基于三維模型的三坐標測量技術研究

張玥如　李珂譽

摘? 要：隨著計算機科技的發(fā)展，三維模型在機械制造領域應用越來越廣泛，正在逐步取代傳統(tǒng)二維圖紙的作用。對三坐標導入模型、建立坐標系實現(xiàn)數(shù)模對齊、編寫自動測量程序的過程等進行了介紹。研究了基于工件三維模型的三坐標測量技術，在測量軟件中通過元素構(gòu)造與投影等功能獲取尺寸，高質(zhì)高效地完成測量工作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一，提高批量測量效率。

關鍵詞：三維模型；三坐標測量；自動測量；工件

中圖分類號：TP39；TG659? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）11-0152-05

Research on Three-Coordinate Measurement Technology Based on Three-Dimensional Model

ZHANG Yueru， LI Keyu

（Zhengzhou Aircraft Equipment Co.， Ltd.， Zhengzhou? 450000， China）

Abstract： With the development of computer science and technology， three-dimensional models are more and more widely used in the field of mechanical manufacturing， and are gradually replacing the role of traditional two-dimensional drawings. The process of importing the three-coordinate model， establishing a coordinate system to achieve numerical-analog alignment， and writing an automatic measurement program are introduced. The three-coordinate measurement technology based on the three-dimensional model of the workpiece is studied. In the measurement software， the dimensions are obtained through functions such as element construction and projection， and the measurement work is completed with high quality and efficiency. The unification of data sources is realized， and the efficiency of batch measurement is improved.

Keywords： three-dimensional model; three-coordinate measurement; automatic measurement; workpiece

0? 引? 言

伴隨著機械工業(yè)技術的不斷發(fā)展，當今世界的機械制造行業(yè)正在面臨著第三次技術變革，隨著科技進步，機械加工的自動化變革極其顯著，這使得相應的計量檢測技術隨之向著更高精度、智能化的方向發(fā)展。關于檢測技術和理論實踐的結(jié)合已有大量研究論文。我國幾何測量的自動化技術發(fā)展滯后于機械化生產(chǎn)，而傳統(tǒng)的測量方法因為精度等因素而成為制約生產(chǎn)的“瓶頸”[1]。

其中機械制造類的產(chǎn)品已經(jīng)使用三維模型進行設計，而質(zhì)量檢測時依然采用依據(jù)轉(zhuǎn)換過的二維圖紙尺寸進行測量的傳統(tǒng)方法。這就導致了設計、制造、檢測中的數(shù)據(jù)斷層，轉(zhuǎn)換圖紙使得時間成本增加的同時，出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤的風險大大提高。

三坐標測量機是高效、精密的測量儀器，具有微米級的示值精度，配計算機CNC系統(tǒng)，可實現(xiàn)多種高精度、高復雜的測量工作[1]。三坐標的工作原理是在儀器范圍空間內(nèi)，操縱測頭和測量物體的接觸，利用測頭的坐標來獲得物體的形狀信息，經(jīng)數(shù)學運算求出被測元素幾何尺寸與存在誤差。三坐標測量能夠高質(zhì)量、高效率地滿足各種復雜零件的測量要求，已經(jīng)成為目前世界上設計與制造技術中不可缺少的一項先進的檢測技術。高質(zhì)高效地實現(xiàn)復雜工件的各種測量需求，已經(jīng)是先進設計和制造技術必不可少的檢驗手段。傳統(tǒng)三坐標測量需要人員手動操作操縱桿來移動測頭并采點，測量效率不高，對批量產(chǎn)品無法進行重復測量[2]。

1? 研究內(nèi)容

本文擬開展基于三維模型的三坐標測量技術研究，通過三維數(shù)模導入解決上述問題。三維數(shù)據(jù)模型的應用，為以后數(shù)控加工、測量提供了數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)了設計、制造、檢測等數(shù)據(jù)的一體化[3]，一定程度上簡化掉二維圖紙的使用，減少中間數(shù)據(jù)的傳遞過程，提升效率的同時可以有效避免傳遞中出現(xiàn)的錯誤。另外依據(jù)三維模型編寫自動測量程序，實現(xiàn)相同產(chǎn)品的快速重復測量，在批量測量時能大大提高測量效率，縮短測量周期，在不影響測量準確度的前提下，降低時間成本。

2? 任務分析

根據(jù)對市面情況的調(diào)研總結(jié)，發(fā)現(xiàn)機械加工類零部件的孔距、角度、平行度、同軸度等形位公差在檢驗過程中難以實現(xiàn)精密測量，對產(chǎn)品的質(zhì)量控制有較大影響。故設計一個涵蓋上述元素的實驗工裝（即后文中的“工件”），以該典型工裝進行三坐標測量技術研究，以期高質(zhì)高效完成工件的自動、批量測量工作，大大提高測量效率。

圖1為實驗工裝的三維數(shù)據(jù)模型，圖2為該實驗工裝的部分尺寸。根據(jù)該實驗工裝的設計及使用要求，精確控制大平面上4個小孔的位置關系、中心沉孔與通孔的同軸度及立方體四周面的平行與垂直等位置關系。

研究使用?？怂箍等鴺藴y量機，對工件表面的數(shù)據(jù)進行采集，并利用PC-DMIS測量軟件對平面、孔、圓柱等進行擬合，得到形狀、位置、公差和其他幾何參數(shù)。通過對工件的坐標系統(tǒng)的構(gòu)建，可以獲得不同的測量尺寸，并利用投影與變換來實現(xiàn)所需要的數(shù)據(jù)。所以，必須以設計基準為依據(jù)，確立測量時的坐標系，并盡可能地使坐標系與設計坐標系相統(tǒng)一[4，5]。

三坐標測量機的工作原理與傳統(tǒng)測量機相比，有很大的不同之處[6]，主要體現(xiàn)在三坐標測量機對被測零部件的安裝要求，即傳統(tǒng)三坐標測量時要求在一次裝夾固定條件下，建立所需的工件坐標系統(tǒng)，同時測量所有元素、構(gòu)造所需的尺寸來評價，從而保證測量的準確度和效率[7]。但通過創(chuàng)建測量點、編寫自動測量程序，可實現(xiàn)在不要求相同裝夾固定條件下，即工件處于不同位置時，對相同或同批次工件進行多次測量。

3? 測量流程

建立工件的三維模型（支持CATIA、IGS等），由測量軟件讀取三維模型數(shù)據(jù)，利用測量軟件對三維模型進行數(shù)據(jù)讀取，獲取實驗工裝各元素的設計尺寸和公差要求。建立工件坐標系，編制自動測量程序控制三坐標機進行精確測量。利用測量軟件，依據(jù)設計要求進行尺寸和公差評價。

測量流程如圖3所示。

3.1? 工件固定

根據(jù)工件設計和測量需求，可以以工件下平面為基準面，將工件底部平放至測量工裝固定，由于該測試工件體積較大、自重較重，可不進行粘合固定，直接放置，如圖4所示。其余自重較輕的零部件需要進行粘合等操作，保證其在測量期間不會進行位置的移動。

3.2? 測頭選擇

對工件進行元素分析，由于該工件平面圓孔直徑為5 mm，

中間通孔、側(cè)邊立方體高度40 mm，為保證測量的順利進行，測頭選擇2by20型號，加長20 mm，T1A0B0方向朝下準備，如圖5所示。

3.3? 三維模型讀取

在測量軟件中導入三維模型，鑒于軟件限制，可將CATIA模型另存為IGS格式（后綴“.igs”），如圖6所示。

3.4? 建立坐標系

進入測量系統(tǒng)，默認的測量空間坐標系為機器坐標系，如圖7所示。測量開始前先要建立工件坐標系，在工件坐標系下，測量出的尺寸都以被測件的實際元素為基準。

建立工件坐標系的前提是將工件找平，通過手動測量大平面上四個點來找平，即“平面1”，并將其作為基準面，平移“Z軸”。其次，在模型上采點測“直線1、直線2、直線3、直線4”，以“直線1”“直線2”求中線，即“直線5”；以“直線3”“直線4”求中線，即“直線6”，求出兩中線交點，即“點1”；平移“X正”至“直線5”，平移“原點”至“點1”。以上，工件坐標系建立完成，并進行模型對齊，使工件實際擺放位置與模型位置相同。

建立工件坐標系和實現(xiàn)數(shù)模對齊是三維模型測量的最基本也是最關鍵的一步，是測量的前提和成功的關鍵。數(shù)模對齊后，在實際工件上任意測量，在數(shù)模中均會顯示其理論位置（如圖8）。

3.5? 自動測量

完成工件找平和粗建坐標定位后，切換自動模式，編寫自動測量程序，如圖9所示。

3.5.1? 立方體測量

對于測量工件下方的立方體，包括長度尺寸和平行、垂直等形位公差。首先針對自動測量程序精建坐標系（A3），點擊自動程序，選擇上平面環(huán)形測量，測量點數(shù)4，行數(shù)1，注意避讓平面上方形突臺和4個下沉孔，得到平面2。程序完成后，坐標系由A2回調(diào)，以平面2為基準找平Z正并平移Z軸至平面2，至此完成精建坐標系A3。然后在A3基礎上對立方體周圍四個平面進行采集。編程時為提高效率可采用觸點式，各觸測4點形成平面3、4、5、6（如圖10所示），為保證自動測量順利進行，測點要均勻分布于各個平面上[8]，同時注意添加“移動點”防撞。

3.5.2? 方形凸臺測量

方形凸臺的測量與立方體測量編程方法相同，但為了提高測量數(shù)據(jù)的準確度，在采集元素前需要針對其精建坐標系A4：在“X正”工作面以“平面3”“平面5”求中分，即“平面7”；在在“Z正”工作面以“平面4”“平面6”求中分，即“平面8”；求“平面2”和“平面7”的交線，即“直線7”；“平面2”和“平面8”的交線，即“直線8”；求出兩交線交點，即“點2”；坐標系由A3回調(diào)，關于“Z正”旋轉(zhuǎn)“X負”至“直線7”，平移“原點”至“點2”，精坐標系A4完成。

在坐標系A4基礎上，選擇模型采集點，編寫自動測量程序。由于方形臺僅有長度尺寸，側(cè)面可選擇采集直線（直線9、10、11、12），如圖11并注意添加“移動點”。

3.5.3? 平面上小孔測量

進行平面上直徑為5 mm的小孔測量時，可在模型中自動識別位置（如圖12所示）。為保證測頭準確的運動路徑及防止碰撞，還需設置合適的進孔深度和避讓距離。小孔所在平面并不是該工件的上平面，所在平面上還有一菱形凸臺，自動測量的路徑需要躲避凸臺。通過調(diào)整測量參數(shù)，在模型上合理選取，順利進行小圓柱孔的自動測量，如圖13所示。

3.5.4? 中心沉孔與通孔測量

中心沉孔與通孔的測量方法與3.5.3平面上小孔相似（如圖14、15所示），但由于沉孔與通孔直徑較大，應在模型上適當增加測量點的數(shù)量，這樣才能適當提高測量的精準度和結(jié)果的準確性[9]。

3.6? 尺寸評價

根據(jù)工件要求對其進行擬合、運算、投影，輸出尺寸結(jié)果。三坐標測量軟件自帶程序可進行尺寸評價，軟件使用的最佳擬合方法有最小二乘法、最小區(qū)域法、L1元素法、最小外接法、最大內(nèi)切法等。以圓柱度要求為例，最常用的圓柱度評定方法為最小區(qū)域法。同時，三坐標測量機可以分離幾何元素的波形，以去除表面粗糙度的影響。與原始測量方法不同，由于三維數(shù)模自帶設計尺寸及公差，基于模型的結(jié)果評價可直接輸出“理論值、實測值、差值”，無需手動輸入。

3.7? 批量測量

為節(jié)省研究成本，不對實驗工裝進行批量生產(chǎn)，而是依靠移動實驗工裝擺放位置，來模擬相同工件的批量測量情景。重新擺放好實驗工裝，通過手動定位實驗工裝新位置后，通過軟件“執(zhí)行”重復自動測量程序，經(jīng)多次測試，自動測量程序可以完好運行，該方法可以實現(xiàn)批量自動測量。自動測量的優(yōu)點是可控制測量力速度，提高測量精度，自動測量是批量測量結(jié)果分析的前提。

4? 應用及推廣

三坐標測量機是一種綜合性較強的空間測量儀器[10]，在機械加工、汽車發(fā)動機生產(chǎn)、五金工具以及航空航天領域中均有應用，三維模型的導入使得三坐標測量技術為智能化、一體化的機械設計、制造和檢驗提供了可靠的設備基礎和技術支持。而自動測量程序在機械類零部件的批量檢測中應用效益較好。與傳統(tǒng)測量方式相比，基于三維模型的三坐標測量技術操作過程簡便快捷、所需時間短效率高，也極大地避免了由于數(shù)據(jù)傳遞、圖紙轉(zhuǎn)換等影響導致測量結(jié)果出現(xiàn)誤差的情況。

5? 結(jié)? 論

經(jīng)過多次試驗可得出，通過引入三維模型，以模型為測量輔助的三坐標測量技術，可以高質(zhì)量、高效率地完成工件的自動批量測量。在測量時，建立合理的工件坐標系，實現(xiàn)工件各類尺寸、形位公差的評價，效果良好。

目前設計、生產(chǎn)與測量有一定程度的數(shù)據(jù)斷裂，產(chǎn)品在設計階段采用CATIA等數(shù)字化三維軟件進行，而生產(chǎn)、測量時則需人為轉(zhuǎn)換為二維圖紙，以圖紙中數(shù)據(jù)為依據(jù)，圖紙的轉(zhuǎn)換就有可能帶來數(shù)據(jù)的錯誤。本研究，通過導入三維模型，可以有效地實現(xiàn)測量時的數(shù)據(jù)源統(tǒng)一，省去二維圖紙的轉(zhuǎn)換過程；另外自動測量程序的編寫實現(xiàn)，可以實現(xiàn)相同工件的批量測量，大大提高測量效率。

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作者簡介：張玥如（1997.07—），女，漢族，河南鄭州人，助理工程師，本科，研究方向：幾何量計量、精密測量；李珂譽（1998.05—），男，漢族，河南鄭州人，助理工程師，本科，研究方向：物理冶金。