測量造型中的CMM掃描技術(shù)

         簡要：介紹了測量造型中應(yīng)用的三維測量技術(shù), 并以實物模型為例重點介紹了基于三坐標(biāo)測量機（CMM）的接觸式掃描技術(shù)，表明了接觸式掃描技術(shù)在高精度測量應(yīng)用中的優(yōu)勢。
1.引言
        隨著汽車、船舶、航空、航天和模具工業(yè)的飛速發(fā)展，對產(chǎn)品外觀、性能等方面的要求越來越高，使得自由曲面零件在現(xiàn)代工業(yè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。并且在產(chǎn)品和模具開發(fā)過程中，設(shè)計常常不是從已知的圖紙或理論數(shù)據(jù)開始，而是直接以實物樣件作為設(shè)計依據(jù)或參考模型。因此必須借助于坐標(biāo)測量設(shè)備，從實物模型獲取數(shù)據(jù)，采用測量造型技術(shù)來得到CAD數(shù)學(xué)模型以便于進行修改，并同時生成數(shù)控代碼通過CNC生產(chǎn)出產(chǎn)品或開發(fā)制造出模具。
         由于計算機技術(shù)在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特別是數(shù)字化測量技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于測量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品造型技術(shù)成為逆向工程技術(shù)關(guān)注的主要對象。本文介紹了測量造型中應(yīng)用的三維掃描技術(shù)，對其精度、速度、適用范圍進行了分析與比較，以目前市場上流行的超薄CRT電視機中的16：9扁平玻錐和3dfamily 三坐標(biāo)測量機，SP25掃描測頭為例，重點介紹了基于三坐標(biāo)測量機（CMM）的接觸式掃描技術(shù)在測量造型中的應(yīng)用。
2.三維掃描技術(shù)簡介
       三維掃描是集光、機、電和計算機技術(shù)于一體的*，主要用于對物體空間外形和結(jié)構(gòu)進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。它的重要意義在于能夠?qū)嵨锏牧Ⅲw信息轉(zhuǎn)換為計算機能直接處理的數(shù)字信號，為實物數(shù)字化提供了相當(dāng)方便快捷的手段。
       三維檢測技術(shù)是近十年來蓬勃發(fā)展起來的新興研究領(lǐng)域，常見的三維物體形狀檢測方法可以分為接觸式和非接觸式兩大類，而檢測系統(tǒng)與物體的作用不外乎光、聲、機、電等方式，主要的檢測方法如下圖所示。

圖 1 三維物體形狀檢測方法

下表從精度、速度、適用范圍對主要的檢測方法進行了分析與比較。

表 各種測量方法的比較

        非接觸測頭數(shù)字化速度高,比如激光帶掃描可達到 19000 點, 3D成像每場可達 1,300,000 點（一場約需要 10 秒種）, 然而, 非接觸測頭的精度比較低,低于25 微米（100x100x100 mm3 ）, 且物體表面條件：如質(zhì)地, 顏色粗糙度反光程度等，都會影響非接觸測頭的數(shù)字化效果。此外，現(xiàn)有光學(xué)三維測量主流技術(shù)及其設(shè)備主要針對的是漫反射物體的三維測量，難以有效地測量非漫反射物體。而在實際應(yīng)用中，大量被測物體的表面性為非漫反射，特別是在工業(yè)領(lǐng)域，非漫反射物體更是占有較大的比重，如拋光模具等精加工零部件、印刷電路板的焊點等。對于希望作高精度拷貝的應(yīng)用或生產(chǎn)中的精加工工件來說，使用接觸式掃描測頭仍然有不可取代的優(yōu)勢。
    接觸式測量中目前使用的和zui為可靠的方法是坐標(biāo)測量機（CMM）。傳統(tǒng)的測量機多采用觸發(fā)式接觸測頭，每一次獲取自由曲面上一點的X、Y、Z坐標(biāo)值。這種測量速度慢，而且很難測得較全面的曲面信息。九十年代初，一些坐標(biāo)測量機生產(chǎn)廠家，先后研制出三維力位移傳感的掃描測量頭，這些測量頭可以在工件上滑動測量，連續(xù)獲取表面的坐標(biāo)信息，其掃描速度可高達8m/min，數(shù)字化速度可高達500點/秒，數(shù)字化精度可以達到 1 微米，缺點是數(shù)字化速度低。
3.接觸式掃描測繪應(yīng)用實例
    在玻璃制品生產(chǎn)中，為加快產(chǎn)品開發(fā)進度，除了根據(jù)用戶提供的產(chǎn)品圖紙進行模具設(shè)計外，對樣品實物進行測繪造型可以更好地了解產(chǎn)品的實際使用要求和更準(zhǔn)確地快速確定出模具型腔尺寸。對于玻璃這樣的非漫反射物體，接觸式掃描測量在精度和速度方面具有不可取代的優(yōu)勢。
    目前市場上流行的超薄CRT電視機中的16：9扁平玻錐在3DFAMILY測量機上用3D-DMIS測量軟件中的數(shù)學(xué)找正法建立工件坐標(biāo)系后，按未知曲線Digitize模式用SP25掃描測頭進行閉線掃描等高線的情況和CALYPSO內(nèi)嵌CAD模塊對曲線測量結(jié)果和工件坐標(biāo)系的IGES輸出。
    與非接觸測量法獲得工件外形點云數(shù)據(jù)后需要通過Surfacer、CopyCAD等RE軟件進行除噪、過濾、平滑、稀疏等預(yù)處理不同，由于主動式連續(xù)掃描測頭能夠地得到測點的坐標(biāo)和法矢，所以數(shù)據(jù)預(yù)處理的工作大為簡單。對玻錐測點數(shù)據(jù)只需去除每條曲線兩端觸測點附近的幾點數(shù)據(jù)和在CAD軟件中由點構(gòu)*線時的個別異常點即可。

 圖 2 CAD軟件中的測結(jié)果數(shù)據(jù)點

圖 3 產(chǎn)品CAD造型

       將處理后的點數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD軟件中按點→線→面的方法逐條構(gòu)*線，再采用過曲線造面的方法分片構(gòu)面，然后通過曲面編輯的方法得到整個產(chǎn)品的造型。或是通過Surfacer、CopyCAD等RE軟件進行除噪、過濾、平滑、稀疏等預(yù)處理后構(gòu)造三角面片再生成曲面也可得到整個產(chǎn)品的造型。如圖2、3所示。
4.結(jié)束語
       對實物模型進行測量造型過程中的三維數(shù)據(jù)采集方法多種多樣，非接觸式或接觸式掃描測量都有各自的應(yīng)用范圍，在高精度和非漫反射物體等的測量中，基于三坐標(biāo)測量機（CMM）的接觸式掃描測頭仍然具有明顯的優(yōu)勢，并將繼續(xù)在產(chǎn)品和模具開發(fā)中發(fā)揮重要作用。