基于三維數(shù)模的零件三坐標(biāo)檢測方法

徐婷，王漢斌

（陜西法士特汽車傳動工程研究院工藝研究所，陜西 西安 710019）

引言

1 基于三維數(shù)模的零件三坐標(biāo)檢測

基于三維數(shù)模的三坐標(biāo)檢測方法是把零部件的3D模型導(dǎo)入到測量軟件中，通過坐標(biāo)系對齊，找正機(jī)器坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系，然后對比捕獲得到的零件理論坐標(biāo)值與檢測得到的工件實(shí)際坐標(biāo)值，最后輸出測量結(jié)果?；谌S數(shù)模的三坐標(biāo)檢測流程如圖1所示。

圖1 基于三維數(shù)模的三坐標(biāo)檢測流程

1.1 三維數(shù)模的導(dǎo)入

利用三維數(shù)模進(jìn)行檢測首先要保證數(shù)模正確導(dǎo)入到測量軟件中[2]。PROE軟件生成的模型不能直接輸入到測量軟件中，需將模型通過模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入。在選擇幾何元素時(shí)，實(shí)體模型比線框模型更方便，讀入 CAD模型后，對模型進(jìn)行渲染，將 CAD線框模型轉(zhuǎn)換到實(shí)體狀態(tài)。

1.2 找正

數(shù)模、工件、機(jī)床必須建立起一定的關(guān)系，才能進(jìn)行編程和測量。找正的目的就是使工件實(shí)際位置、CAD數(shù)模、機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)一起來，將機(jī)器坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系正確的對齊，這是實(shí)現(xiàn)自動測量的基礎(chǔ)。

（1）正確選擇測量基準(zhǔn)

測量之前需認(rèn)真消化圖紙及加工工藝，明了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)及加工基準(zhǔn)，盡可能使測量基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、加工基準(zhǔn)一致，減少基準(zhǔn)不統(tǒng)一帶來的測量誤差。同時(shí)要全面了解要測量的所有要素及其特征。

（2）合理規(guī)劃工件的裝夾方式

實(shí)際測量中，需要使數(shù)模和工件實(shí)際擺放位置重合，為避免實(shí)際操作中機(jī)床與工件干涉，必須合理規(guī)劃工件在三坐標(biāo)工作臺上的安放方式、位置。根據(jù)零件的形狀、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、尺寸大小及測量要求，合理選擇裝夾方法，將零件裝夾在測量機(jī)的有效行程內(nèi)。工件擺放位置盡量保持與機(jī)器坐標(biāo)系平行，便于多方位的數(shù)據(jù)采集，盡可能在一次裝夾中完成所有被測要素的測量，以減少多次裝夾誤差對測量結(jié)果的影響。

（3）建立工件坐標(biāo)系

數(shù)模是按照造型的絕對坐標(biāo)系導(dǎo)入到測量軟件中的，為了使數(shù)模和工件實(shí)際擺放位置重合，需將機(jī)器坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系保持一致。對于箱體類零件，通常采用3-2-1法[3,4]建立工件坐標(biāo)系，利用面、線、點(diǎn)特征來確定坐標(biāo)軸位置和坐標(biāo)原點(diǎn)，通過這個(gè)工件坐標(biāo)系來實(shí)現(xiàn)工件找正。

公共實(shí)訓(xùn)基地的發(fā)展既取決于土地、資金、設(shè)施設(shè)備等硬件要素的保障，也有賴于教師隊(duì)伍、體制機(jī)制等軟實(shí)力的改善，特別是“雙師型”隊(duì)伍建設(shè)、經(jīng)營活力培育、開放共享水平的提升等，已經(jīng)成為公共實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)的重要內(nèi)容和迫切課題，要加強(qiáng)制度建設(shè)，切實(shí)保障公共實(shí)訓(xùn)基地的可持續(xù)發(fā)展能力。

圖2 箱蓋工件坐標(biāo)系

箱蓋利用3-2-1法找正，根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)基準(zhǔn)及加工基準(zhǔn)，在數(shù)模上直接提取測量基準(zhǔn)元素，然后根據(jù)需要構(gòu)造連接兩圓中心的直線，取C面為主基準(zhǔn)，面C的法向矢量作為Y軸；孔E與孔A連線在C面上的投影為X 軸，孔E圓心為X、Z軸原點(diǎn)、Y軸原點(diǎn)在C面上。如圖2所示。

1.3 設(shè)置安全平面

在CNC運(yùn)行中，必須預(yù)先設(shè)置好安全平面。導(dǎo)入CAD三維數(shù)模后，可以直接選擇“clearance planes form CAD mode”，設(shè)置偏置量，完成安全平面的設(shè)置。偏置量表示安全平面到工具輪廓的距離。圖3表示箱蓋設(shè)置的安全平面。

圖3 箱蓋的安全平面設(shè)置

1.4 特征提取及檢測

當(dāng)三維數(shù)模導(dǎo)入測量軟件并與工件對齊后，工件理論值的獲取就比較簡單。對于圓等特征，軟件只需要從 CAD三維數(shù)模上選取識別特征，便可直接對元素理論數(shù)值進(jìn)行提取。然后定義特征元素的測量策略，如調(diào)整探針的測量高度，采點(diǎn)數(shù)目等。針對不同的測量元素可以創(chuàng)建相應(yīng)的公差評定，如直徑公差、平面度公差、圓度公差、位置度公差等。機(jī)器可以根據(jù)導(dǎo)入的三維模型進(jìn)行自動的程序編制，指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)動到特征的理論值位置進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。

1.5 報(bào)表輸出

在坐標(biāo)系、安全平面和特征都定義好之后，將工件安放在機(jī)器工作臺上即可進(jìn)行測量。測量機(jī)依據(jù)程序引導(dǎo)自動尋找特征并在工件實(shí)物上測量，比較零件數(shù)模的理論值與實(shí)際測量值之間的差異，然后將結(jié)果導(dǎo)入到制定的輸出報(bào)告中，獲得帶有測量結(jié)果的可打印輸出的報(bào)告。圖4為箱蓋部分測量結(jié)果。

圖4 箱蓋部分部分測量結(jié)果

2 基于三維數(shù)模的檢測方法優(yōu)點(diǎn)

利用三維數(shù)模對工件進(jìn)行檢測成為三坐標(biāo)測量技術(shù)發(fā)展的趨勢，與以往的零件三坐標(biāo)測量方法相比，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

1）脫機(jī)編程

傳統(tǒng)自學(xué)習(xí)編程方式需要測量人員在實(shí)際工件上取點(diǎn)，必須等產(chǎn)品加工完成后才能編寫測量程序，效率低。基于三維數(shù)模的檢測方法可在脫機(jī)狀態(tài)下對三維數(shù)模進(jìn)行編程，無論生產(chǎn)是否進(jìn)行，只要將三維數(shù)模輸入到測量軟件中，便可進(jìn)行編程，工件加工完成后可直接實(shí)施測量，提高生產(chǎn)效率。

2）自動提取模型理論值

傳統(tǒng)方式必須手動輸入幾何元素的理論值，再和實(shí)測值進(jìn)行比較。基于三維模型的檢測方法，導(dǎo)入3D模型后可以直接得到設(shè)計(jì)要求的理論值，不需手工逐個(gè)輸入，降低檢測人員的勞動強(qiáng)度，減少出錯率。

5 結(jié)束語

本文介紹了三坐標(biāo)測量的原理，闡述了基于三維數(shù)模的零件三坐標(biāo)檢測過程，以減速機(jī)箱蓋為檢測對象，對基于三維數(shù)模的零件檢測中數(shù)模導(dǎo)入、找正、安全平面設(shè)置、特征提取及檢測、報(bào)表輸出等環(huán)節(jié)進(jìn)行了剖析。三坐標(biāo)測量機(jī)在生產(chǎn)應(yīng)用中將朝著智能化的方向發(fā)展，基于三維數(shù)模的三坐標(biāo)檢測將給三坐標(biāo)測量機(jī)帶來更大的使用空間，對其推廣應(yīng)用意義重大。

參考文獻(xiàn)

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