（机械制造及其自动化专业论文）基于cmm的逆向工程中测量技术的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 逆向工程作为先进制造技术的一个分支，近年来一直是人们的研究热 点。目前，已经在家电、汽车、航天等领域有了广泛应用。逆向工程表现为 对原型的参照设计，在只有实体而没有工程图纸的情况下，利用三维数据获 取装备取得实体的三维数据，然后利用三维重构软件生成实体的几何模型， 最后在此基础上生成数控加工程序控制数控机床或应用快速原型机加工出 样件m ”。 文中在全面归纳、总结国内外对逆向工程的研究现状及存在的问题的基 础上，对以三坐标测量机为测量设备的逆向工程中遇到的问题，如三维数据 获取、系统间的数据转换进行了研究；以接触式三坐标测量机( c o o r d i n a t e m e a s u r em a c h i n e s ，c m m ) 为数据获取装置，对三坐标测量机的测试技术和测 量系统进行大体的介绍，并在现有技术的基础上提高接触式测量方法的测 量的效率，即改进接触式测量方法的测量规划技术；在实现常用数据获取和 数字化样件方法的同时，改进测量规划技术，使测量的目的性和效率大大提 高。并对测量数据的预处理过程进行了分析，并编写了一部分数据预处理程 序，提高了测量效率，并为后续的模型重构及原形制造创造了有利条件。并 对多次测量过程中的数据多坐标转换等进行了研究。 分析了逆向工程与传统设计方法的区别、逆向工程的关键技术以及目 前在国内外的发展现状。 分析了三坐标测量机的控制系统、测头系统及相应的精密测量装置， 提出了不同的测量路径规划方法，着重对测量路径规划及如何提高测量效率 进行了研究。 编制了数据预处理过程的部分程序，研究了测量过程中由于多次定位 而带来的数据多视图拼合问题。将测量文件格式进行转换后，利用刚性变换 矩阵来实现将多次定位下的数据拼合到第一次定位下的坐标系中的方法，减 少逆向造型人员的工作量。 关键词：逆向工程；三维数据获取；控制系统；数据预处理 基于c m m 的逆向工程中测量技术的应用 a b s t r a c t r e s e a r c h e n g i n e e r i n g ，o n e b r a n c h o f a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i e s ，i sa l w a y st h eh o ti s s u ei nt h ey e a r s i nh o m ee l e c t r i c ia p p l i a n c e ，c a r a n da s t r o n a v i g a t i o n ，i th a sb e e nu s e db r o a d l y r e v e r s ee n g i n e e r i n gi sad e s i g n a c c o r d i n gt ot h ep r o t o t y p e w h e nt h e r ei sn ob l u e p r i n tb u tt h ep r o t o t y p e ，w ec a n o b t a i nt h et h r e e - d i m e n s i o n a ld a t ao ft h ep r o t o t y p e ，m a k i n gu s eo ft h ee q u i p m e n t w h i c hc a nm e a s u r et h e p r o t o t y p e a n d t h e nt h eg e o m e t r i c a lm o d e lc a nb e g e n e r a t e dt h r o u g ht h es o f t w a r eo ft r i d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o n a tl a s t t h en c p r o g r a m ，b a s e do nt h eg e o m e t r i cm o d e l ，w a su s e dt oc o n t r o lt h en cm a c h i n et o p r o c e s st h ep r o t o t y p e i nt h i s p a p e r ，t h ep r o b l e mi n r e v e r s ee n g i n e e r i n gw i t ht h ec m m ，s u c h a s ，a c q u i s i t i o no ft r i d i m e n s i o n a ld a t a ，d a t ac o n v e r s i o na m o n gt h es y s t e m s ，d a t a s p l i c ef r o md i f f e r e n tv i e w , a r ea n a l y z e d ，b a s e do nt h ec o m p l e t es u m m a r yo ft h e e x i s t i n gc o n d i t i o na n do p e nq u e s t i o n sw i t ht h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l s c o p e w i t h t h ec m ma st h et r i d i m e n t i o n a ld a t a a c q u i s i t i o n e q u i p m e n t ，g e n e r a l l yi n t r o d u c e dt h em e a s u r i n gt e c h n o l o g i e sa n ds y s t e m i m p r o v e t h em e a s u r i n ge f f i c i e n c yo nt h eb a s i so ft e c h n o l o g i e si ne x i s t e n c e a n a l y z e dt h e p r e p r o c e s s i n gp r o c e s so ft h et r i - d i m e n t i o n a ld a t a ，p r o g r a m m ep a r t so ft h ed a t a p r o c e s s i n gs o g t w a r es y s t e m ，c r e a t e s o m ef a c i l i t i e sf o rt h ep r o c e s so ft h e r e c o n s t r u c t i o na n dr a p i d f o r mp r o c e s sa f t e r w a r d t o a n a l y z et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h er e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dt h e t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d o l o g y ，t h ek e yt e c h n o l o g i e so fr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n d i t sp r e s e n ts t a t ei nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr a n g e 。t o a n a l y z et h ec o n t r o l e rs y s t e m ，t h ep r o b es y s t e ma n dt h ep r e c i s e e q u i p m e n t so ft h ec o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e a d v a n c ed i f f e r e n tw a y so f m e a s u r i n gp l a n n i n gw h i c ha r ea p p l i c a b l et od i f f e r e n tp r o t o t y p e e m p h a s i z e dt h e d i s c u s s i o nt h a tt h ep a t hd i c i s i o np l a n n i n ga n dh o wt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f t h em e a s u r i n gp r o c e s s t op r o g r a m m ep a r to ft h ed a t a p r e p r o c e s s i n gs y s t e m ，a n d s o l v e dt h e p r o b l e mo fm u l t i p l eb e a r i n gi nm e a s u r i n gp r o c e e ，m a k i n gu s eo ft h er i g i d i t y t r a n s f o r m a t i o nm a t r i x ，t h ed a t ao fd i f f e r e n tc o o r d i n a t es y s t e m sc a nb es p l i c e d i n t ot h ef i r s tc o o r d i n a t ei nr e s p o n s et h e3p o i n t sl o c a l i z a t i o np r i n c i p l e k e y w o r d s ：r e v e r s e e n g i n e e r i n g ；c o n t r o i i e r ；d a t ac o n v e r s i o n ；m u l t i v i e w s s p l i c e ；p r e - p r o c e s s i n go fd a t a 硕士学位论文 插图索引 图1 1传统设计方法设计流程2 图1 2 逆向工程流程2 图2 1德国z e i s s 公司电感测头9 图2 2 每层导轨上三种机构1 1 图2 3 莫尔条纹1 2 图2 ，4 光栅读数系统原理图1 3 图3 1 控制系统原理图1 5 图3 2 控制系统框图1 7 图3 3 手动型控制系统框图1 8 图3 4 控制集中控制系统框图2 0 图3 5qi 数控系统原理框图2 l 图3 6 分布式控制系统框图2 3 图3 7 扫描进给方向2 4 图4 1曲线与逼近曲线法矢3 0 图4 2 “p ”形点阵法示意图3 4 图4 ，3 样件测量步骤3 4 图4 4 安全帽结构图3 5 图5 1 数据显示3 8 图5 2 双三次b e z i e r 曲面的拟合图形示例4 2 图5 ，3数据多对多格式的转换原理图4 5 图5 4 采用中间格式进行数据转换示意图4 6 基于c m m 的逆向工程中测最技术的应用 附表索引 表4 1描述个规则元素所需的最少数据点数2 8 i v 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其它个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 拳乏科 日期：彬劳多月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或 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 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 善名斟 舒拍 j 日期：d 7 年多月f 日 日期2 夕年彻纱日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 逆向工程与传统设计方法的区别 逆向工程的特点是： ( 1 ) 可以使企业快速响应市场，大大缩短产品的设计、开发及上市周 期，加快产品的更新换代速度，降低企业开发新产品的成本与风险。 ( 2 ) 适合于单件、小批量、形状不规则的零件的制造，特别是模具的 制造。 ( 3 ) 对于设计与制造技术相对落后的国家和地区，逆向工程是快速改 变其落后状况，提高设计与制造水平的好方法。 逆向工程与传统设计制造方法的主要不同之处在于c a d 模型的获取 方法。 传统的产品设计、制造的过程为：根据市场需求抽象出产品的功能描 述，进行概念设计，在此基础上进行总体及详细的零部件设计，制定工 艺流程；加工出产品后再进行检测及装配，发现问题还要再次返修并重 复这一过程。这这种传统方法设计制造一个新产品周期长，更新换代慢， 在市场竞争激烈的今天很难满足用户的需要。其流程图如图1 1 所示。 逆向工程的工作流程为：根据模型或实物样件，对其进行三维数据扫 描，提取出三维数据，然后借助于三维软件重构出c a d 模型；由三维软 件的c a m 功能形成数控指令控制数控机床加工零件或生成s t l 文件驱动 快速成型设备生产出产品原型。其流程图如图i 2 所示。 这项技术改善了设计过程中的人机交流，从而缩短了产品设计开发的 周期，加快了产品更新换代的速度，使企业得以抢先占领市场，取得丰 厚的回报。 1 2 逆向工程的关键技术 1 2 1 数据获取 逆向工程中，准确、快速、完备的获取实体的三维数据，是实现逆向 工程的重要步骤之一，它是后续工作的前提1 。常见的三维数据获取方 法主要有接触式和非接触式两大类，而测量系统与实体的结合方式不外 乎光、声、机、电等方式。 基于c m m 的逆向工程中测爱技术的应用 图1 1传统设计方法设计流程 图1 2 逆向工程流程 接触式测量设备主要是三坐标测量机c m m 。三坐标测量机作为一种精 密的几何测量仪器，在工业中有着广泛的应用1 。它的特点是：测量精 度高，对被测物体的材质和色泽无特殊要求，对不具有复杂内部型腔， 2 硕士学位论文 特征几何尺寸多，只有少量特征曲线的物体，c m m 是一种非常有效且准确 的测量工具。但它也有设备昂贵、对使用环境温度要求高、测量数据密 度低等缺点。这些缺点限制了它在逆向工程中的应用。 非接触式测量方法目前有投影光栅法、激光三角形法、工业c t 等。 与接触式测量相比，非接触式测量具有测量速度快，数据量大的优点。 有些方法，如工业c t ，还具有不破坏零件而获得内部型腔数据的特点。 但这些方法一般测量精度不会太高，具体应用中选择哪一种方法还要视 情况而定。 1 2 2 测量结果的预处理 由于曲线曲面构建的方法有多种多样，对测量数据的质量、密度、组 织形式的要求不尽相同，并且实体的三维数据是通过坐标测量机得来的， 无论是接触式c m m 还是非接触式的扫描设备，不可避免的会引入误差， 尤其是产品边界附近的测量数据。另外，测量数据中的坏点，也可能会 使该点及周围的曲面片偏离原曲面，所以有必要对原始测量数据进行预 处理，以尽量减少误差。预处理的主要内容有以下几个方面： ( 1 ) 数据平滑 由于实际测量过程中受到各种人为和随机因素的影响，使得测量结 果包含噪声，为了降低噪声对后续建模质量的影响，有必要对测量数据 进行平滑滤波。数据平滑常用的算法有：标准高斯滤波、平均滤波或 中值滤波。 ( 2 ) 数据精简 对于高密度测量数据，其中会存在相当部分的冗余。所以为了减轻 三维重构时的工作量可以根据需要按一定要求减少测量的数量。不同的 测量数据可采用不同的精简方法：散乱点可通过随机采样方法精简；扫 描线和多边形数据可采用等间距缩减、倍率缩减、弦偏差等方法；网格 化数据可采用等分布密度法和最小包围区域法进行数据缩减“”。数据精 简只是对原始数据中的部分点进行了删减，并不产生新点。 ( 3 ) 数据多视图拼合 在实际测量过程中，往往无法一次装卡就完成整个被测实体的全部 测量工作，通常的做法是把被测实体重新定位，以另一个更有利的方向 测量其不同方位的数据。这就涉及到多次装卡定位所测得数据的多视图 拼合问题。方法一般有三种：点位法、固定球法以及平面法】。点位法 需要在测量点中确定三个非共线点，以此作为多个分视图的局部坐标系 标准；固定球法一般要为被测实体关联相对固定的非共线实体，或者利 基于c m m 的逆向工程中测量技术的应用 用被测实体本身具有的类似特性，在多方位下分别测量。目前，多视图 间的视图有效拼合是逆向工程的难点之一。 ( 4 ) 特征提取 可根据给定的曲率变化寻找数据中的边界、棱边、坑孔等突变特征， 用于后续建模时的区域划分。 1 2 3 三维重构 按照数据的不同产生方式，c a d 模型的产生方式有基于特征的建模方 法、基于切片数据的建模方法、基于可变形模型的建模方法以及整体的 自动建模方法等方法。特征建模能够表达产品的设计意图，适合于大多 数的工程零件，单个特征拟合时速度快，但由于其交互式的进行区域分 割，面片相交，降低了建模的整体速度，特别是对于具有复杂曲面的的 物体交互操作往往既费时又难以保持精度；曲面整体建模避免了区域划 分和相交处理，但由于用一种面表示实体，对于工程零件没有表示出产 品设计意图。可变形建模由于对数据的特殊要求，限制了其应用范围。 逆向工程的理想建模应当是可以适用于任意数据分布、任意形状物体的 自动化通用建模系统”。 1 2 4 原始参数还原及改进 原始设计参数还原是逆向工程达到更高阶段的关键所在，是设计反求 与工艺反求的结合点n “。其直接目的是解决实物反求的去伪存真问题， 即剔除在产品中的制造、装配、磨损、测量、计算等误差，在防止误差 扩散的情况下还原其设计参数。但更根本的目的是从本质上理解原设计 对各种设计因素间关系的处理办法，找出经过时间证明是正确的设计思 想及结果，以帮助我们提高自助设计能力，并在此基础上进行创新设计。 1 3 逆向工程的应用领域 ( 1 ) 快速模具制造或原件复制引 制作出的部件或模具可以提供给设计者验证设计，进行性能分析。 市场调研部门可以把产品展示给用户和各个部门，尽量在新产品投放市 场之前完善设计，生产出适销对路的产品，以降低风险。 ( 2 ) 计算机辅助工业设计c a i d 计算机辅助工业设计( c a i d ) 是在c a i d 系统支持下的进行的工业设 计领域的各类创造型活动，是以计算机技术为辅助工具的信息时代下的 产物n “。它的内容包括：计算机辅助视觉传达设计、计算机辅助人机工 4 硕士学位论文 程以及计算机工业设计艺术美评价系统等。从广义上讲，c a i d 是c a d 领 域的许多方法与技术都可以借鉴。特别是在计算机辅助工业造型方面， 逆向工程可以非常好的应用到三维模型的获取上，由三维数据扫描装置 获取实体的三维数据，用目前国际上较先进的变量化三维设计软件 i d e a s 、u g 及3 d m a x 、p h o t o s h o p 等辅助工具，工业设计师可以在逆向工 程快速产生的三维模型上充分发挥创造才能，添加上所希望的各种约束 于特征来生成各种形状非常复杂的的实体。另外，i - d e a s 、u g 等软件提 供了多种国际通用的数据转换格式，可以输入到3 d m a x 中进行后续处理， 以增强产品的视觉效果和艺术美观，实现产品性能和艺术美的完美结合， 并大大加快了整个设计的过程。 ( 3 ) 产品的改型设计 反求不是简单的仿制，并不仅仅满足于复制出和原零件毫无二致的零 件，而是希望在原产品的基础上加以改进，派生出更好的、新的产品， 显著提高新产品的技术水平，并在对原产品的原理、结构、材料、精度、 使用维护分析的基础上，采用价值工程、人机工程、相似理论、精度设 计、动态设计、可靠性设计等现代化设计方法对其进行改进和提高，以 制造出更好的产品。因此，逆向工程技术有助于企业迅速消化国内外先 进技术，确保自身的同行业中的技术与竞争优势。 1 4 逆向工程的发展现状 1 4 1 国外逆向工程技术的应用研究 这项技术于2 0 世纪8 0 年代分别由美国3 m 公司、日本名古屋工业研 究所以及美国l v p 公司研制开发成功并初步进入实用的。进入2 0 世纪9 0 年代以来，逆向工程技术被置于大幅度缩短新产品开发周期和增强企业 竞争能力的重要位置上。 1 9 9 8 年，全球逆向工程技术系统加工中心达到3 3 1 个，拥有快速成 型设备6 6 0 余台，同时有2 7 个快速成型设备制造公司，1 2 个较大规模的 材料供应商，1 5 个专业软件公司，再加上从事该项目的5 1 个教育和研究 机构以及2 2 7 个提供赞助的基金会以及大量的激光设备应用者，形成了 一个强大的群体。在经过了初期的5 0 的高速增长后，逆向工程实际应用 的增长率保持在17 左右n ”。 迄今，在国际市场上不仅有许多反求测量设备，也出现了多个与逆向 工程相关的软件系统。主要有：美国i m a g e w a r e 公司的s u r f a c e r l 0 5 、 英国d e l c a m 公司的c o p y c a d 、英国m d t v 公司的s t r i ma n ds u r f a c e 基于c m m 的逆向工程中测鼍技术的应用 r e c o n s t r u c t i o i l 。在一些主流的c a d c a m 系统中也集成了类似的模块， 如u n i g r a p h i c s 中的p o i n t c l d u d 功能、p r o e n g i n e e r i i l g 中的p r o s c a n 功能等。日本开发了从m r i 、c t 重构三维实体的软件，英、法等国能将 扫描数据在数控设备上复制，美国开发了c t 可视化转化成i g e s 的软件。 在越来越激烈的市场竞争中，这项技术已被先进工业国家的众多公司 所实际应用，以使其在市场竞争中抢先一步，特剐是在家电、汽车、玩 具、轻工、建筑等行业得到推广，并已取得巨大的经济效益。 1 4 2 国内逆向工程技术的应用研究 在我国，90 年代中后期，逆向工程技术也得到了快速的发展和推广， 有不少企业和科研院所在此领域内展开了研发工作。 如浙江大学、华中科技大学、西安交通大学、西北工业大学等高校开 展的较早并已经取得了一定的成果。浙江大学c a d 中心在c t 复原三维模 型方面开展了大量的研究工作，推出了r e - s o f t 、i c c c 软件系统；华中 科技大学开发了三维激光彩色扫描系统3 d l s c 9 5 ，1 9 9 5 年获得国家专利 n ”；上海交通大学利用b p 神经网络重构出逆向技术中的基于数字化点的 曲面：清华大学激光快速成形中心进行了照片反求、c t 反求的研究“。 通过照片反求出模型后，用r p m 系统制造出该物体的原型。c t 反求是指 利用人体器官或工业零件的c t 切片扫描文件，经过图像处理，提取实体 的平面轮廓线，再经过层片间的插值得到可以被r p m 系统接受的层片文 件格式。西安交通大学完成了激光扫描法实验室系统的研制，并开发了 逆向工程的核心软件一c a d 模型重构软件。 1 5 选题依据及主要研究内容 逆向工程是一项具有重要实际意义的产品开发技术，它所具有的许多 优点在某种程度上已经成为反映一个国家或企业设计与制造水平的标 志。特别是对于技术相对薄弱的企业耍想在市场竞争中占据优势，适当 的采用逆向工程技术是一种有效的技术保障。 鉴于逆向工程技术的重要意义，结合我院的实际条件，并在导师多年 实践经验指导的前提下，提出此课题进行研究。 课题研究内容主要有以下几方面： ( 1 ) 数据获取方面：分析了接触式三坐标测量机的控制系统、测头结 构及精密测量装置的原理。重点对逆向工程中的测量规划技术进行了研 究，分别对不同情况下的测量路径规划问题进行了分析，归结了影响测 量效率和规划的因素，并从整体的逆向工程设计方面对测量过程进行了 6 硕士学位论文 分析，尽可能的减少了测量所需的时间。 ( 2 ) 数据预处理方面：研究了由于测量过程中多次定位所带来的数据 多视图拼合问题，数据格式转换问题及图形在线拟合问题，编写数据预 处理程序，减少了逆向工程中拟合流程的工作量，并提高了测量效率， 缩短整个逆向工程所需的时间。 7 基于c m m 的逆向工程中测量技术的应用 第2 章三坐标测量机的精密测量装置 2 1 三坐标测量机系统概述 三坐标测量机是精密的测量机器，集机、光、电、声于一体，是在 多种技术综合发展的基础上发展起来的n ”，测量机机械结构最初的原形 就是精密机床。由于三坐标测量机的测量精度可达到非常小的范围之内， 所以其的机械结构的精度要求非常高，从主机到传动机构，从导轨到标 尺系统，从转台到各种附件等等，无一不是高精度产品“。但其中最重 要的要数信号拾取机构和标尺系统，即测头和标尺。测头是三坐标测量 机的灵魂，对测量精度起着至关重要的作用。标尺则是读出测量结果的 关键产品，没有高精度的标尺即使再高的测量糖度也无从表达。 2 2 测头结构 按测量方法，测头可分为接触式和非接触式。接触式又可分为硬测头 和软测头( 模拟式) 两类。硬测头多为机械式测头，主要用于手动测量。 由于人手操作，测量力不易控制，测量力的变化又可引起瞄准精度的下 降。而软测头的测端与被测工件接触后，测端可自动偏移，传感器进而 输出开关信号并发出采样信息。软测头不仅可作为触发式测头使用，并 且可以扫描测量，大大提高了测量速度，由此也成为现在广泛使用的一 种测头。非接触式测头在现阶段主要为光学式测头，利用光学反射原理 来获得坐标值，提高了测量速度，但由于受光学各要素的影响，同时也 降低了测量精度。 今年来，三坐标测量机测头主要有以下的发展趋势n “： ( 1 ) 研究开发新型、高精度测头； ( 2 ) 提高测量速度； ( 3 ) 发展测头附件； ( 4 ) 发展非接触式测头； 在现今的三坐标测量机中，使用最多、应用最广的是电气模拟测头。 电气测头主要采用电触、电感、电容、应变片、压电晶体等作为传感器 来接受测量信号，可以达到很高的测量精度，并且有较高的测量速度， 这也是电气模拟式测头在测头中占重要位置的一个原因。下面着重介绍 一下模拟式测头的结构。 如图2 1 所示为德国z e is s 公司生产的三层簧层叠式电感测头沁3 1 “。 8 硕士学位论文 其特点是在三个坐标方向上都设有传感器，可以分辨三个方向上的信号， 并分别显示三个分量，可作扫描测量，也可作数控检测的自动化测头。 转接座1 7 上布置了五个探针，这是可互换的探针系列，其中x 、y 向各两个探针，z 向有一个探针，可方便的对工件进行触测。通过更换触 针，使z 方向除能进行上断面的测量外，还可进行下断面的测量。由于 该种测头的探针很多，故称为“星形测头”，它的测量精度较高，可达 0 1 朋内。 测头采用三层片簧导轨结构。转接座1 7 借助于具有两个片簧的平行 四边形1 6 可作x 向运动。平行四边形机构1 6 又固定在平行四边形1 的 下方，借助于1 中的两条平行片簧，转接座t 7 可作y 向运动。平行四边 形1 又悬挂在平行四边形机构3 的右侧，依靠它的片簧导轨可作z 向上 下平移运动。该悬挂系统就是三个内部己连接好的无间隙、无摩擦并有 很高抗扭刚度的导向系统的综合。为了增强片簧刚度和稳定性，片簧中 部为金属压板。为了保证是水平安放，故采用三组弹簧2 、1 4 、1 5 加以 平衡。可调弹簧1 4 的上方有一螺旋升降机构，靠控制电机1 0 转动螺杆 1 1 使螺母套1 3 升降来自动调整平衡力的大小。当变换探针时，可调弹簧 1 4 平衡重力。为了减少z 向弹簧片受剪切应力而引起变位，设置了弹簧 2 、1 5 ，用以平衡测头x 、y 部件的自重，以保证z 轴位移的精确。 图2 1德国z e i s s 公司电感测头 对每一个运动方向，都有一层运动导轨。在每层导轨中间，各设置 了三种部件。一是精密零件锁紧部件，如图2 2 a 所示。定位块上6 上 有一凹槽，它与锁紧杠杆4 的圆锥头5 精密配合，以确定机械的零位。 9 基于c m m 的逆向工程中测龟技术的应用 如果需要放开时，将可逆电机2 逆时旋转，拔销1 压紧杠杆4 ，使圆锥头 5 抬起，这时，此方向处于自由状态。需锁紧杠杆4 时，将可逆电机2 顺时针旋转，拔销l 不压紧杠杆4 ，在弹簧力3 作用下，将圆锥头5 进入 凹槽内，实现“零位锁紧”。二是传感器部件2 2 b ，用以测出位移量的 大小。在该方向相对运动的两个件上，一面固定磁心3 ，另一面固定线圈 2 及其支架l 。为了进行精确测量，必须建立“电气零点”，而这个“电 气零点”要与该方向的“机械零点”相重合，精度要求较高。三是阻尼 机构，如图2 2 c 所示。在作相对运动的的上板l 和下板4 上各固定片2 和3 。在片2 与片3 之间形成毛细间隙，中间放入粘性硅油。由于硅油的 粘结力，使它们在沿片簧导轨运动时，产生阻尼力，避免由于片簧机构 过于灵敏而产生振荡。 1 罄匿 “ 图2 2 每层导轨上三种机构 ( a ) 零位锁紧机构( b ) 传感器部件( c ) 阻尼机构 在测头上部，还设置了预置测力与预置各轴位移的机构。将这两个 机构设置在测头上部，这样可以既避免受平行四边形框架内空间限制， 同时又有利于减小执行元件发热对测头的影响。在测量某一方面时，需 将测头测端在该方向预先伸出一个距离，到与工件接触后，测头先发出 降速信号，然后进行微动。待测头过零时，即发出过零信号，测头又转 入下一个快速送进运动。x 与y 方向的预置测力和位移的机构是相同的 ( 图2 1 中只表示x 方向) 。在电磁线圈6 中通以一定电流，它使杠杆5 绕十字片簧铰链8 转动，推动杆7 绕波纹管4 构成的铰链摆动。杆7 的 下方通过片簧与转接座1 7 相连。当杆7 绕波纹管4 的回转中心o 摆动时， 它使转接座1 7 移向一方，并将测力传递到测端1 8 上。测力的大小可通 过电磁线圈的电流方向而定。z 方向预置测力装置是利用电磁铁9 产生 1 0 硕士学位论文 的。由于电磁铁的作用，使z 方向有一个上升或下降的初始位置。它通 过项杆1 2 推动z 向导轨的动板。但z 方向测力的大小不仅取决于电磁铁， 还与弹簧1 4 、1 5 和顶杆1 2 的小弹簧的刚度大小有关，因此在设计时要 综合计算。 2 3 标尺装置 目前国内外坐标测量机上使用的测量系统种类很多。它们和各种机床 与仪器上的测量系统大致相同。例如精密丝杠、高精度刻线尺、感应同 步器、磁尺、码尺、激光干涉仪等。这些测量系统可分为机械式测量系 统、光学式测量系统和电气式测量系统。由于光栅具有不受干扰、精度 高等特点，在现在市场上的三坐标测量机中获得了广泛的使用弛”。 光栅测量的基本原理：由一个定光栅和一个动光栅合在一起作为检测 元件，靠它产生莫尔条纹来检测位移值“。通常，长光栅安装在坐标机 的固定部件上。当短光栅尺( 指示光栅) 的线纹与标尺光栅( 长光栅尺) 的透明间隔完全重合时，光电元件受到的光线强度最小，理论值为0 ；当 指示光栅的线纹部分与标尺光栅的线纹部分完全重叠时，光电元件接受 到的光线强度最大；当标尺光栅的线纹与指示光栅的线纹保持一定间隙， 重叠在一起，并在自身的平面内转一个很小的角度，时，两块光栅之间的 线纹相交，组成一条条黑白相间的条纹，如图2 3 所示，称为“莫尔条 纹”。它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列。莫尔条纹的移动与栅距 之间的移动一一对应。若光栅尺每毫米有5 0 条刻线，当移动部件移动 xm m 时，光栅尺的莫尔条纹就要移动过5 0 x 条。由图可以看到，若光栅 尺上的栅距为w ，则莫尔条纹节距 占： 丝 。丝 2 s i n ( r 2 ) r 2 1 由于通常，通常很小，这样莫尔条纹就有一种放大作用，它将很小的 栅距放大为奠尔条纹节距，便于放置光电元件与接受信号。光栅副( 标 尺光栅与指示光栅) 每相对移动一个栅距，莫尔条纹移动一个间距。莫 尔条纹移动一个节距。莫尔条纹是由大量( 数百条) 光栅刻线共同形成 的，因此它对光栅的刻线误差有平均作用，提高了位移检测精度n ”。由 于这些原因，光栅尺在三坐标测量机中获得了广泛应用。 图2 4 是光栅是光栅读数系统的基本工作原理图。光栅尺3 固结在测 量机的固定部件上，光栅读数头周结在移动部件上，光栅头由光源1 、聚 光镜2 、指示光栅4 和光电元件5 组成。由光源1 发出的光经聚光镜2 图2 4 是光栅是光栅读数系统的基本工作原理图。光栅尺3 固结在测量 基于c m m 的逆向工程中测鼍技术的应用 机的固定部件上，光栅读数头固结在移动部件上，光栅头由光源l 、聚光 镜2 、指示光栅4 和光电元件5 组成。由光源1 发出的光经聚光镜2 形 图2 3 莫尔条纹 成莫尔条纹。光栅头每移动一个栅距，莫尔条纹变化一个周期，光电元 件5 将莫尔条纹的亮暗转换成电信号。为了读出光栅头移动过一个栅距 内的信号，采用细分电路，即在莫尔条纹变化一个周期内，发出若干个 细分脉冲。可逆计数器记录这一脉冲数。光栅头向不同方向移动时，可 逆计数器按不同方向计数。计数器所计的数值代表光栅头的位移量”“。 之吖、二? 爹彩碜 二 影 ”彩 、一 一 图2 4 光栅读数系统原理图 硕士学位论文 2 4 倍频细分卡 光栅尺传感器发出的两路方波信号需要进行倍频细分处理，细分技术 是应用数字传感器时常用的一种技术，其目的是提高测量分辨率和准确 度n ”圳。光栅尺输出的方波脉冲，每个脉冲间隔相当于一定的被测量， 成为脉冲当量，脉冲当量即为该传感器的分辨率。所谓细分，就是在原信 号的一个脉冲间隔内，均分处n 个脉冲间隔，使脉冲当量减小到原来的 l n ，将分辨率提高n 倍1 。准确度能否按同样比例提高，要进行具体分 析，因为细分也是有误差的。 基于c m m 的逆向工程中测量技术的应用 第3 章三坐标测量机的控制系统 3 1 三坐标测量机控制系统的特点 控制系统是三坐标测量机的关键组成部分，在三坐标测量机运行过程 中，涉及到测量机的方方面面。在三坐标测量机的发展历史上，经历了 从手动型到自动型的一个发展过程，以及到现在的自动测量，其与计算 机电子的技术发展是密切相关与同步的。其主要功能是；读取空间坐标 值，控制测量瞄准系统对溺头信号进行实时响应与处理，控制机械系统 实现测量所必须的运动，实时监控坐标测量机的状态以保障整个系统的 安全性和可靠性，有的还包括对坐标测量机进行几何误差与温度误差补 偿以提高坐标测量机的测量精度等。 在三坐标测量机中，测量进给与普通的数控机床的加工迸给基本相 同，但同时又有以下的特点心“： ( 1 ) 精度高三坐标测量机首先要保证空间精度，位置控制精度应达 到与空间测量分辨率相当的数量级。用模拟测头进行c n c 扫描测量时， 则要求更高。 ( 2 ) 运动平稳为保证高精度测量，要求测量进给平稳。特别是在低 速探溯运动时，要求无爬行、无冲击 ( 3 ) 响应速度快测量进给有很多往复运动，要求伺服系统频繁的启 动与停止，在正转与反转、高速与低速之间频繁的切换。 ( 4 ) 调速比宽目前高速坐标测量机的运动速度可达3 0 0 m m s ，而在 低速探测时运动速度又很低。c n c 扫描测量时要求速度控制到每秒几个毫 米，这就要求坐标测量机的运动速度在o - 3 0 0 m m s 之间连续可调。 3 2 控制系统的原理 三坐标测量机在x 、y 、z 三个方向装有三根光栅尺及电机、传动装置 等，数控系统以控制器为核心，控制器不断的将计算机给出的理论位置 与光栅反馈回来的实测位置相比较，随时调整输出的驱动信号，努力使 测量机的实际位置与计算机要求的理论位置保持一致1 。 由图3 1 可以清楚的看到数控系统的工作原理。它主要是由三个控制 环组成：电流环、速度环及位置环。并且不但具有p i d 调节功能，还具 有速度、加速度前馈控制。 1 4 硕士学位论文 图3 1控制系统原理图 电流环：在驱动器内部闭环，它的作用是减少电源电压波动的影响， 提高控制力矩的线性度，以使系统恒流启动、制动；同时防止功率转换 电路及电机过电流。 速度环：在驱动器、电机及测速机组成闭环。它的作用是稳定电机的 转速，提高系统的刚性，改善系统阻尼，减少非线性度。 位置环：由光栅与控制器组成闭环。它的作用是将计算机给出的理论 位置与光栅反馈回来的实际位置进行比较，利用p i d 调节和速度、加速 度前馈控制，调整输出的驱动信号，控制测量机的运行状态，减少机器 运行过程中的跟随误差和到位误差。 p i d 调节；p i d 调节即比例、积分、微分调节。它们的作用是： p 参数：此参数决定了系统对位置误差的整个响应过程。提高p 参数， 可提高系统的刚性，减少机器的跟随误差和到位误差。若p 参数太大， 系统可能产生振荡；着p 参数太小，系统很稳定( 无振荡) ，但刚性差， 机器的跟随误差和到位误差大。 i 参数：积分增益i 是通过增大输出电压使控制系统克服由摩擦力和 负载引起的静态到位误差。积分增益很小或为零，可能会有静态到位误 差，这个误差取决于静态或摩擦负载及比例增益的大小；增大积分增益 可以减小到位误差，但若积分增益太大系统可能在理论位置上下振荡( 低 频振荡) 。 d 参数：此参数通过阻止误差变化过冲给系统提供阻尼和稳定性。微 分增益低，使系统对位置误差响应快，但位置改变后，可能会产生过冲： 微分增益过高，系统响应较慢，不过可以允许比例增益较高而不振荡， 但电机可能嗡叫。 3 3 控制系统的结构 早期的三坐标测量机以手动型和通过操纵杆控制机械运动的机动型 基于c m m 的逆向工程中测量技术的应用 为主，当时的控制系统主要完成空间坐标值的监控与实时采样。随着计 算机技术及数控技术的发展，c n c ( c o m p u t e rn u m e r icc o n t r o l ，计算机 数字控制) 型控制系统变得日益普及，高精度、高速度、智能化成为坐 标测量机发展的主要趋势3 。 三坐标测量机是一高精度测量仪器，集机、光、电、计算于一体。 它典型的工作模式是：系统计算机根据测量的需要，向运动控制器发出 一系列的指令。包括测量机测头运行的方向、速度、轨迹曲线、测量目 标等；运动控制器则根据要求，计算出计算出整个运动过程不同时刻各 轴具体的运动速度、运动方向、加速度变化等，实时的给各轴发出楣应 的电信号。在运动过程中。运动控制器实时读取各轴编码器的反馈信号， 根据具体情况实施控制“。在测量机测头对目标进行测量的过程中，运 动控制器预设好对测头触测事件的反应，一旦发生触测，硬件信号送到 运动控制器，测头触测瞬间的有关数据被自动记录下来，同时运动控制 器适当的调整测量机各轴的位置以保护测头不受损伤，并将测量数据送 到系统计算机，从而完成一次测量过程。测量过程的各项参数，用户可 根据具体情况自行设置和调整。 系统还配备了手控装置可对测量机实现手动操作。手控装置上装有 类似游戏机手柄的操作手柄及对各个轴运行状态的控制按钮等。对于手 动测量，用户只需操纵手控装置的手柄，即可直接以各种不同的速度操 纵测量机测头的空间运动。配合手控装置上的控制按钮，还可以进行各 轴运行速度的设置及轴位锁定等操作。在手动测量过程中，除了按手控 装置的状态驱动测量机各轴运动外，运动控制器还保持对系统事件的反 应，如测量机运行中遇到限位开关时，测量机将自动回退：又如测量机 测头发生触测动作时，可做出相应反应，以保护测头不受损伤等。在保 护了系统安全的同时也方便了手动测量工作的进行n “。其工作原理图如 图3 。2 所示 从图3 2 中可以看出，数控系统主要是由控制器、驱动器、细分器、 光栅、测头、电机几部分组成。 控制器：控制器是整个数控系统的核心，它一般具有运动控制、计 数、保护等功能。先进的控制器都具有比较完善的调试和自检功能。 光栅尺：光栅尺有金属的和玻璃的几种，它在l m m 的间距内能刻有高 达l o 1 0 0 条刻线，每条刻线间的距离为1 0 1 0 0g m 。( 根据所选用的光 栅尺的型号不同而定) 细分器：读数头输出的是周期为1 0 1 0 0 m 的电流或电压信号，细分 器的任务就是对此信号进行放大、细分和数字化，即可以使测量机的计 1 6 硕士学位论文 一 丫丫 繁* l 一一 i 。算机卜一 i 一 丫丫 l 一 丫丫 i 际忑忑 日 ；誊袤 l _ j “系 v l 撮“盘l 图3 2 控制系统框图 数分辨率达1 9 m 0 1 m ，甚至更高。细分器根据其工作原理的不同，可 分为硬细分和软细分两种。硬细分主要是以电阻链组成，它的细分倍数 一般都是5 的倍数，常见的细分倍数一般有2 0 倍、4 0 倍、1 0 0 倍等几种。 软细分是以单片机为核心，它的细分倍数一般都是8 的倍数。 测头：测头根据不同的划分方式，可分为触发式、扫描式、接触式、