基于逆向工程的手柄數(shù)字化測(cè)量與數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

江蘇省徐州機(jī)電工程高等職業(yè)學(xué)校 (221011) 陳子銀

仿制、仿造已經(jīng)成為我國(guó)一部分企業(yè)的固定生產(chǎn)方式，針對(duì)市場(chǎng)熱門(mén)產(chǎn)品的仿造品屢見(jiàn)不鮮，逆向工程的廣泛應(yīng)用在其中起到了不可忽視的作用。

目前，逆向工程的研究和應(yīng)用在某些領(lǐng)域已經(jīng)比較成熟，它是按照產(chǎn)品引進(jìn)、消化、吸收與創(chuàng)新的思路，以實(shí)物→原理→功能→三維重構(gòu)→再設(shè)計(jì)的框架進(jìn)行工作，其中，最主要的任務(wù)是將原始物理模型轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)概念模型或產(chǎn)品數(shù)字化模型。逆向工程技術(shù)路線如圖1 所示。

圖1 逆向工程技術(shù)路線

1.三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量模式

本文采用的測(cè)量軟件是立科3D 測(cè)量系統(tǒng)，即Measure 測(cè)量軟件。在逆向工程中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)是建模的基礎(chǔ)。針對(duì)不同的工程需求，技術(shù)人員應(yīng)采用最具經(jīng)濟(jì)性的測(cè)量設(shè)備獲取實(shí)物產(chǎn)品表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量決定了產(chǎn)品CAD 模型重構(gòu)的精度。因此，要根據(jù)工作的具體需要來(lái)選擇合適的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法，也可采用不同測(cè)量方式相互補(bǔ)充。隨著測(cè)量技術(shù)的不斷進(jìn)步，不同測(cè)量原理的測(cè)量設(shè)備也在不斷涌現(xiàn)，三坐標(biāo)接觸測(cè)量作為一種精確測(cè)量方式廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，對(duì)數(shù)據(jù)精度要求高的產(chǎn)品建模常用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為工具來(lái)獲取數(shù)據(jù)源。

物體表面三維測(cè)量是逆向建模技術(shù)的第一步。測(cè)量方法的好壞直接影響到對(duì)被測(cè)實(shí)體進(jìn)行描述的精確、完整程度，進(jìn)而影響到重構(gòu)的CAD 實(shí)體模型。因此，物體表面三維測(cè)量是整個(gè)逆向建模的基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)和視覺(jué)圖像技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種數(shù)據(jù)獲取方法，三維數(shù)據(jù)獲取方法按照測(cè)量原理可以分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)纱箢?lèi)。其中，接觸式自動(dòng)測(cè)量模式有點(diǎn)位探測(cè)模式、連續(xù)掃描模式和自定中心探測(cè)模式3 種;非接觸式自動(dòng)測(cè)量模式有三角光學(xué)法、圖像聚焦法、立體視覺(jué)法、超聲測(cè)量法和CT 測(cè)量法等。

圖2 所示是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)與CAD/CAM/FMS/CIMS 集成的示例。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)一方面讀取CAD 的設(shè)計(jì)圖樣數(shù)據(jù)文件，自動(dòng)構(gòu)筑虛擬工件;另一方面接受由CAM 加工的實(shí)際工件，并根據(jù)虛擬工件自動(dòng)制定實(shí)際工件的檢測(cè)規(guī)劃，自動(dòng)生成測(cè)量路徑，實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)測(cè)量，并將實(shí)際工件的檢測(cè)結(jié)果返回給主控機(jī)。一般生產(chǎn)是先有圖樣和加工文件，按它們制成工件后再檢測(cè)。在模具生產(chǎn)與測(cè)繪設(shè)計(jì)時(shí)常先有實(shí)物或模型，根據(jù)坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果來(lái)形成CAD 圖樣和CAM 加工信息，這就是逆向工程。

圖2 CMM 與CAD/CAM 的集成

(1)測(cè)頭標(biāo)定:三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量，是以測(cè)頭上測(cè)針的球狀端部(測(cè)球)與被測(cè)工件表面接觸的方式進(jìn)行的，三維測(cè)長(zhǎng)裝置在測(cè)球接觸表面的瞬間進(jìn)行采樣。因此，測(cè)球的位置和半徑將直接影響三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在測(cè)量手柄的過(guò)程中，為滿(mǎn)足不同表面的測(cè)量要求，往往需要更換測(cè)針甚至測(cè)頭，同一個(gè)測(cè)頭上也可以有多個(gè)測(cè)針。此時(shí)，必須測(cè)定各測(cè)針的球徑和測(cè)針間的相互位置，這就是測(cè)頭校驗(yàn)的基本任務(wù)。為了進(jìn)行校驗(yàn)，需在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的工作臺(tái)上固定以校驗(yàn)基準(zhǔn)件。校驗(yàn)基礎(chǔ)件有基準(zhǔn)球和基準(zhǔn)立體兩種類(lèi)型，相應(yīng)地有兩種校驗(yàn)方法和程序。圖3 所示為測(cè)頭標(biāo)定。

圖3 測(cè)頭標(biāo)定

(2)坐標(biāo)變換:在三坐標(biāo)測(cè)量中，存在3 種坐標(biāo)系，如圖4 所示。①測(cè)頭坐標(biāo)系(A，B，C)。不同測(cè)針在此坐標(biāo)系中有不同的坐標(biāo)位置，引起測(cè)量數(shù)據(jù)基準(zhǔn)不統(tǒng)一。測(cè)頭校驗(yàn)，相當(dāng)于將不同位置的測(cè)針統(tǒng)一到一個(gè)位置固定的“虛擬”測(cè)針上。②三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)坐標(biāo)系 (X，Y，Z)。③工件坐標(biāo)系(X'，Y'，Z')。

圖4 3 種坐標(biāo)系

從三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)采到的測(cè)量數(shù)據(jù)是相對(duì)于測(cè)量極坐標(biāo)系的，但工件的尺寸要求是標(biāo)注在工件坐標(biāo)系中的，兩者需要統(tǒng)一。傳統(tǒng)的機(jī)械和光學(xué)坐標(biāo)系的測(cè)量中，需調(diào)整測(cè)量坐標(biāo)系或工件坐標(biāo)系，使兩者互相平行或重合。在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)中，則可以通過(guò)軟件，將測(cè)量機(jī)坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到工件坐標(biāo)系中來(lái)，相當(dāng)于建立一個(gè)“虛擬”的與工件坐標(biāo)系重合的測(cè)量坐標(biāo)系。這個(gè)虛擬的坐標(biāo)系由軟件形成，可隨工件位置而變，故稱(chēng)為柔性坐標(biāo)系。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換包括兩項(xiàng)工作，一是建立坐標(biāo)系，按工件的實(shí)際位置確定虛擬坐標(biāo)系的位置，即測(cè)定工件坐標(biāo)系與測(cè)量機(jī)坐標(biāo)系的相對(duì)位置。如圖5 所示為建立坐標(biāo)系;二是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。每次測(cè)量后，用程序?qū)⒉傻玫臏y(cè)量機(jī)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換到工件坐標(biāo)系中，再進(jìn)行幾何參數(shù)計(jì)算。計(jì)算公式為

圖5 建立坐標(biāo)系

(3)幾何參數(shù)計(jì)算:根據(jù)工件表面各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，計(jì)算各種幾何參數(shù)值。①兩點(diǎn)間距離的測(cè)量。A (x1，y1，z1)、B (x2，y2，z2)兩點(diǎn)的距離L 可由公式計(jì)算。②圓的直徑和圓心的測(cè)量。測(cè)量圓上任意3 點(diǎn)的坐標(biāo)值(x1，y1)、(x2，y2)和(x3，y3)，則圓心C 的坐標(biāo)(xc，yc)、半徑R 通過(guò)公式即可計(jì)算出來(lái)。在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上用類(lèi)似的方法可以測(cè)量球面的曲率半徑，這時(shí)，需在球面上測(cè)取不在同一圓周上的4 個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。③求直線方向。根據(jù)空間兩點(diǎn)P1(x1，y1，z1)、Q2(x2，y2，z2)，可以確定它在XY 平面上的投影與X 軸夾角θ，直線與同XY 面相垂直的軸的夾角β。類(lèi)似地，直線與其他坐標(biāo)平面的投影與坐標(biāo)軸的夾角也可計(jì)算出來(lái)。

對(duì)于形位誤差評(píng)定，應(yīng)用比較普遍的是最小二乘法。最小區(qū)域法是最合理的評(píng)定方法，但算法較復(fù)雜，有的形位誤差的數(shù)據(jù)處理，如圓柱度的評(píng)定，只能是近似計(jì)算。

計(jì)算機(jī)數(shù)控三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。測(cè)量時(shí)可用預(yù)先編好的程序或采用“學(xué)習(xí)程序”。學(xué)習(xí)程序是模擬人工測(cè)量的方式來(lái)編輯程序的。計(jì)算機(jī)記錄下第一個(gè)零件手工測(cè)量的全過(guò)程，包括測(cè)頭移動(dòng)的軌跡、測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)以及子程序的調(diào)用等，作為這一批零件的測(cè)量程序。在測(cè)量同批零件時(shí)，可反復(fù)調(diào)用此程序，并通過(guò)數(shù)控伺服機(jī)構(gòu)控制測(cè)量機(jī)按程序自動(dòng)測(cè)量。這種方法可縮短編程時(shí)間，提高測(cè)量效率。

2.手柄的數(shù)據(jù)獲取

手柄點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量過(guò)程，是一個(gè)包括預(yù)備操作、測(cè)量操作和補(bǔ)充操作的過(guò)程。要是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)能全面快速地完成手柄幾何元素的測(cè)量，要求測(cè)量人員必須很好地掌握Measure 軟件中可測(cè)量元素的幾何特點(diǎn)和計(jì)量特征。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量操作步驟為:確定測(cè)量方案→開(kāi)機(jī)→測(cè)頭管理→零件管理→輸出方式設(shè)置→測(cè)量元素→輸出測(cè)量報(bào)告→關(guān)機(jī)。

(1)確定測(cè)量方案:測(cè)量人員應(yīng)仔細(xì)分析手柄的形狀和圖形，分析圖樣的各尺寸、形位公差以及零件的具體結(jié)構(gòu)來(lái)確定以下項(xiàng)目。①確定各幾何元素所需輸出的參數(shù)項(xiàng)目。確定被測(cè)幾何元素尺寸能否通過(guò)直接測(cè)量、間接測(cè)量或計(jì)算幾何元素間的關(guān)系而獲得。②分析手柄零件的形狀和要素，選擇基準(zhǔn)元素確定測(cè)量基準(zhǔn)。由于手柄零件沒(méi)有零件圖樣，也沒(méi)有給出設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，因此需要建立零件坐標(biāo)系。在選擇手柄測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)，由于手柄底部是一個(gè)平面，這樣就可以用3 點(diǎn)方式確定一個(gè)平面，底部中心點(diǎn)處法線方向確定一個(gè)坐標(biāo)軸，利用右手笛卡爾坐標(biāo)系原則確定另外一坐標(biāo)軸，用這樣的方法來(lái)建立手柄的測(cè)量坐標(biāo)系。③根據(jù)測(cè)量點(diǎn)的方位確定測(cè)頭數(shù)?？紤]到手柄是由手把、連接件和功能件3 個(gè)部分組成，且其表面是形狀較復(fù)雜的自由曲面，因此對(duì)它的測(cè)量選用的是自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)角的三向觸發(fā)式測(cè)頭，如圖6 所示。

圖6 手柄曲面構(gòu)成

(2)開(kāi)機(jī):首先打開(kāi)空氣壓縮機(jī)儲(chǔ)氣罐排水閥排水;然后依次開(kāi)啟空壓機(jī)、冷干機(jī)和測(cè)量機(jī)氣源，檢查氣壓是否在0.4～0.5 MPa 范圍內(nèi)，如果不在此范圍內(nèi)則可通過(guò)氣源調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié);再依次接通交流穩(wěn)壓電源、UPS 電源、控制系統(tǒng)電源和計(jì)算機(jī)電源，啟動(dòng)Measure 測(cè)量程序。

(3)測(cè)量預(yù)備操作:①測(cè)頭管理，包括測(cè)尖、校正和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。②零件管理，包括零件坐標(biāo)系的建立與存儲(chǔ)。③輸出方式設(shè)置。設(shè)置測(cè)量結(jié)果由屏幕輸出或打印機(jī)輸出，或文件輸出。

(4)測(cè)量操作:通過(guò)幾何元素的直接測(cè)量、構(gòu)造、元素間關(guān)系的計(jì)算、位置誤差的檢測(cè)以及幾何形狀掃描等方法測(cè)出所需參數(shù)。

(5)補(bǔ)充操作:結(jié)束測(cè)量操作后，對(duì)測(cè)量輸出格式進(jìn)行設(shè)置，以滿(mǎn)足后續(xù)工作的需求。該設(shè)置也可在測(cè)量操作前完成。

(6)關(guān)機(jī):完成以上各步驟后，整個(gè)測(cè)量過(guò)程也就結(jié)束了。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的關(guān)機(jī)順序與開(kāi)機(jī)順序相反。即首先“初始化”使測(cè)頭停止在安全位置，其次關(guān)閉Measure 測(cè)量程序，再依次關(guān)閉計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)電源，最后關(guān)閉氣源系統(tǒng)。