三坐標(biāo)測量機(jī)掃描物體的幾種方法及其應(yīng)用

一、 前言

    三坐標(biāo)測量機(jī)簡稱CMM，自六十年代中期第一臺三坐標(biāo)測量機(jī)問世以來，隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步以及電子控制系統(tǒng)、檢測技術(shù)的發(fā)展，為三坐標(biāo)測量機(jī)向高精度、高速度方向發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

microxcel pfx454型三坐標(biāo)測量機(jī)

    CMM按測量方式可分為接觸測量和非接觸測量以及接觸和非接觸并用式測量，接觸測量常于測量機(jī)械加工產(chǎn)品以及壓制成型品、金屬膜等。本文以接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)為例來說明幾種掃描物體表面，以獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)的幾種方法，數(shù)據(jù)點(diǎn)結(jié)果可用于加工數(shù)據(jù)分析，也可為逆向工程技術(shù)提供原始信息。

    掃描指借助三坐標(biāo)測量機(jī)應(yīng)用PC-DMIS軟件在被測物體表面特定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)采集。此區(qū)域可以是一條線、一個面片、零件的一個截面、零件的曲線或距邊緣一定距離的周線。

    掃描類型與測量模式、測頭類型及是否有CAD文件等有關(guān)，狀態(tài)按紐(手動/DCC)決定了屏幕上可選用的“掃描”(SCAN)選項(xiàng)。

    若用DCC方式測量，又具有CAD文件，那么掃描方式有“開線”(OPEN LINEAR)、“閉線”(CLOSED LINEAR)、“面片”(PATCH)、“截面”(SECTION)及“周線”(PERIMETER)掃描。

    若用DCC方式測量，而只有線框型CAD文件，那么可選用 “開線”(OPEN LINEAR)、“閉線”(CLOSED LINEAR)和“面片”(PATCH)掃描方式。

    若用手動測量模式，那么只能用基本的“手動觸發(fā)掃描”(MANUL TTP SCAN)方式。

    若在手動測量方式，測頭為剛性測頭，那么可用選項(xiàng)為“固定間隔”(FIXED DELTA)、“變化間隔”(VARIABLE DELTA)、“時間間隔”(TIME DELTA)和“主體軸向掃描”(BODY AXIS SCAN)方式。

    下面詳細(xì)介紹在DCC狀態(tài)下，進(jìn)入“功能”(Utility)菜單選取“掃描”(Scan)選項(xiàng)后，五種可供選擇的掃描方式。

二、 開線掃描(OPEN LINEAR SCAN)

    開線掃描是最基本的掃描方式，測頭從起始點(diǎn)開始，沿一定方向并按預(yù)定的步長進(jìn)行掃描，直至終止點(diǎn)，開線掃描分有、無CAD模型兩種情況。

a 、無CAD模型

    邊界點(diǎn)(Boundary Points)的名義值必須輸入，在對話框中邊界點(diǎn)的選項(xiàng)，在“1”上點(diǎn)擊，開始了第一項(xiàng)輸入，這是掃描起始點(diǎn)，輸入所需數(shù)據(jù)后，點(diǎn)擊“OK”；第二項(xiàng)是帶“D”字的方向點(diǎn)，在“D”上雙擊鼠標(biāo)，輸入新的X、Y、Z的值，這就代表了一個掃描向什么方向走的坐標(biāo)點(diǎn)；第三項(xiàng)是帶“2”字的值，這是掃描終點(diǎn)，雙擊并輸入所需數(shù)據(jù)。如圖1所示：

圖1 開線掃描示意圖

    下一項(xiàng)為步長，在“掃描對話”(Scan Dialog)框中，“方向1技術(shù)”(Direction 1 Tech)欄中的最大(Max Inc)欄，輸入一個新步長。

最后一項(xiàng)是看設(shè)定的方向矢量是否正確，此矢量定義了開始掃描的第一測量點(diǎn)表面的法矢、截面和最后一點(diǎn)表面的法矢，當(dāng)所有的數(shù)據(jù)輸入完成后點(diǎn)擊“創(chuàng)建”。

b有CAD模型

    此方法適用有CAD模型的零件。開始掃描時，用鼠標(biāo)左鍵，在CAD模型的相應(yīng)表面點(diǎn)擊，PC-DMIS將在CAD模型上生成一點(diǎn)，而且加標(biāo)志為“1”表示為掃描為起始點(diǎn)；點(diǎn)擊下一點(diǎn)，此點(diǎn)定義了掃描的方向；最后點(diǎn)擊終點(diǎn)，亦可用此表示邊界，此點(diǎn)為標(biāo)志“2”，在1和2之間連一線，對每一所選的點(diǎn)，PC-DMIS已在對話框中輸入相應(yīng)的坐標(biāo)值及矢量。選擇步長及所需選項(xiàng)后，如：安全平面、單點(diǎn)等，點(diǎn)擊“測量”，然后點(diǎn)擊“創(chuàng)建”即可。

三、 閉線掃描(CLOSED LINEAR SCAN)

    閉線掃描允許用戶掃描內(nèi)表面或外表面，它只需要一個“起點(diǎn)”和“方向點(diǎn)”兩個值，因?yàn)镻C-DMIS將起點(diǎn)亦作為終點(diǎn)位置。具體步驟為：

a 鍵入數(shù)據(jù)方式

    雙擊邊界點(diǎn)第一點(diǎn)“1”，然后在編輯對話框輸入位置，雙擊方向點(diǎn)“D”后輸入坐標(biāo)值。然后選擇掃描的類型，即“線性”還是“變量”、輸入步長、定義觸測的類型(矢量、表面或是邊緣)。在初始矢量上雙擊，輸入第一點(diǎn)的矢量，檢查截面矢量，鍵入其他選項(xiàng)后，點(diǎn)擊“創(chuàng)建”。

    也可用操作盤在被測物體表面所需第一點(diǎn)的位置上觸測，然后在定義方向的點(diǎn)上觸測，PC-DMIS將把這些值自動放到對話框里，且自動算出初始矢量，選擇掃描的控制方式和測點(diǎn)類型以及所需的選項(xiàng)后，點(diǎn)擊“創(chuàng)建”即可。

b 有CAD模型方式

    當(dāng)有CAD模型時，測量前確認(rèn)為“閉線掃描”。首先點(diǎn)擊表面的起始點(diǎn)位置，符號“1”將在CAD模型上生成，點(diǎn)擊時表面被加亮，同時邊界點(diǎn)也加亮以便選擇正確的表面。

    然后點(diǎn)擊掃描的方向點(diǎn)，對每一所選的位置，PC-DMIS在對話框中給出了相應(yīng)的坐標(biāo)及矢量。選擇掃描的控制方式、步長、及所需的選項(xiàng)后，點(diǎn)擊“創(chuàng)建”。

四、 面片掃描(PATCH SCAN)

    面片掃描允許用戶掃描一個區(qū)域而不再是掃描線，應(yīng)用此掃描方式，至少需要四個邊界點(diǎn)信息：一個開始點(diǎn)、一個方向點(diǎn)、掃描長度和掃描寬度。按此基本的或缺省的信息，PC-DMIS將根據(jù)給出的邊界點(diǎn)1、2、3來定出三角形面片，而方向由D的坐標(biāo)來定；若增加了第四個邊界點(diǎn)，面片可以為四方形，如圖2所示。

圖2 面片掃描類型

    在此掃描方式中的“閉線掃描”復(fù)選框指將要掃描一個封閉元素，如圓柱、圓錐、槽等。只要輸入起始點(diǎn)、終止點(diǎn)及方向點(diǎn)。終止點(diǎn)表示掃描被測元素時將向上或向下移動的距離；起始點(diǎn)方向點(diǎn)與起始矢量一起定義了截平面的矢量，一般情況下截平面的矢量平行與被測元素。

a 鍵入坐標(biāo)值定義 

創(chuàng)建一個如圖所示的四邊形面片，在邊界點(diǎn)“1”雙擊，并輸入起始點(diǎn)的X、Y、Z。

在邊界方向點(diǎn)“D”上雙擊，輸入掃描方向點(diǎn)的坐標(biāo)。

在邊界點(diǎn)“2”上雙擊，輸入確定第一方向掃描寬度。

在邊界點(diǎn)“3”上雙擊，輸入確定第二個方向掃描的寬度。

在“3”上點(diǎn)擊鼠標(biāo)，然后按“添加”按紐，對話框中給出第四個邊界點(diǎn)，在“4”上雙擊，輸入結(jié)束點(diǎn)的坐標(biāo)值。

    “最大步長”，指1、2兩點(diǎn)間的步長； “步長”，指各點(diǎn)間的步距，選擇所需的值后，點(diǎn)擊“創(chuàng)建”，如圖3所示。

圖 3 掃描步長及寬度示意圖

b 用測量機(jī)來定義

    以上例為例，定義一個四邊形面片,首先確認(rèn)所選的被測元素是“面片掃描”，用操作盤在希望作為起始點(diǎn)處測一點(diǎn)，此點(diǎn)坐標(biāo)將進(jìn)入邊界點(diǎn)框內(nèi)的“#1”項(xiàng)目內(nèi)；測第二點(diǎn)，此點(diǎn)將告知PC-DMIS開始掃描第一方向的終點(diǎn)，此點(diǎn)坐標(biāo)將進(jìn)入邊界點(diǎn)框“D”項(xiàng)目內(nèi)；測第三點(diǎn)，此點(diǎn)標(biāo)志著掃描面片的寬度，此點(diǎn)坐標(biāo)將進(jìn)入“#3”項(xiàng)目內(nèi)；在“3”點(diǎn)上點(diǎn)擊，選“添加”，這將在清單上加上第四點(diǎn)，在終點(diǎn)上觸測，這將關(guān)閉方框，最后定義兩個方向數(shù)據(jù)：掃描行距和步長，選擇掃描觸測類型及所需選項(xiàng)后，并點(diǎn)擊“創(chuàng)建”即可。

c 用CAD的曲面模型定義

     此方法只適用于有CAD曲面模型的情況，首先選定“面片掃描”方式，用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊CAD所希望在其上工作的表面，將“邊界點(diǎn)”對話框中“1”加亮，然后用鼠標(biāo)左鍵在曲面希望的點(diǎn)上點(diǎn)擊；加亮“D”，在曲面定義方向點(diǎn)上點(diǎn)擊；現(xiàn)定掃描的寬度，在表面上點(diǎn)擊(即#2)；定義掃描的上寬度，在表面上點(diǎn)擊(即#3)；最后定義終點(diǎn)，封閉方框，在“3”上點(diǎn)擊，然后選“添加”按紐，加附加點(diǎn)，加亮增加的點(diǎn)“4”，在表面所希望的位置點(diǎn)擊。定義兩個方向的步長，選擇所需選項(xiàng)后，點(diǎn)擊“創(chuàng)建”即可。

五、 截面掃描(SECTION SCAN)

    截面掃描僅為具有CAD曲面模型下使用，它允許在一個物體某一截面進(jìn)行掃描。此掃描截面可沿X、Y或Z軸或與某軸成一定角度，定義步長進(jìn)行多個截面掃描，在對話框中，允許進(jìn)行截面掃描而設(shè)置邊界點(diǎn)，按“剖切CAD”轉(zhuǎn)換按紐，在CAD模型內(nèi)尋找任何存在的孔，邊界線在“開線”掃描中用類似方式得到，PC-DMIS將沿掃描路徑自動從CAD模型中避開孔，掃描可以按用戶定義的表面作剖切CAD，方法是：

1、 選邊界點(diǎn)選項(xiàng)

2、 選“CAD元素選擇框”作標(biāo)志

3、 選所希望的曲面

4、 不清除“CAD元素選擇”的情況下，選“剖切CAD”選項(xiàng)

    此時PC-DMIS將切割所選的表面去尋找孔，若CAD中沒有定義孔，就沒有必要按“CUT CAD” 選項(xiàng)，若沒選此選項(xiàng)，PC-DMIS將按給出的起始點(diǎn)及終止邊界點(diǎn)進(jìn)行掃描，當(dāng)有一個復(fù)雜的CAD圖形，擁有多個曲面，可以分組到CAD不同層，這樣將有助于限制CAD截面，使剖切發(fā)生在局部的CAD模型上。

六、 邊界掃描(PERIMETER SCAN)

    邊界掃描只適用有CAD曲面模型情況下，此種掃描用CAD的數(shù)學(xué)模型計算掃描的路經(jīng)，此路經(jīng)以邊界或外輪廓偏置一定距離，此距離由用戶給定，為進(jìn)行邊界掃描，首先選定 “邊界掃描”選項(xiàng)，并考慮以下因素：

a) 若為內(nèi)邊界掃描，則在邊界掃描對話框中選擇“內(nèi)邊界掃描”。

b) 選定工作曲面，首先確認(rèn)“選擇”復(fù)選框已啟動，每選一個曲面則加亮一個，在所有期望的曲面選定后，取消“選擇”復(fù)選框標(biāo)志。

c) 點(diǎn)擊表面上一點(diǎn)，此點(diǎn)為“開始點(diǎn)”。

d) 在同一表面上點(diǎn)擊掃描“方向點(diǎn)”，確認(rèn)執(zhí)行掃描的方向。

e) 點(diǎn)擊表面，表示掃描“終止點(diǎn)”，若不給出終點(diǎn)，則就把起點(diǎn)當(dāng)終點(diǎn)。

f) 在掃描構(gòu)造編輯框內(nèi)輸入相應(yīng)值，這些值包括“增值”、“CAD公差”。

g) 選“計算邊界”選項(xiàng)，將計算所創(chuàng)建掃描的邊界。

h) 確認(rèn)偏差值正確情況下，按“產(chǎn)生測點(diǎn)”按鈕，PC-DMIS將自動計算執(zhí)行掃描的理論值。

至此邊界掃描方可進(jìn)行，點(diǎn)擊“create”。

七、 總結(jié)

    綜合以上各種掃描方法，用坐標(biāo)測量機(jī)采集零件的幾何信息來創(chuàng)建零件幾何模型的方法很多，但是數(shù)據(jù)的采集方案要符合造型的基本思路，否則很難實(shí)現(xiàn)零件形狀的精確再現(xiàn)。測量時要注以下問題：1、被測件的正確裝卡有利于測量的操作和測頭移動；2、為了保證造型精度，工件裝夾要使測頭盡量一次測完所有被測對象；3、測量點(diǎn)應(yīng)包括輪廓信息的關(guān)鍵點(diǎn)，尤其是在曲率變化比較明顯的地方要增加測點(diǎn)。