三坐標(biāo)測(cè)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(cè)量機(jī)簡(jiǎn)稱CMM，自六十年代中期第一臺(tái)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)問(wèn)世以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步以及電子控制系統(tǒng)、檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，為三坐標(biāo)測(cè)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(cè)量機(jī)

    CMM按測(cè)量方式可分為接觸測(cè)量和非接觸測(cè)量以及接觸和非接觸并用式測(cè)量，接觸測(cè)量常于測(cè)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(cè)量機(jī)為例來(lái)說(shuō)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(cè)量機(jī)應(yīng)用PC-DMIS軟件在被測(cè)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(gè)面片、零件的一個(gè)截面、零件的曲線或距邊緣一定距離的周線。

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

    若用DCC方式測(cè)量，又具有CAD文件，那么掃描方式有“開(kāi)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(cè)量，而只有線框型CAD文件，那么可選用 “開(kāi)線”(OPEN LINEAR)、“閉線”(CLOSED LINEAR)和“面片”(PATCH)掃描方式。

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

    若在手動(dòng)測(cè)量方式，測(cè)頭為剛性測(cè)頭，那么可用選項(xiàng)為“固定間隔”(FIXED DELTA)、“變化間隔”(VARIABLE DELTA)、“時(shí)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(kāi)線掃描(OPEN LINEAR SCAN)

    開(kāi)線掃描是最基本的掃描方式，測(cè)頭從起始點(diǎn)開(kāi)始，沿一定方向并按預(yù)定的步長(zhǎng)進(jìn)行掃描，直至終止點(diǎn)，開(kāi)線掃描分有、無(wú)CAD模型兩種情況。

a 、無(wú)CAD模型

    邊界點(diǎn)(Boundary Points)的名義值必須輸入，在對(duì)話框中邊界點(diǎn)的選項(xiàng)，在“1”上點(diǎn)擊，開(kāi)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(gè)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(kāi)線掃描示意圖

    下一項(xiàng)為步長(zhǎng)，在“掃描對(duì)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(gè)新步長(zhǎng)。

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(kāi)始掃描的第一測(cè)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(kāi)始掃描時(shí)，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(duì)每一所選的點(diǎn)，PC-DMIS已在對(duì)話框中輸入相應(yīng)的坐標(biāo)值及矢量。選擇步長(zhǎng)及所需選項(xiàng)后，如：安全平面、單點(diǎn)等，點(diǎn)擊“測(cè)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(gè)“起點(diǎn)”和“方向點(diǎn)”兩個(gè)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(duì)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(zhǎng)、定義觸測(cè)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(cè)物體表面所需第一點(diǎn)的位置上觸測(cè)，然后在定義方向的點(diǎn)上觸測(cè)，PC-DMIS將把這些值自動(dòng)放到對(duì)話框里，且自動(dòng)算出初始矢量，選擇掃描的控制方式和測(cè)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(shí)，測(cè)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(hào)“1”將在CAD模型上生成，點(diǎn)擊時(shí)表面被加亮，同時(shí)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(duì)每一所選的位置，PC-DMIS在對(duì)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(zhǎng)、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(gè)區(qū)域而不再是掃描線，應(yīng)用此掃描方式，至少需要四個(gè)邊界點(diǎn)信息：一個(gè)開(kāi)始點(diǎn)、一個(gè)方向點(diǎn)、掃描長(zhǎng)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(lái)定出三角形面片，而方向由D的坐標(biāo)來(lái)定；若增加了第四個(gè)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(gè)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(cè)元素時(shí)將向上或向下移動(dòng)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(cè)元素。

a 鍵入坐標(biāo)值定義 

創(chuàng)建一個(gè)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(gè)方向掃描的寬度。

在“3”上點(diǎn)擊鼠標(biāo)，然后按“添加”按紐，對(duì)話框中給出第四個(gè)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(zhǎng)”，指1、2兩點(diǎn)間的步長(zhǎng)； “步長(zhǎng)”，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(zhǎng)及寬度示意圖

b 用測(cè)量機(jī)來(lái)定義

    以上例為例，定義一個(gè)四邊形面片,首先確認(rèn)所選的被測(cè)元素是“面片掃描”，用操作盤在希望作為起始點(diǎn)處測(cè)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?jī)?nèi)；測(cè)第二點(diǎn)，此點(diǎn)將告知PC-DMIS開(kāi)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?jī)?nèi)；測(cè)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?jī)?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(cè)，這將關(guān)閉方框，最后定義兩個(gè)方向數(shù)據(jù)：掃描行距和步長(zhǎng)，選擇掃描觸測(cè)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(duì)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(gè)方向的步長(zhǎng)，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(gè)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(zhǎng)進(jìn)行多個(gè)截面掃描，在對(duì)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(kāi)線”掃描中用類似方式得到，PC-DMIS將沿掃描路徑自動(dòng)從CAD模型中避開(kāi)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(shí)PC-DMIS將切割所選的表面去尋找孔，若CAD中沒(méi)有定義孔，就沒(méi)有必要按“CUT CAD” 選項(xiàng)，若沒(méi)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(gè)復(fù)雜的CAD圖形，擁有多個(gè)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(jì)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(duì)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(dòng)，每選一個(gè)曲面則加亮一個(gè)，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(kāi)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(jì)算邊界”選項(xiàng)，將計(jì)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(cè)點(diǎn)”按鈕，PC-DMIS將自動(dòng)計(jì)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(cè)量機(jī)采集零件的幾何信息來(lái)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(cè)量時(shí)要注以下問(wèn)題：1、被測(cè)件的正確裝卡有利于測(cè)量的操作和測(cè)頭移動(dòng)；2、為了保證造型精度，工件裝夾要使測(cè)頭盡量一次測(cè)完所有被測(cè)對(duì)象；3、測(cè)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(cè)點(diǎn)。