三坐标测量机扫描物体的几种方法及其应用

摘要：本文介绍了美国brown&sharpe公司的microxcel pfx454型三坐标测量机扫描物体的几种方法及其应用。
关键词：三坐标测量机   扫描   CAD  接触式测量    联机

一、 前言

三坐标测量机简称CMM，自六十年代中期第一台三坐标测量机问世以来，随着计算机技术的进步以及电子控制系统、检测技术的发展，为三坐标测量机向高精度、高速度方向发展提供了强有力的技术支持。
    CMM按测量方式可分为接触测量和非接触测量以及接触和非接触并用式测量，接触测量常于测量机械加工产品以及压制成型品、金属膜等。本文以接触式三坐标测量机为例来说明几种扫描物体表面，以获取数据点的几种方法，数据点结果可用于加工数据分析，也可为逆向工程技术提供原始信息。
扫描指借助三坐标测量机应用PC-DMIS软件在被测物体表面特定区域内进行数据点采集。此区域可以是一条线、一个面片、零件的一个截面、零件的曲线或距边缘一定距离的周线。
扫描类型与测量模式、测头类型及是否有CAD文件等有关，状态按纽（手动/DCC）决定了屏幕上可选用的“扫描”（SCAN）选项。
若用DCC方式测量，又具有CAD文件，那么扫描方式有“开线”（OPEN LINEAR）、“闭线”（CLOSED LINEAR）、“面片”（PATCH）、“截面”（SECTION）及“周线”（PERIMETER）扫描。
若用DCC方式测量，而只有线框型CAD文件，那么可选用 “开线”（OPEN LINEAR）、“闭线”（CLOSED LINEAR）和“面片”（PATCH）扫描方式。
若用手动测量模式，那么只能用基本的“手动触发扫描”（MANUL TTP SCAN）方式。
若在手动测量方式，测头为刚性测头，那么可用选项为“固定间隔”（FIXED DELTA）、“变化间隔”（VARIABLE DELTA）、“时间间隔”（TIME DELTA）和“主体轴向扫描”（BODY AXIS SCAN）方式。
下面详细介绍在DCC状态下，进入“功能”（Utility）菜单选取“扫描”（Scan）选项后，五种可供选择的扫描方式。

二、 开线扫描（OPEN LINEAR SCAN）

开线扫描是最基本的扫描方式，测头从起始点开始，沿一定方向并按预定的步长进行扫描，直至终止点，开线扫描分有、无CAD模型两种情况。
a 、无CAD模型
 边界点（Boundary Points）的名义值必须输入，在对话框中边界点的选项，在“1”上点击，开始了第一项输入，这是扫描起始点，输入所需数据后，点击“OK”；第二项是带“D”字的方向点，在“D”上双击鼠标，输入新的X、Y、Z的值，这就代表了一个扫描向什么方向走的坐标点；第三项是带“2”字的值，这是扫描终点，双击并输入所需数据。如图1所示：
 
                           图1   开线扫描示意图

下一项为步长，在“扫描对话”（Scan Dialog）框中，“方向1技术”（Direction 1 Tech）栏中的最大（Max Inc）栏，输入一个新步长。
最后一项是看设定的方向矢量是否正确，此矢量定义了开始扫描的第一测量点表面的法矢、截面和最后一点表面的法矢，当所有的数据输入完成后点击“创建”。
b有CAD模型
此方法适用有CAD模型的零件。开始扫描时，用鼠标左键，在CAD模型的相应表面点击，PC-DMIS将在CAD模型上生成一点，而且加标志为“1”表示为扫描为起始点；点击下一点，此点定义了扫描的方向；最后点击终点，亦可用此表示边界，此点为标志“2”，在1和2之间连一线，对每一所选的点，PC-DMIS已在对话框中输入相应的坐标值及矢量。选择步长及所需选项后，如：安全平面、单点等，点击“测量”，然后点击“创建”即可。

三、 闭线扫描（CLOSED LINEAR SCAN）

闭线扫描允许用户扫描内表面或外表面，它只需要一个“起点”和“方向点”两个值，因为PC-DMIS将起点亦作为终点位置。具体步骤为：
a键入数据方式
双击边界点第一点“1”，然后在编辑对话框输入位置，双击方向点“D”后输入坐标值。然后选择扫描的类型，即“线性”还是“变量”、输入步长、定义触测的类型（矢量、表面或是边缘）。在初始矢量上双击，输入第一点的矢量，检查截面矢量，键入其他选项后，点击“创建”。
也可用操作盘在被测物体表面所需第一点的位置上触测，然后在定义方向的点上触测，PC-DMIS将把这些值自动放到对话框里，且自动算出初始矢量，选择扫描的控制方式和测点类型以及所需的选项后，点击“创建”即可。
b有CAD模型方式
当有CAD模型时，测量前确认为“闭线扫描”。首先点击表面的起始点位置，符号“1”将在CAD模型上生成，点击时表面被加亮，同时边界点也加亮以便选择正确的表面。
然后点击扫描的方向点，对每一所选的位置，PC-DMIS在对话框中给出了相应的坐标及矢量。选择扫描的控制方式、步长、及所需的选项后，点击“创建”。

四、 面片扫描（PATCH SCAN）

面片扫描允许用户扫描一个区域而不再是扫描线，应用此扫描方式，至少需要四个边界点信息：一个开始点、一个方向点、扫描长度和扫描宽度。按此基本的或缺省的信息，PC-DMIS将根据给出的边界点1、2、3来定出三角形面片，而方向由D的坐标来定；若增加了第四个边界点，面片可以为四方形，如图2所示。
 
图2    面片扫描类型
在此扫描方式中的“闭线扫描”复选框指将要扫描一个封闭元素，如圆柱、圆锥、槽等。只要输入起始点、终止点及方向点。终止点表示扫描被测元素时将向上或向下移动的距离；起始点方向点与起始矢量一起定义了截平面的矢量，一般情况下截平面的矢量平行与被测元素。
a键入坐标值定义
创建一个如图所示的四边形面片，在边界点“1”双击，并输入起始点的X、Y、Z。
在边界方向点“D”上双击，输入扫描方向点的坐标。
在边界点“2”上双击，输入确定第一方向扫描宽度。
在边界点“3”上双击，输入确定第二个方向扫描的宽度。
在“3”上点击鼠标，然后按“添加”按纽，对话框中给出第四个边界点，在“4”上双击，输入结束点的坐标值。                图 3   扫描步长及宽度示意图
“最大步长”，指1、2两点间的步长； “步长”，指各点间的步距，选择所需的值后，点击“创建”，如图3所示。
b用测量机来定义
以上例为例，定义一个四边形面片,首先确认所选的被测元素是“面片扫描”，用操作盘在希望作为起始点处测一点，此点坐标将进入边界点框内的“#1”项目内；测第二点，此点将告知PC-DMIS开始扫描第一方向的终点，此点坐标将进入边界点框“D”项目内；测第三点，此点标志着扫描面片的宽度，此点坐标将进入“#3”项目内；在“3”点上点击，选“添加”，这将在清单上加上第四点，在终点上触测，这将关闭方框，最后定义两个方向数据：扫描行距和步长，选择扫描触测类型及所需选项后，并点击“创建”即可。
c用CAD的曲面模型定义
此方法只适用于有CAD曲面模型的情况，首先选定“面片扫描”方式，用鼠标左键点击CAD所希望在其上工作的表面，将“边界点”对话框中“1”加亮，然后用鼠标左键在 曲面希望的点上点击；加亮“D”，在曲面定义方向点上点击；现定扫描的宽度，在表面上点击（即#2）；定义扫描的上宽度，在表面上点击（即#3）；最后定义终点，封闭方框，在“3”上点击，然后选“添加”按纽，加附加点，加亮增加的点“4”，在表面所希望的位置点击。定义两个方向的步长，选择所需选项后，点击“创建”即可。

五、 截面扫描（SECTION SCAN）

截面扫描仅为具有CAD曲面模型下使用，它允许在一个物体某一截面进行扫描。此扫描截面可沿X、Y或Z轴或与某轴成一定角度，定义步长进行多个截面扫描，在对话框中，允许进行截面扫描而设置边界点，按“剖切CAD”转换按纽，在CAD模型内寻找任何存在的孔，边界线在“开线”扫描中用类似方式得到，PC-DMIS将沿扫描路径自动从CAD模型中避开孔，扫描可以按用户定义的表面作剖切CAD，方法是：
1、 选边界点选项
2、 选“CAD元素选择框”作标志
3、 选所希望的曲面
4、 不清除“CAD元素选择”的情况下，选“剖切CAD”选项
此时PC-DMIS将切割所选的表面去寻找孔，若CAD中没有定义孔，就没有必要按“CUT CAD” 选项，若没选此选项，PC-DMIS将按给出的起始点及终止边界点进行扫描，当有一个复杂的CAD图形，拥有多个曲面，可以分组到CAD不同层，这样将有助于限制CAD截面，使剖切发生在局部的CAD模型上。

六、 边界扫描（PERIMETER SCAN）

边界扫描只适用有CAD曲面模型情况下，此种扫描用CAD的数学模型计算扫描的路经，此路经以边界或外轮廓偏置一定距离，此距离由用户给定，为进行边界扫描，首先选定 “边界扫描”选项，并考虑以下因素：
a) 若为内边界扫描，则在边界扫描对话框中选择“内边界扫描”。
b) 选定工作曲面，首先确认“选择”复选框已启动，每选一个曲面则加亮一个，在所有期望的曲面选定后，取消“选择”复选框标志。
c) 点击表面上一点，此点为“开始点”。
d) 在同一表面上点击扫描“方向点”，确认执行扫描的方向。
e) 点击表面，表示扫描“终止点”，若不给出终点，则就把起点当终点。
f) 在扫描构造编辑框内输入相应值，这些值包括“增值”、“CAD公差”。
g) 选“计算边界”选项，将计算所创建扫描的边界。
h) 确认偏差值正确情况下，按“产生测点”按钮，PC-DMIS将自动计算执行扫描的理论值。
至此边界扫描方可进行，点击“create”。
七、 总结

综合以上各种扫描方法，用坐标测量机采集零件的几何信息来创建零件几何模型的方法很多，但是数据的采集方案要符合造型的基本思路，否则很难实现零件形状的精确再现。测量时要注以下问题：1、被测件的正确装卡有利于测量的操作和测头移动；2、为了保证造型精度，工件装夹要使测头尽量一次测完所有被测对象；3、测量点应包括轮廓信息的关键点，尤其是在曲率变化比较明显的地方要增加测点。