基于逆向工程技术的形状误差检测方法

　　1 引言

　　形状误差是指实际形状对理想形状的变动量,它是用来表示零件表面的一条线,或一个面加工后本身所产生的误差。形状误差包括平面度、圆度、直线度、圆柱度、线轮廓度和面轮廓度。传统的形状误差测量方法主要包括:平晶测量法、打表法测平面度误差;两点法、三点法测圆度误差;贴切法、测微法、节距法测直线度误差等。虽然检测过程简单,但自动化程度低、误差大、需要制造样板周期长且成本高[1]。有学者提出了在逆向工程中,通过点云数据和数学模型的比对分析,获取工件形位公差值的数字化检测方法[2]。本文在没有工件数学模型的情况下,运用逆向工程的数字化测量和数据处理技术进行工件形状的误差检测。

　　2 检测方法概述

　　逆向工程技术是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品再制造技术的总称。作为一种新产品开发的重要手段,逆向工程技术已发展成为CAD/CAM系统中一个相对独立的研究分支,其相关领域包括几何测量、图像处理、计算机视觉、几何造型和数字化制造等。除机械领域外,三维测量、模型重建技术还用于医学、地理、考古等领域的图像处理和模型恢复[3]。运用逆向工程技术进行形状误差检测的方法是首先运用三维数字化测量技术获取工件表面点云数据,然后运用数据处理技术分析计算工件的形状误差。工件表面点云数据的获取方法可分为两类:接触式和非接触式。接触式测量方法适用于仅需要测一些特征点的规则型面零件的数据采集,接触式测量获取的是工件特征点或特征线。非接触式测量方法则适用在需要测量大规模数据点的自由曲面、复杂曲面零件的数据采集,经非接触式测量获取的点云密集而复杂,包含了工件表面所有的信息。采用的测量技术不同,其后的数据处理技术也有所不同,下面将分别针对接触式和非接触式测量情况下形状误差的检测方法进行研究。

　　3 基于接触式测量的形状误差检测

　　3.1 数据测量

　　接触式测量是通过机械探头接触被测工件表面,由传感器确定工件表面各测点的坐标位置。接触式测量按其原理不同,可分为点位触发式和连续扫描式两种。点位触发式测量精度高但测量速度慢,一般只适于需要数据较少的工件表面数字化场合。连续扫描式测量适于生产车间环境,能保证较短的扫描时间和最佳的测量精度,但易损伤被测表面。图1所示为移动桥式三坐标测量仪所获取的工件表面特征点云。其中图1a点云采用点位触发式获取,图1b、图1c点云采用连续扫描式获取。

　　接触式测量的优点在于测量精度高,干扰小,可同时测量规则几何特征和不规则曲面特征,对基本几何特征的测量快速且准确,对工件表面的颜色和光照没有要求。但缺点是测量速度慢,效率低,不能对超薄形零件进行测量,需要人工干预,不能实现全自动测量,由于测头的半径而存在误差补偿等问题。