测量造型中的CMM扫描技术

     简要介绍了测量造型中应用的三维测量技术, 并以实物模型为例重点介绍了基于三坐标测量机（CMM）的接触式扫描技术，表明了接触式扫描技术在高精度测量应用中的优势。

1.引言

     随着汽车、船舶、航空、航天和模具工业的飞速发展，对产品外观、性能等方面的要求越来越高，使得自由曲面零件在现代工业中得到了越来越广泛的应用。并且在产品和模具开发过程中，设计常常不是从已知的图纸或理论数据开始，而是直接以实物样件作为设计依据或参考模型。因此必须借助于坐标测量设备，从实物模型获取数据，采用测量造型技术来得到CAD数学模型以便于进行修改，并同时生成数控代码通过CNC生产出产品或开发制造出模具。

     由于计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。本文介绍了测量造型中应用的三维扫描技术，对其精度、速度、适用范围进行了分析与比较，以目前市场上流行的超薄CRT电视机中的16：9扁平玻锥和ZEISS VAST扫描测头为例，重点介绍了基于三坐标测量机（CMM）的接触式扫描技术在测量造型中的应用。

2.三维扫描技术简介

     三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。

     三维检测技术是近十年来蓬勃发展起来的新兴研究领域，常见的三维物体形状检测方法可以分为接触式和非接触式两大类，而检测系统与物体的作用不外乎光、声、机、电等方式，主要的检测方法如下图所示。
 

图 1三维物体形状检测方法

表1 从精度、速度、适用范围对主要的检测方法进行了分析与比较。
表1. 各种测量方法的比较：

    非接触测头数字化速度高,比如激光带扫描可达到 19000 点, 3D成像每场可达 1,300,000 点(一场约需要 10 秒种), 然而, 非接触测头的精度比较低,低于25 微米(100x100x100 mm3 ), 且物体表面条件: 如质地, 颜色粗糙度反光程度等，都会影响非接触测头的数字化效果。此外，现有光学三维测量主流技术及其设备主要针对的是漫反射物体的三维测量，难以有效地测量非漫反射物体．而在实际应用中，大量被测物体的表面性质为非漫反射，特别是在工业领域，非漫反射物体更是占有较大的比重，如抛光模具等精加工零部件、印刷电路板的焊点等。对于希望作高精度拷贝的应用或生产中的精加工工件来说，使用接触式扫描测头仍然有不可取代的优势。

      接触式测量中目前使用最为广泛的和最为可靠的方法是坐标测量机（CMM）。传统的测量机多采用触发式接触测头，每一次获取自由曲面上一点的X、Y、Z坐标值。这种测量速度慢，而且很难测得较全面的曲面信息。九十年代初，一些坐标测量机生产厂家，先后研制出三维力位移传感的扫描测量头，这些测量头可以在工件上滑动测量，连续获取表面的坐标信息，其扫描速度可高达8m/min，数字化速度可高达500点/秒，数字化精度可以达到 1 微米，缺点是数字化速度低。但德国ZEISS的三坐标机通过其主动式高速扫描VAST模拟测头和强大的CALYPSO、HOLOS、DIMETSION等测量软件从特征元素自动识别、数学找正、未知曲线曲面扫描等等方面极大程度地弥补了测量效率问题，与非接触式三维检测方法需要较多的前期准备工作如喷显影剂、贴参考点或参考球、调整背景亮度或后期较大工作量的数据处理等相比，在总耗时上缩短了差距，成为高精度工件反求测量的良好选择。

3、接触式扫描测绘应用实例

     在玻璃制品生产中，为加快产品开发进度，除了根据用户提供的产品图纸进行模具设计外，对样品实物进行测绘造型可以更好地了解产品的实际使用要求和更准确地快速确定出模具型腔尺寸。对于玻璃这样的非漫反射物体，接触式扫描测量在精度和速度方面具有不可取代的优势。
 

图2未知线扫描测量中的扁平玻锥       

            
图3 测量结果IGES输出

     图2、3为目前市场上流行的超薄CRT电视机中的16：9扁平玻锥在ZEISS PRISMO测量机上用CALYPSO测量软件中Iterative BaseAlignment数学找正法建立工件坐标系后，按未知曲线Digitize模式用VAST扫描测头进行闭线扫描等高线的情况和CALYPSO内嵌CAD模块对曲线测量结果和工件坐标系的IGES精确输出。

    与非接触测量法获得工件外形点云数据后需要通过Surfacer、CopyCAD等专用RE软件进行除噪、过滤、平滑、稀疏等预处理不同，由于主动式连续扫描测头能够精确地得到测点的坐标和法矢，所以数据预处理的工作大为简单。对玻锥测点数据只需去除每条曲线两端触测点附近的几点数据和在CAD软件中由点构建曲线时的个别异常点即可。

图4  CAD软件中的测结果数据点    

               
图5  产品CAD造型

    将处理后的点数据导入CAD软件中按点→线→面的方法逐条构建曲线，再采用过曲线造面的方法分片构面，然后通过曲面编辑的方法得到整个产品的造型。或是通过Surfacer、CopyCAD等专用RE软件进行除噪、过滤、平滑、稀疏等预处理后构造三角面片再生成曲面也可得到整个产品的造型。 如图4、5所示。

4、 结束语

     对实物模型进行测量造型过程中的三维数据采集方法多种多样，非接触式或接触式扫描测量都有各自的应用范围，在高精度和非漫反射物体等的测量中，基于三坐标测量机（CMM）的接触式扫描测头仍然具有明显的优势，并将继续在产品和模具开发中发挥重要作用。

（柴书彦，王立新，程金宏，刘洪涛 ）

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