复杂曲面实物三坐标机数字化扫描测量的研究

　　1　测量机概况

　　本测量使用英国LK公司生产的G90C型三坐标测量机。整个测量系统是由测量机、电气控制装置、计算机和相应的测量软件等构成。坐标机曲面的数字化扫描有点位式和封闭连续式两种扫描模式。本曲面实物的数字化扫描基于LK2Dmis32的连续扫描模式。

　　2　实物扫描规划及确定测量方案

　　扫描测量是从现有的产品原型表面上获取三维数据点云的坐标数据采集过程。只有获得精确测量数据才能够进行复杂曲面的高品质重构。为了保证采集数据的合理有效性和可靠性,规划扫描显得十分重要。下面对如下两个规划扫描测量方案进行讨论。

　　1)整体测量。以电话座机表面为例,一次性全面扫描测量,即建立一次坐标系,选择一种测头方向。由于三坐标机自身结构的限制,扫描测量是基于单条扫描线的集合,因而测量效率低,测量时间长,耗时约15h,对设备也不利,此方案不可取。

　　2)分片测量。将电话座机的表面划分为五片,如图1所示。逐一分片进行扫描,除第2片外,每片均需完整扫描。且在后面的数据处理结果中得知,每片的扫描路径并不需要全面覆盖所有的被测表面,如平滑部分的第2片只需扫描比较具有特征的几条线,足够进行数据处理使用,对后续曲面的重构并没有影响。方案二相对方案一的优点是:分片采点和扫描时出现哪片不合理,则重新采集和扫描不合理的那一片,不必全部重测,所花时间短,测量效率高。下面就方案二叙述如何进行数据采集及扫描。测量坐标系见图2。

　　3　扫描测量的研究

　　3.1　选择测头类型

　　本测量采用跟踪接触式。扫描结果能否正确地反映出实物原貌,很大程度上与所使用测头类型有关。考虑到电话座机的表面结构比较复杂,有些地方表面曲率半径较小,在测量时应选用直径为1. 0mm的测球,这样可以全面接触到扫描点,使原物不失真。

　　3.2　测头定义及测球半径校正

　　本测量机的测头为TP2型三向触发接触式软测头,它具有分度功能,可以在铅垂方向(坐标机记为A轴)旋转0°~90°;水平方向(坐标机记为B轴)旋转0°~360°。如图3所示,测球与工件表面进行接触式测量,三坐标测量机的三维测量点,是测量机光标尺读数与测球半径运动矢量之和。在实际的测量中,测头往往要旋转成各种角度,以提高测量的精度,旋转角度原则是:测杆测头的中心连线大致与被测面的法线一致,使测头能够接触到相应的测量点,不致于因曲率变化大的表面数据采集有误差,且使测头受力均匀。在本测量中测头方向只需选取两组:A=0°、B=0°(这组测头用于第1片和第4片扫描中);A=15°、B=180°(这组测头用于第2、第3和第5片扫描中),测球半径选取0.5mm。需要用到的测头方向,必须事先进行一次性分别定义和测球半径校正。校正测球半径要使用随坐标机带来的20mm的标准球。标准球安装于坐标机工作台中间位置,应用命令COMMAND/PROBE/SNSDEF对测头方向、测球半径进行定义和校正,成功校正后结果显示于软件命令Utilities/CALIB中。