（机械制造及其自动化专业论文）曲面测量方法研究及测量仿真.pdf

摘要 摘要 曲面根据能否用标准数学模型表示分为规则曲面和自由曲面，根据曲面特征又分为 已知c a d 模型的曲面与未知c a d 模型的曲面。曲面的测量是曲面的精度检验和反求的 基础，三坐标测量机测量精度高，测量目的性明确，测量方法灵活，能满足对形状误差 和位置误差等众多加工参数测量的要求，在曲面测量中应用最为广泛。本论文以减小三 坐标测量误差，提高曲面测量效率及精度为出发点，主要对三坐标测量曲面中的关键问 题：工件坐标系的建立、测量路径规划、测点分布、测头半径补偿、测量误差评定、自 动测量等进行研究与探讨。 论文分析了曲面测量路径的设计原则，提出了八点曲面测量路径规划策略，总结了 测头半径补偿方法、优缺点及适用范围，给出了曲面测量误差评定方法。研究了机器设 备与测量方法对曲面测量误差的影响。针对机器误差：主要从几何误差、测头误差、软 件误差、变形误差、动态误差这几方面分析了产生曲面测量误差的原因，研究了几何误 差、热变形误差、动态误差的数学模型，对机器误差进行了补偿。针对测量方法误差： 主要研究了工件坐标系的建立、测量路径规划、测头半径补偿、人员操作水平对测量误 差的影响。分析了产生测量误差的原因，给出了减小测量误差的方法。 分别对c a d 模型已知与未知的曲面测量进行具体研究。针对c a d 模型已知的曲面 测量，结合叶片测量实验，首先提出并实现了基于三平面法建立粗基准的最 b - - 乘法建 立工件坐标系，提高了基准对齐精度。而后提出了在均匀分布的基础上，采用输入测量 点的方式，分别通过曲率差值法、直线夹角法实现了测点的自适应分布。针对测量实验， 比较了分别沿曲面二维与三维矢量方向进行路径规划与半径补偿的测量误差。最后开发 了已知c a d 模型的测量仿真软件，对测量流程进行仿真，主要包括最小二乘法对初始 坐标系的转换、测点自适应分布、测量路径检验、避障点的设置、d m i s 文件的生成、 三坐标测量机输出文件的读取、测量误差的评定。 针对c a d 模型未知的曲面测量，首先在实现多项式法、圆弧外延法的基础上，提 出了圆弧切线法预测后续测量点及其矢量，实现了测点的自适应跟踪测量。然后提出了 二次测量法，先采用连续扫描测量，再进行点位触发测量，提高了测量精度。最后开发 了未知c a d 模型的曲面测量仿真程序，实现了后续测量点及其矢量的预测，初始扫描 测量数据的半径补偿及矢量求取，d m i s 程序的生成。 本论文的研究是在结合叶片测量实验的基础上进行的，测量规划和程序通过仿真并 经实例得到了验证。 关键词：测量路径规划、测点自适应分布、测头半径补偿、自动测量、测量仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h em a t h e m a t i c sm o d e l ，t h es u r f a c ec a l lb ec l a s s i f i e dt oc o n v e n t i o n a l s u r f a c eo rf r e es u r f a c e a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fm e a s u r e ds u r f a c e ，t h es u r f a c ec a r la l s ob e c l a s s i f i e dt os u r f a c ek n o w nc a dm o d e lo rs u r f a c eu n k n o w nc a dm o d e l t h em e a s u r e m e n t o fs u r f a c ei st h eb a s eo fp r e c i s i o nv e r i f y i n go rr e v e r s ec a dm o d e l 。t h ea p p l i c a t i o no f t h r e e c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ( c m m ) i sv e r yb r o a d ，b e c a u s eo fi t sh i g hm e a s u r e p r e c i s i o n ，c l e a rm e a s u r i n go b j e c t i v e ，f l e x i b l em e a s u r i n gm e t h o d ，i tc a nm e e tt h em e a s u r e r e q u i r e m e n to fm a n yp a r a m e t e r sl i k es h a p ee r r o r 、l o c a t i o ne r r o re t c w i t ht h e s ea d v a n t a g e s ， i ti sw i d e l yu s e dt om e a s u r et h es u r f a c e f o c u s i n go ni n c r e a s i n gt h em e a s u r i n ga c c u r a c ya n d e f f i c i e n c yi n s u r f a c em e a s u r e m e n t ，w eh a v es t u d i e do nt h ef o u n d a t i o no fw o r k p i e c e c o o r d i n a t e 、m e a s u r i n gp a t hp r o g r a m m i n g 、m e a s u r i n gp o i n t sd i s t r i b u t i n g 、p r o b er a d i u s c o m p e n s a t i o n 、m e a s u r i n ge r r o ra s s e s s i n g 、a u t o m e a s u r i n ge t c i nt h i st h e s i s ，t h ep r i n c i p l ei ns u r f a c em e a s u r i n gp a t hp r o g r a m m i n gw a sa n a l y z e da tf i r s t ， t h e nw e p r o p o s e de i g h tm e a s u r i n gp a t hp l a n n i n gs t r a t e g i e s ，s u m m a r i z e dt h em e t h o d so fp r o b e e r r o rc o m p e n s a t i o n 、a d v a n t a g e 、d i s a d v a n t a g ea n da p p l i c a b l ea r e a ，g i v e nt h em e t h o do f m e a s u r i n ge r r o ra s s e s s m e n t w ea l s os t u d i e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so fs u r f a c em e a s u r i n g a c c u r a c y ：( 1 ) o na s p e c to fm a c h i n ee q u i p m e n t ，t h ef a c t o r st h a tc a u s e dm a c h i n ee q u i p m e n t e r r o rw e r ea n a l y z e d ，i n c l u d i n gg e o m e t r ye r r o r 、p r o b ee r r o r 、s o f t w a r ee r r o r 、t r a n s m o g r i f i c a t i o n e r r o r 、d y n a m i ce r r o r ；( 2 ) o na s p e c to fm e a s u r i n gm e t h o d ，t h ef a c t o r st h a tc a u s e dm e a s u r i n g m e t h o de r r o rw e r ea n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h ef o u n d a t i o no fw o r k p i e c ec o o r d i n a t e 、m e a s u r i n g p a t hp r o g r a m m i n g 、p r o b er a d i u sc o m p e n s a t i o n 、g a u g e r sd i a t h e s i s ，a n dam e t h o dt om i n i s ht h e m e a s u r i n gm e t h o de r r o rw a sp r e s e n t e d t h em e a s u r e ds u r f a c ek n o w nc a dm o d e la n du n k n o w nc a dm o d e lw e r es t u d i e d s e p a r a t e l y f o rt h es u r f a c ek n o w nc a dm o d e l ，w ep r o p o s e dl e a s ts q u a r e sm e t h o dd e p e n d i n g o nc o a r s eb e n c h m a r kf o u n d e db yt h r e e - p l a nm e t h o do nt h eb a s eo fm e a s u r i n ge x p e r i m e n t ， w h i c hi m p r o v e dt h eu n i f o r mp r e c i s i o nb e t w e e nt h ew o r k p i e c ea n dc a dm o d e l t h e n c u r v a t u r ed i f f e r e n c em e t h o da n dl i n ea n g l em e t h o dw e r ep r e s e n t e di no r d e rt oa c h i e v ea u t o 一 一d i s t r i b u t i n gm e a s u r i n gp o i n t s 、v i t l li n p u t t i n gt h ea m o u n to fp o i n t s t h em e a s u r i n ge r r o ra f t e r p a t hp r o g r a m m i n ga n dp r o b er a d i u sc o m p e n s a t i o na l o n gp l a n a rv e c t o ra n dt h r e e - d i m e n s i o n a l v e c t o rw e r ec o m p a r e db ym e a s u r i n ge x p e r i m e n to fl a m i n a w ed e v e l o p e ds i m u l a t i o nr o u t i n e o fs u r f a c ek n o w nc a dm o d e l ，w h i c hi n c l u d e dt r a n s f o r m i n gt h ei n i t i a lc o o r d i n a t eb yl e a s t s q u a r e sm e t h o d ，a u t o d i s t r i b u t i n gm e a s u r i n gp o i n t s ，v e r i f y i n gt h em e a s u r i n gp a t h ，s e t t i n g s a f e t yp o i n t s ，m a k i n gd m i sf i l e ，r e a d i n gt h eo u t p u tf i l eo fc m m 、a s s e s s i n gm e a s u r i n ge r r o r t h em e a s u r i n go fs u r f a c eu n k n o w nc a dm o d e lw a ss t u d i e d f i r s t ，w ep r o p o s e dc i r c l e t a n g e n tm e t h o dt of o r e c a s t t h ec o o r d i n a t ev a l u e a n dv e c t o r ，t h u s ，w ea c h i e v e dt h e a u t o - f o l l o w i n gm e a s u r i n go fp o i n t so nt h eb a s eo ft h ei m p l e m e n to fc i r c l ee x t e n s i o n m e t h o d i i a b s t r a c t a n dp o l y n o m i a lm e t h o d t h e n ，w ep r o p o s e ds e c o n d a r ym e a s u r i n gm e t h o dt h a tm e a s u r i n g s u r f a c ep o i n t - b y - p o i n ta f t e rs c a n n i n gm e a s u r i n gw h i c hi m p r o v e dt h em e a s u r i n g p r e c i s i o n l a s t ，s i m u l a t i o nr o u t i n eo f s u r f a c eu n k n o w nc a dm o d e lw a sp r e s e n t e d ，t h ec o n t e n ti n c l u d e d f o r e c a s t i n gt h ec o o r d i n a t ev a l u ea n dv e c t o ro ff o l l o w i n gp o i n t ，c a l c u l a t i n gt h ev e c t o ro f s c a n n e dd a t a 、m a k i n gd m i sf i l e t h es t u d yo ft h i st h e s i sw a sb a s e do nm e a s u r i n g e x p e r i m e n to fl a m i n a ，p a t h p r o g r a m m i n gr o u t i n ea n ds i m u l a t i o nr o u t i n ew e r ev a l i d a t e db ym e a s u r i n ge x p e r i m e n t k e y w o r d s ：m e a s u r i n gp a t hp r o g r a m m i n g a u t o d i s t r i b u t i n gm e a s u r i n gp o i n t sp r o b e r a d i u sc o m p e n s a t i o n a u t o - m e a s u r i n gs u r f a c em e a s u r i n gs i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是苯人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 圈迷殇 日 期： 趔里墨2 ：f 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 固拯趁 导师签名： 日 期： 角 i 掰) i 第一章绪论 第一章绪论 1 - 1 引言 随着航天、航空、造船、汽车、模具工业等的飞速发展，对产品性能、外形等方面 的要求越来越高，使得复杂曲面在现代制造工业中得到越来越多的应用，而对曲面的测 量是曲面的精度检验和反求的基础，只有获得曲面表面的三维信息才能实现曲面的建 模、评价、改进、制造。所以对曲面测量方法的研究有着重要的意义。 曲面根据能否用标准数学模型表示分为规则曲面和自由曲面，根据被测曲面特征又 分为已知c a d 模型的曲面与未知c a d 模型的曲面。曲面的测量模式大致分为三种【l 】： a 模式，通过测量曲面上的一些特征点，根据对被测特征线的评定来反映曲面的质量； b 模式，通过测量分布在曲面上的一系列点，获取被测曲面的轮廓度误差，并以此评定 曲面质量；c 模式，通过测量分布在曲面上的一系列点，提取曲面原始形状信息，重构 被测曲面，实现被测曲面的数字化。模式a 是将曲面的测量简化为曲线或平面曲线甚至 直线的测量。如果选取曲面的母线或曲面上的工作迹线作为被测特征线，则该测量模式 能将曲面的设计、加工和使用统一起来，因此，模式a 主要适用于规则曲面特别是回转 类曲面的测量；b 模式下的曲面精密测量过去一直是精测领域中经常遇到而不易解决的 技术难题，主要适用于数学模型已知的曲面测量；c 模式主要针对数学模型未知的曲面 测量，对测量数据进行模型重构，后根据重构模型进行零件加工或二次设计，c 模式下 的曲面测量是反求工程的关键技术之一。 1 2 曲面测量方法 曲面的测量根据测量方式的不同分为接触式测量与非接触式测量两大类【2 堋，接触 式测量通过传感测量头与待测工件的接触而记录工件表面点的坐标值，又分为点触发式 和连续扫描式测量，应用最为广泛的接触式测量设备是三坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e - - c m m ) 。非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等原理，将物 理模拟量通过适当的算法转换为样件表面的坐标点。接触式测量与非接触式测量相比， 虽然效率较低，但由于其测量精度与智能化程度高、设备价格低，被广泛应用于 c a d c a m 、产品检测与质量控制。以下主要对常用的曲面测量方法进行介绍，并分析 优缺点。 1 、三坐标测量机测量法 三坐标测量机的工作原理是将被测物体置于三坐标测量机的测量空间，获得被测物 体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，计算出被测的几何尺寸、形状和位 置。三坐标测量机又分为接触式与非接触式，接触式测量机为计算机数控型，通过测头 机架沿x 、y 、z 三个坐标轴方向的移动，使测头接触被测表面，从而得到曲面上一些 测点的三维坐标值；非接触式的坐标测量机以c c d 摄像机加上计算机数控处理，c c d 为传感器，通过计算机控制测量机动作，计算机处理c c d 的输出而得到被测曲面的形 江南大学硕士学位论文 状尺寸。 三坐标测量机测量曲面，测量精度高，测量目的性明确，测量方法灵活。使用起来 比较方便，可以进行零件和部件的尺寸、形状及相互位置的检测，例如箱体、导轨、涡 轮和叶片、缸体、凸轮、齿轮、形体等空间型面的测量。此外，还可用于划线、定中心 孔、光刻集成线路等，并可对曲面进行扫描及制备数控机床的加工程序等。测量机软件 d m i s ( 尺寸测量接口规范- - d i m e n s i o n a lm e a s u r i n gi n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ，缩写为d m i s ) 编程方便，可进行联机编程、脱机编程和自动编程，但是目前大多数三坐标测量机还不 具有自动编程这种智能，有的有这种功能但还是初级的，需要不断完善和发展。目前大 多数的编程还依赖于人机交互对话，测量人员的素质对测量误差有直接的影响，半径补 偿误差还不能完全消除，测量效率和精度还需要进一步的提高。 2 、摄影测量法 通过拍摄照片，获取被测曲面的的外形数据，后对图像进行处理，建立所测曲面的 数学模型，后可按照一般方法绘制等值线，或用测量象点坐标的坐标仪进行观测，将此 坐标换算成空间坐标。 摄影测量法的优点是测量范围比较大，但测量程序复杂，必须在测量前标记控制点， 且需要测量两摄影站点之间或摄影站点与被测点之间或两被测点之间的距离，还要在被 测件旁边放比例尺，摄影测量的精度较低。 3 、电子经纬仪交绘测量法 使用两台电子经纬仪，通过各自测得的曲面上某点水平角度与竖直角度，求出该测 量点的三维坐标值。 此方法的缺点是测量速度慢，必须逐点瞄准，工作量大，当被测点较多时，测量难 度大，优点是可以测量很大的工件。 4 、光栅测量法 光源经透镜、光栅投射到曲面上，得到曲线条纹，条纹越弯，曲面的曲率越大。对 光栅进行相位调制与解调，得到相位因子，根据某点在观察侧平面上的坐标值及相位因 子，通过三维重建，求出曲面上某点的三维坐标值。 此方法可以很快获得被测曲面的表面轮廓信息，但测量精度不高。 5 、激光干涉法 该方法基于干涉的迭加和光波场的比较，基准光波与另一条由被测表面反射回来的 反射光波产生干涉，对干涉图进行分析，计算干涉条纹，从而得到待测曲面的外形尺寸。 此方法测量精度相当高，但测量范围小，抗干扰能力弱，不适合测量凹凸变化大的 复杂曲面。 6 、激光衍射法 用激光照射待测曲面，在与物体形成一定距离的平面上，由衍射所决定的光强分布 与描述曲面表面光强分布的二维傅立叶函数相对应，通过对衍射图的分析得到待测曲面 的形状尺寸。 2 第一章绪论 此方法可靠性好，但不适合表面起伏大的被测曲面。 7 、激光三角测量法 将激光照到待测曲面的某测量点上，根据三角测量原理，利用光电二极管阵列接收 漫反射光成像点，从而计算出被测点的三维坐标值。 这种方法测量速度快，精度高，且由于不接触曲面，不会损伤工件，是一种非常好 的非接触曲面测量方法。缺点是对被测表面的粗糙度、凸凹程度、漫反射率和倾角过于 敏感，存在“阴影效应 9 1 。 1 3 国内外研究现状 针对曲面测量，j a r v i s 1 0 j 对各种数据采集方法做了介绍；t a m a sv a r a d y 1 1 1 介绍了各种 测量方法并给出了测量的主要问题。b u t l e r 1 2 】介绍了各种接触式测量方法并进行了比较。 其中三坐标测量机测量精度和智能化程度高，特别适用于曲面测量。 曲面分为c a d 模型已知与未知两种类型，c a d 模型已知的曲面测量是为了检验和 保证产品的精度要求，c a d 模型未知的曲面测量主要是根据测量所获得的零件表面的 测点数据来实现曲面重建以便利用c a d c a m 技术进行模型修改、零件设计、数控加 工指令的生成及有限元分析、误差分析等操作【1 3 】1 3 。 1 3 1 已知c a d 模型的曲面测量研究现状 针对已知c a d 模型的曲面测量，测量中的关键问题是如何高效、可靠、安全的获取 待测曲面的几何形状信息，并对形状误差做出评定。测量曲面时，等间距测量法最为简 单易行，但为了保证准确度需要缩小测量间距，这就降低了测量效率，增加了后续误差 评定等工作的难度。一种理想的方法是使测点分布的疏密随曲面曲率的变化而变化，曲 率越大，测点越密，曲率越小，测点越稀疏，从而较好的反映曲面的几何形状信息，实 现测点的自适应分布。k a m 1 4 】提出了几何分解方法实现曲面形状检测的思想，采用“曲 面一曲线一点集一测点集的分解次序，实现从曲面到测点集的分解和曲面的评价工作； p a h k t ”】等介绍了模具型面检测随曲率变化的布点方法；k o s t e r 1 6 1 提出的布点准则是曲 面的法线沿参数线以常速变化，根据切线方向变化的速度实现曲面采样点的自适应分 布；li 【i _ 7 】根据质心模型实现了参数域上依据曲率测度的采样网格规划。此种方法能自组 织的形成拓扑网格，但是没有涉及如何选取曲率测度和在给定采样精度下如何选取最小 的采样点。来新民【1 8 】等提出了根据质心概念推导出基于形状的采样算法，此种方法不仅 可以产生在给定采样点数条件下的自适应采样矩形拓扑网格，而且可以确定在给定采用 精度下的合理采样点数，从而实现自由曲面数字化采样的自适应规划。 1 3 2 未知c a d 模型的曲面测量研究现状 针对未知c a d 模型的曲面测量，测量中的关键问题是如何进行测量路径规划，实现 测点的自适应跟踪测量。测量目标是何根据已测点的信息来对自由曲面的测量作出预测 和规划，解决测头对被测曲面的自动跟踪问题，使测头运动能够密切跟随曲面形状的变 江南大学硕士学位论文 化。c m e n q 和e l c h e l a 1 9 】开发了基于c m m 未知自由曲面接触式测量系统，利用这种方法 测头最后能沿法线方向测量自由曲面，且基本消除测头半径误差，还可以根据曲面模型 上的曲率变化情况布置测点，但它只能用于测量光滑曲面；c h e nl c t 2 0 】提出了视频图像 辅助的测量方法，这是一种结合预测手段的对未知c a d 模型曲面的自动测量方法，免去 对整个曲面进行测量路径规划，可快速准确的测量自由曲面上的数据，减少测量时间。 张丽艳【2 l j 提出了人工规划的三坐标测量方法，先对c a d 模型未知的被测物体进行测点规 划，在此基础上进行数据测量和模型重建。王平江1 2 2 】等人提出了准等弧长测点预测法； 平雪良四】提出了无c a d 模型曲面的灰色理论预测模型的三坐标测量方法，初始化数据测 量和实时在线灰色预测自动生成测量路径。王春【2 4 j 等提出了通过找出工件表面与测杆球 端接点处的“近似切线”，利用此信息求出测头运动速度的方向以实现表面的自动跟踪 测量，这种方法需要监视测头的状态改变，通过计算机的中断申请记录测头的位置坐标。 洪军1 2 5 j 采用多项式插值的方法来实现自动跟踪测量。而工程上使用最多的是三次参数样 条曲线，该类型曲线可以用数段圆弧来逼近，数控绘图机和数控机床大都是采用这种方 式来处理三次参数样条曲线【2 6 1 。在此基础上，李维诗等【2 7 】提出了利用圆弧直线插值法， 鞠华【2 8 j 提出了圆弧外延法，来预测下一个测量点。 1 3 3 测量仿真研究现状 测量仿真是在没有实际工件的情况下，在计算机上模拟测头运动。国外的高精密三 坐标测量机一般都有图形显示与操作功能，可以在没有实际工件的情况下在模型上规划 测量路径，实现测量路径的自动生成，在规划路径的同时生成d m i s 程序。国外测量机 生产厂家主要有四个较大的集团或公司：德国的z e i s s 集团、美国的b r o w n & s h a r p e 集团( 包括德国的l e i t z 和意大利d e a 公司) 、日本的三丰公司( m i t u t o y o ) 和瑞士s i p 公司。国内的测量机较国外相比，测量精度方面还有一定的差距，生产厂家主要有青岛 前哨英柯发测量设备有限公司( q i t e c h ) 和航空工业总公司3 0 3 所【2 9 1 。浙江大学研发的 反求c a d 系统r e 2 s o f t 可以根据曲面的粗测点构造曲面模型，生成测量程序，控制三 坐标测量机对曲面进行更精细的测量。采用这种方式测量曲线、曲面需要配置功能强的 专用软件，而且操作起来也比较复杂。西安力德测量设备有限公司开发的测量软件拥有 强大的c a d 功能，在进行模拟测量时，打开软件，选择脱机工作模式，然后导入所要测 量的c a d 模型，并将c a d 模型对应到选定的坐标系中即进行测量。根据所要测量的几何 元素，使用鼠标在c a d 模型上点击所要采点的位置，会在c a d 模型上显示所采点的位置 及其矢量方向。根据所测量的几何要素的需要，可进行多次采点。当采够所需要的点数 后再在采点窗口中点确定，系统将会驱动虚拟测头进行采点，并拟和出要测的几何元素 及其图形。 国内的测量机c a d 模型显示与操作功能还不够完善，软件的研发还处于起步阶段， 使用国外厂商的软件，不仅要支付高额的费用，而且升级也不方便，不能根据用户的需 要定制【3 们，目前的仿真模块大多是研究测量路径的规划，关于测量规划中测点的分布还 没有深入的研究，企业中应用仿真软件的较少，大多还是采用在规划测量路径的同时生 4 第一章绪论 成d m i s 程序，后进行程序调试的方式，不仅会增加机器磨损，提高测量成本，效率也 较低。因此，开发操作方便，适用性强的仿真软件非常必要。 1 4 课题背景及主要研究内容 1 4 1 选题背景 本课题的研究基于企业的实际应用需要，得到了无锡叶片厂的大力支持。现有的精 密测量机设备大多有图形显示与操作功能，可通过c a d 模型操作来控制测头运动。已 知待测零件的c a d 模型，测量时先导入c a d 模型，在模型上直接规划测量路径。经过 调研分析，发现检测过程中还存在较多实际问题：1 ) 工件坐标系的建立还存在一定的 基准对齐误差，采用“三二一法 建立工件坐标系，测量基准与理论模型基准对齐误差 较大，采用迭代法建立工件坐标系会经常出现迭代点的选择不恰当而使迭代无法进行的 情况，需要多次尝试，影响测量效率；2 ) 目前还是普遍采用连续扫描式测量，通过测 点及矢量预测，实现后续测点的自动跟踪测量，这是一种二维测量，存在矢量预测偏差， 此外，测头连续接触测量工件，会加速测头磨损，测头受力会影响测量误差；3 ) 采用 点位触发式测量时，大多还是采用沿曲面的二维矢量方向探测的路径规划方法，连由于 矢量偏差的存在，会存在探头没有到达预测量点就与工件发生接触的情况，测得的点并 不一定与理论点相一致；4 ) 测量时调用测量机内部的半径补偿功能，进行在线测量补 偿，即沿探测方向偏置一探头半径，由于矢量偏差的存在，不可避免的会存在测头半径 补偿误差；5 ) 叶片型线的测点数确定及测点分布没有成熟的方法，主要依靠经验或生 产厂方提供的数据，测点数及分布的不合理会影响测量效率及测量误差；6 ) d m i s 程序 的编写是在对c a d 模型进行路径规划的同时进行的，需要在调试上花费较多时间，测 量效率不高，在测量机上进行调试，会增加机器磨损，提高测量成本。 由此可见，曲面测量中还存在较多的问题，对曲面测量的研究具有重要的工程意义。 为减小曲面测量误差，提高测量效率及精度，针对已知c a d 模型的曲面测量，需要研 究新的工件坐标系建立方法、确定曲面测点数及测点分布、实现沿曲面三维矢量方向的 测量路径规划与测头半径补偿等。此外，为提高测量效率，降低测量成本，减少测量机 磨损，需要研究如何通过模拟测量替代程序在线调试，通过测量仿真对路径规划进行检 验，完成d m i s 程序的生成。此外，针对未知c a d 模型的曲面测量，如何更好的预测 后续测量点，提高测量效率和精度也是曲面测量要研究的重点。 本论文实验部分使用的三坐标测量机型号为l k g 9 0 c ，如下图1 1 所示，此类型三 坐标测量机采用移动桥式结构，结构简单、紧凑，刚度好，测量空间较开阔。 江南大学硕士学位论文 r i 二ii 图1 - 1l k g 9 0 c 型三坐标测量机 f i g1 - l l k - g 9 0 c c v i m 1 4 2 论文主要研究内容 本学位论文主要针对三坐标测量机进行曲面测量中的关键问题，围绕工件坐标系的 建立、测点分布、测量路径规划、测头半径补偿、三坐标自动测量等问题进行研究，并 开发测量仿真程序。主要的研究内容如下： 1 、研究c m m 测量曲面技术，总结曲面的测量方式。分析曲面测量路径的设计原 则及避障点的求取方法，提出曲面测量路径规划的策略。分析现有测头半径补偿方法的 优缺点及适用范围研究曲面测量误差评定方法。 2 、研究机器设各与测量方法对曲面测量误差的影响。针对机器误差：主要从几何 误差、测头误差、软件误差、变形误差、动态误差这几方面分析产生曲面测量误差的原 因，研究通过数学建模的方式对机器误差进行补偿。针对测量方法误差：主要研究工件 坐标系的建立、测量路径规划、测头半径补偿、人员操作水平对测量误差的影响。分析 产生测量误差的原因，研究减小测量方法误差的方法。 3 、研究已知c a d 模型曲面测量中工件坐标系的建立、测量路径规划、测点自适应 分布、测头半径补偿问题，并开发测量仿真软件。将最小二乘法应用于工件坐标系的建 立，提出基于三平面法建立粗基准的晟小二乘法建立工件坐标系：针对测点分布，研究 如何在均匀分布的基础上实现测点的自适应分布，提出曲率差值法、直线夹角法实现测 点的自适应分布：进行叶片型线检测实验比较分别沿曲面二维与三维矢量方向进行路 径规划与半径补偿的测量误差。开发已知c a d 模型的曲面测量仿真软件对测量流程 进行仿真。 4 、研究未知c a d 模型曲面测量中的测点自适应跟踪测量与测量方法，开发钡4 量仿 真程序。提出圆弧切线法预测后续测量点及其矢量的方法；研究提高未知c a d 模型曲 面的测量精度的方法，在传统扫描测量的基础上，提出二次测量法，求取初始扫描数据 点的矢量再进行点位触发测量；开发测量仿真程序，实现多项式法、圆弧外延法、圆 弧切线法预测后续测量点及其矢量，初始扫描数据的测头半径补偿及矢量求取，d m i s 程序的自动生成。 5 、总结本论文工作并给出进一步研究方向。 第二章c m m 测量曲面技术研究 第二章c m m 测量曲面技术研究 2 1 引言 曲面测量技术研究的目的不只是为了评定曲面的质量而且为了获取曲面的几何形 状信息，“曲面一曲线一点集一测点集 的分解次序是实现曲面测量的基本思想。曲面 测量中的关键问题是测量路径规划、测头半径补偿等，而测量后处理又是曲面的测量目 的所在，包括测量数据的处理、测量误差评定或模型重构。本章节针对c m m 测量曲面 问题，总结分析曲面的测量方式与测头半径补偿方法，并研究如何进行曲面测量路径规 划与测量误差评定。 2 2 c l d , t 测量软件 三坐标测量软件按照其功能不同，可分为如下几种：基本测量软件、专用测量软件、 附加功能软件；根据软件作用和性质的不同又可分为：控制软件、数据处理软件。无论 是何种软件，都采用统用统一的尺寸测量接口规范d m i s t 3 2 1 t 3 3 1 。它是1 9 8 5 年由美国国 际计算机辅助制造公司( c a m i ) 质量保证计划资助开发的，是自动化系统之间检测数 据的通信标准，它提供一种数据格式，形成各类分系统之间进行数据交换的中性文件。 它的内容也具有检测规程和分析检测结果的作用，由一套术语词汇建立起的一个用于检 测规程和检测结果数据的中性格式。d m i s 是为了自动化设备之间的通信而设计的，可 以人工的读出和编写，在不使用计算机的情况下也可以编写检测程序和分析检测结果。 根据三坐标测量机生产厂家的不同，在d m i s 前加上不同的前缀，目前应用较广的主要 有p c d m i s 、l k - d m i s 、c a d + + p c d m i s 等。 d m i s 软件一般能完成以下功能： 1 ) 测头校正补偿和建立坐标系。可以建立机器坐标系、工件坐标系、进行坐标系转换 ( 平移或旋转) ： 2 ) 几何元素的测量。包括点、线、平面、圆、球、圆锥、圆柱、槽、曲线、曲面等； 3 ) 特征构造。包括求交点、交线、距离、角度、直线连接、截面、对称或面、垂线、 平行线等； 4 ) 形位公差的测量。包括直线度、平面度、垂直度、平行度、同轴度、倾斜度、轮廓 度等。 打开三坐标测量机，进入d m i s 软件，首先要进行一个探测校准，主要是红宝石探 头的直径与测杆长度的校准，针对不同的探测方向还要进行测头的校准，校准完成后进 入d m i s 程序的初始化界面，其主要的初始化语句如下： d m i s m n s t a r tt e m p l a t e 。 f i l n a m s t a r tt e m p l a t e 。 d v ( 0 ) = d m e s w v 5 5 ，1 ，0 ，1 0 2 u n i t s m m ，a n g d e c 7 程序开始 产读入文件，指定输入程序开始 产设置单位毫米，角度 江南大学硕士学位论文 v ( 0 ) = v f o r m a l l 产指明输出格式为v e n d e r * d i s p l y t e r m ，v ( 0 ) ，s t o r , d m i s ，v ( 0 ) 产显示输出格式幸 t e c o m p o f f 严温度补偿关宰 s n s e t a p p r c h ，5产探头逼近距离：5 m m * s n s e t c l r s r f , 1 5严设置探头扫描间距 s n s e t d e p t h ，0产设置探头扫描深度 d ( 0 ) = d a t s e t m c s产设置坐标系，该坐标系原点即为主复位原点 m o d e a u t o ，p r o g m a n产操作方式自动，程序控制，手动 t ( 0 ) = t o l c o r t o l ，x a x i s ，一0 1 ，0 1 * x 轴向公差带范围t - 理论公差，t a 一实际测量公差范围 t ( 1 ) = t o l c o r t o l ，y a x i s ，一0 1 ，0 1* y 轴向公差带范围幸 t ( 2 ) = t o l c o r t o l ，z a x i s ，一0 1 ，o 1* z 轴向公差带范围幸 t ( 3 ) = t o l d i a m ，- 0 1 ，0 1产直径公差 s ( 0 ) = s n s d e f p r o b e ，i n d e x ，p o l ，0 ，0 ，0 ，0 ，l ，11 7 9 ，3产初始标定探头( 0 ) 参数 s n s l c t s a ( o )产选择探头( 0 ) p a u s e 净氅侮卑| e n d f i l 产d m i s 程序文件结束 初始化完成后方可进行后续的测量工作。可以调用测量机内部的测量模块，按照菜 单提示进行操作，如点击测量平面命令，则会显示最少打三个点，选择待测平面，打三 个点按确定后，生成d m i s 程序。 2 3 曲面的c m m 测量方式 三坐标测量机测量曲面时，根据测量方式的不同又分为点位触发式、连续扫描式与 编程式口引。以下对这三种测量方式下如何测量曲面进行分析研究。 2 3 1 点位触发式 点位触发式测量是由人工操作或计算机控制，使测头逐点探测被测物体表面。这种 测量方式，适用于触发式开关测头，也适用于测微式模拟测头，是三坐标测量机中使用 最多的测量模式。如下图2 1 所示，测头由初始位置a 处，直线运动到探测工件表面b 点，再沿矢量方向慢速探测点c ，之后快速到达d 点，再慢速探测e 点，如此反复，逐 点测量，直到完成曲面测量，后移动到安全位置h 处。快速移动的目的是为了提高测量 效率，慢速探测是为了保证测量精度。其中，点b 、d 、f 称为“避障点 ，点c 、e 、g 称为“探测点 ，b c 、d e 、f g 为“探测方向矢量。 8 第二章c m m 测量曲面技术研究 图2 - 1 点位触发式 f i g 2 - 1p o i n t - b y - p o i n tm e a s u r i n g 当测头在c 、e 、g 等点以低速沿探测方向前进与工件表面接触后，要先退后- d , 段距离，以保护测头免受损害。这段距离为回退距离，一般设置为零点几毫米到2 毫米， 再走向避障点d 、f 、h 。如果测量已知的几何要素，这些“避障点 、“探测点 、“方向 矢量 可以通过程序自动生成。如果测量未知要素，要通过手动测量并用自学习程序记 录。点位测量法需要测头脱离工件后再与工件接触，这期间的加速、减速、反向都需要 一定的时间缓冲，测量速度慢，但测量精度高。 当测量机使用触发式测头时，根据c m m 在测量过程中所走路径的规律，需要通 过作以下设置：( 1 ) 接近距离：即预接触距离，是指测头边缘到被测零件表面公称尺寸 上接触点的距离。当测头进入预接触距离后，测头将以测量速度前进。“避障点 的设 置可以通过设置的接近距离来保证；( 2 ) 搜索距离：搜索距离设定了测头从零件的公称 尺寸开始沿进入被测零件材料内部方向的最大距离，如果测头在走完这段距离后还没有 碰到接触点，c m m 将给出错误信息，并且停止测量程序的执行。在搜索距离阶段，测 头以测量速度前进；( 3 ) 回退距离：回退距离是测头接触被测表面后沿反方向回退的距 离。设置回退距离是为了避免探针接触被测表面后移动过量而折断，探针需要反方向退 出一定距离。同时回退距离必须足够大，以保证测头能够安全地到达下一个预接触点或 定位点。回退距离