)據(jù)包中的基準(zhǔn)特征數(shù)據(jù)與被測數(shù)據(jù)進(jìn)行辨別和分類，保證基準(zhǔn)特征與所有被測數(shù)據(jù)相對位置保持不變的前提下，將所有被測數(shù)據(jù)和與之進(jìn)行對比分析的數(shù)模相應(yīng)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳擬合。最佳擬合方式的原理是先求出點云數(shù)據(jù)的質(zhì)心、最小慣性主軸，再使其與CAD模型的質(zhì)心、最小慣性主軸擬合，進(jìn)行曲面匹配[3]。并在此對齊基礎(chǔ)上觀察所有被測數(shù)據(jù)與數(shù)模相應(yīng)位置的數(shù)據(jù)偏差。

3 ?基準(zhǔn)對齊、最佳擬合數(shù)據(jù)分析方法適應(yīng)性分析

從對最佳擬合的解釋當(dāng)中可以發(fā)現(xiàn)，采集的基準(zhǔn)特征數(shù)據(jù)自始至終并沒有讓其參與分析運算。但是，在極端情況下，假設(shè)整個制造過程包括數(shù)控編程在內(nèi)沒有加工誤差產(chǎn)生，按部就班依據(jù)加工基準(zhǔn)孔進(jìn)行制造加工，那么無論是基準(zhǔn)對齊還是最佳擬合，其分析結(jié)果最終都應(yīng)該是殊途同歸。只不過從生產(chǎn)制造角度而言，基準(zhǔn)對齊反映的是整個制造對象包括加工基準(zhǔn)孔與加工型面在內(nèi)與數(shù)模的實際符合狀態(tài)，此種方法是將基準(zhǔn)特征作為首要考慮對象。而最佳擬合則反映的是實際加工型面與數(shù)模的符合程度，此種方法則是將實際使用型面為首要考慮對象。在了解這些之后，再進(jìn)行分類考慮。

實際生產(chǎn)當(dāng)中，最終使用要求不同，其加工方法也會有所改變。接下來以一幅簡單的分析案例為例來進(jìn)行說明：

圖中分別為R25以及R22.5的兩個圓，可以認(rèn)為圖紙要求為制造R25的圓，但實際制造為R22.5的圓，要求公差為±3，下方兩個小圓分別為數(shù)模中與實際制造時的加工基準(zhǔn)孔。

如果基準(zhǔn)孔自身只是為了加工圓而產(chǎn)生，且無后期裝配需求，無位置度需求，最終會被打磨或者去除。則認(rèn)為可以使用最佳擬合進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，且分析結(jié)果為合格，滿足公差要求，如圖1。

如果基準(zhǔn)孔自身有后期裝配需求，且有位置度需求，則此種情況下應(yīng)使用基準(zhǔn)對齊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析結(jié)果為不合格，不滿足公差要求（如圖2）。

從以上案例可知，生產(chǎn)制造可大致分為下面兩類。一類是，裝配過程、被測要素之間有位置度要求的工件，這些都是對基準(zhǔn)有較高要求的制造種類。另一類是，被測要素之間無位置度要求且僅需要對外形符合程度進(jìn)行判斷的工件。為了更好地對這兩類零件進(jìn)行區(qū)分，現(xiàn)在引入兩個全新的概念，即外基準(zhǔn)和內(nèi)基準(zhǔn)。

擁有內(nèi)基準(zhǔn)的典型工程案例如裝配型架（見圖3），裝配型架主要用于飛機零件的裝配，主要是由骨架和定位器有機連接起來。骨架主要選用梁、桿等，型架材料一般采用方鋼或者矩鋼，根據(jù)零件特點亦采用其它型材。而無論是裝配型架亦或是其他的裝配而言，從基準(zhǔn)開始往后都是環(huán)環(huán)相扣的整體，其基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性會直接影響到后邊每一個環(huán)節(jié)的精度。而這也恰恰是對基準(zhǔn)對齊適用性以及側(cè)重性最好的詮釋。

擁有外基準(zhǔn)的典型工程案例如模具（見圖4），模具因其自身特性，以及制造過程特性，經(jīng)常會出現(xiàn)加工基準(zhǔn)特征對齊時型面與數(shù)模的符合程度超差（如果基準(zhǔn)特征對齊時型面數(shù)據(jù)與數(shù)模的符合程度滿足公差要求，即說明此工程加工時基準(zhǔn)特征與型面的相對位置與數(shù)模一致性很高，最佳擬合針對基準(zhǔn)特征對齊時型面與數(shù)模相應(yīng)位置發(fā)生規(guī)律性偏離的情況），但是經(jīng)過一定的旋轉(zhuǎn)平移之后型面滿足公差要求，但此時加工基準(zhǔn)特征已經(jīng)發(fā)生不同程度偏離。此種情況能否認(rèn)定模具加工不合格，顯然不能，因為模具自身最終使用的僅僅是型面部分，加工基準(zhǔn)的偏離并不會對后續(xù)使用產(chǎn)生影響，當(dāng)加工基準(zhǔn)與型面的相對位置與數(shù)模發(fā)生矛盾時，通常都會選擇進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平移（最佳擬合）以找到加工型面的真實狀態(tài)。但是對于模具而言僅僅考慮這些尚且不足。

下文分析將以模具作為外基準(zhǔn)的典型來進(jìn)行論證。模具是一種工業(yè)產(chǎn)品，運行中通過一定的方式，以某種特定的結(jié)構(gòu)形式使材料成型[4]。模具除了型面外一般還會存在零件線以及各類孔等加工要素，在這種情況下，如果對型面進(jìn)行最佳擬合，零件線以及各類孔的位置也會隨型進(jìn)行偏離（最佳擬合的本質(zhì)是通過對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法運算找到最佳狀態(tài)，即適當(dāng)平移旋轉(zhuǎn)）。但是這是否能夠說明模具不適用最佳擬合，恰恰不能，回到模具自身進(jìn)行分析，對于模具而言其型面的正確性是首要的，而附著在型面上的零件線和各類孔的精確度則需要在保證型面正確的前提下才有實際意義，從這一點而言，模具型面為實際意義上的基準(zhǔn)，即潛在的內(nèi)基準(zhǔn)，加工基準(zhǔn)特征為外基準(zhǔn)。如果外基準(zhǔn)與潛在內(nèi)基準(zhǔn)發(fā)生沖突時，則應(yīng)該選擇優(yōu)先保證內(nèi)基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性，并且在潛在內(nèi)基準(zhǔn)找到真實狀態(tài)時反出外基準(zhǔn)的實際值再進(jìn)行后續(xù)的刻線以及打孔工序。

4 ?結(jié)語

綜上所述，可以對基準(zhǔn)對齊分析和最佳擬合數(shù)據(jù)分析各自的適用性范圍進(jìn)行如下劃分：當(dāng)整個工程屬于內(nèi)基準(zhǔn)定義范圍時，能且只能選擇基準(zhǔn)特征對齊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，保證整個工程正確性;當(dāng)工程屬于外基準(zhǔn)定義范圍時，優(yōu)先選用基準(zhǔn)特征對齊進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如果用基準(zhǔn)對齊數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)工程外基準(zhǔn)與潛在內(nèi)基準(zhǔn)發(fā)生沖突時，且潛在內(nèi)基準(zhǔn)為復(fù)雜特征無法進(jìn)行特征創(chuàng)建時（如潛在內(nèi)基準(zhǔn)為自由曲面），應(yīng)改為采用最佳擬合數(shù)據(jù)分析保證潛在內(nèi)基準(zhǔn)的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

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[2] 鄒付群.基于GeomagicQualify軟件的沖壓件回彈檢測[J].機械設(shè)計與研究，2010（2）：79-81.

[3] 楊凱.型材拉彎件回彈的激光掃描檢測技術(shù)研究[A]. DOI：10.16567/j.cnki.1000-7008.2015（49）：95-98.

[4] 王德林.淺析模具設(shè)計技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展趨勢[J].商業(yè)文化，2014（12）：113.