基于CMM的复杂曲面数据测量规划研究

　　现代机械行业中，精密的产品设计依靠高精度的制造来实现，高精度的制造又依靠高精度的检测来完成的。随着社会需求的多样化，涌现了大量具有复杂曲面的零部件。为配合这些零部件的研发和生产，能否准确实现复杂曲面零部件的检测，提高面曲的测量准确度和效率，已成为质量检测部门的首要任务，尤其是对复杂曲面进行三维几何测量是研究的重点[1]。

　　目前的三维检测方法，根据测量探头或传感器是否和实物接触，分为非接触式和接触式两类。非接触式测量根据测量原理不同，有光学测量、超声波测量、电磁测量等方式，较为成熟的是光学测量方式，有激光扫描、莫尔条纹、结构光、数据图像处理等方法，其优点是测量速度快，但精度较低。接触式测量的典型设备是三坐标测量机 ( Coordinate MeasuringMachine，CMM) ，该设备不但能对具有复杂形状工件的空间尺寸进行测量，且具有测量精度高、适应性强等优点[2]，CMM 被广泛应用于高精度复杂曲面的测量。作者根据 CMM 的测量原理和被测曲面的几何特点，提出了合理规划复杂曲面的数据测量方法。

　　1 CMM 的测量原理

　　CMM 是由 3 个相互垂直的测量轴和各自的长度测量系统组成的机械主体，结合测头系统、控制系统、数据采集与计算机系统等构成坐标测量系统的主要系统元件。测量时把被测物体置于测量机的测量空间中，通过机器运动系统带动传感器即测头实现对测量空间内任意位置的被测点的瞄准，当瞄准实现时测头即发出读数信号，通过测量系统就可得到被测点的几何坐标值，根据这些点的几何坐标值，经过数学运算、测头半径补偿后即可求出待测的几何尺寸和相互位置关系。如果在三坐标测量机上安装分度头、回转台后，系统具备了极坐标系测量功能，具有 x、y、z、C 四轴的坐标测量[3 -4]。

　　2 复杂曲面

　　从数学角度分析，可以将曲面归结为两类，即规则形状曲面和非规则形状曲面。规则形状曲面包括平面、圆弧面、圆柱、圆锥、球以及双曲线面、螺旋线面、齿轮、凸轮等易用数学方法描述的曲面。非规则曲面是指用其他数学方法描述的曲面，这类曲面统称自由曲面。复杂曲面可以是单一的自由曲面，也可以是多个规则或不规则曲面片的组合，各面片之间通过过渡面片或圆角相互连接。

　　3 复杂曲面的测量规划

　　3. 1 测量定位

　　在复杂曲面的测量过程中，为了减少测量数据的后续处理，测量过程中尽可能一次定位，实现一个测量坐标系下的全部测量。然而许多因素决定了无法一次完成整个曲面的测量，比如: 产品尺寸超出测量机的行程、复杂曲面存在投影盲点或视角死区致使测量探头受被测曲面的干涉、产品外形复杂需从不同角度测量产品的各个面、重新装夹补测数据等等，都必须对复杂曲面进行多次定位、多次测量。多次的测量数据最终要统一在一个坐标系下，才能保证测量数据的准确与完整。实际测量过程中，多次测量定位的方法一般有三种: 三点定位法、旋转台测量法与统一测量标定法[5]。对于复杂曲面的测量，最常用的就是三点定位法，即在被测物体上确定三个非共线点并且三点连线距离不等，每次重新装夹定位后，测量这三个点，作为局部测量坐标系标准; 在不同测量坐标系下得到的测量数据，通过将三个基准点移动对齐，就能将测量数据转化在一个零件坐标系下。由于物体表面的基准点的捕捉容易产生误差，常在被测物体周围摆放三个标准球，以三个标准球的球心作为测量基准点。由于物体的移动造成测量坐标的定位变化，相同的位置在不同的测量过程中所测得的数据是不同的，但对同一个点来说，相当于从一个坐标系变换到另一个坐标系，测量数据处理就转换为旋转、平移的坐标变换问题了[6]。