坐标测量机CAI系统中测量路径设计

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坐标测量机是应用广泛的测量设备，它可以测量零件的几何形状、尺寸和相关位置等。近年来许多测量机运用计算机硬件和软件增强了它们的功能，但测量程序通常仍旧使用独立的系统，测量不同形状的零件，必须事先分别确定好测量点及测量路径，然后编制相应控制程序，其过程与零件的设计和加工过程相脱离。所以，现在迫切需要一种有效的坐标测量机计算机辅助测量(CAI)子系统与CAD/CAM系统相集成，建立一个设计、加工和测量的集成系统。这样，对于CAD系统中已设计建立的零件模型，系统就可根据其表面特征自动生成各表面上的测量点，再由测量点确定测量路径，生成测量程序，控制坐标测量机完成测量任务。此系统大大改善了其自动化性能。 - ^, [$ ?1 @: N; f$ B) {

1 零件表面测量点的自动生成

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一般三维机械零件是由基本的几何形状表面所构成的。平面、圆柱和圆锥面是最典型的三种表面。本文主要介绍这三种表面上测量点的生成原理。 ' @4 m. \0 @- A/ Y$ q

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图1 平面上测量点

2 m1 Y# ~# D1 x% z, _! J, B* f7 s3 m/ ]2 I; r# Y. l B K3 I/ L% M* \& \ 图2 N形求解 图3 法向求解

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1. 平面 6 b' {* F, h) V* `* x. F1 j
   三个不共线的点决定一个平面，但作为一般规则，在一个平面上至少应有4个测量点，这是由于实际平面与理想平面存在差异，4个测量点可以更准确的反映实际平面的特征。对于一个长方形的理想平面，合理的测量点应该平均地分布在4个位置上，每个点离边界的距离是长或宽的几分之一(图1)，其中取L₁=L/10，W₁=W/10。
   但是，如果长方形是较细长的(长宽比L/W>4)，则确定的4个测量点将形成一个很长的跨度，这对实际测量不利。因此，有必要适当地调整一些测量点。例如，将4个测量点形成的长方形的长再划分成8等份，对角线上的两个点可向内调整移动两格，参见图1中的点2和点4。
   如果选择的平面不是一个理想平面(如：非矩形或内部有孔)，按上述方法确定的4个测量点会有点落在实际平面之外。此时，必须寻找一个位于此平面内的点来替代原测量点。如果这个点在平面的一个角上，它就沿对角线方向向内按“N”形移动(图2)，这种方法称为“N形求解”。如果这个点靠近一条边，那它就沿边的法线方向向内移动(图3)，这就称“法向求解”。图2求解顺次是D₀、D₁、D₂、……D_n，直到D_n点落在平面内部。图3求解顺次是D₀、D₁、D₂、……D_n，直到D_n点落在平面内部。
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2. 圆柱面和圆锥面
   对于圆柱面或圆锥面，两个测量圆的高度分别为 ! k( B" N% Y$ m6 e. {- S" a8 p0 Gh₁=r+(H-2r)/5，h₂=r+4(H-2r)/5
   其中H为总度高，r为测头半径(图4)。按几何对称性原则，每个圆上生成4个测量点，相邻两点的圆心角为90°。这样，沿着轴向不等高的两个测量圆上就均匀分布个8测量点。 . G J' M% ^5 H( o) v# ?% z/ y' H) d9 X; c7 X1 X1 t# T* T0 C. i) G4 ~! G% y

   ! [+ I" L% x8 q2 K0 D5 h' C* S: M- l( @5 E" g: g- G3 A0 n2 k% Y. m* k 图4 圆锥面上的测量点 图5三维零件上测量点

   8 v0 o+ I* l$ `6 n7 K: o7 H! A" ?6 j% Z) h: f* w9 X+ @2 i Z" T. l, p; X* w1 [- ~8 o7 }* A# K( J. l 图6 平面上测量路径 图7 圆柱面上测量路径

3. 组合表面 - k2 C9 C1 a9 U5 R4 T
   三维零件的CAD表面模型可以从零件的平面图或二维投影图来定义。零件的表面模型建立后，系统程序就通过以上方法生成平面、圆柱面和圆锥面等所有表面上的测量点，参见图5。随着进一步研究和开发，可以针对CAD系统的几何数据库和CAM数据库建立专门的测量路径数据库。
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4. 自定义测量点 & M. P9 v \7 H
   在实际应用中，对给定形状表面确定出足够数量及优化数量的测量点也是很重要的。CAI系统中，在计算机屏幕上可以有自动和手动交互两种模式选择。在手动交互模式中，对于所选表面可以确定任何数量的测量点。不同的用户根据自己的需要可有不同的选择。

2 零件表面测量路径设计

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零件表面上测量点确定后，坐标测量机的测头在工作区从测量点所在平面的法线方向接近测量点，首先是以较快的速度移向第一个测量点的准测量点，然后以较慢的速度靠近第一个测量点，这样可以防止测头与零件之间的碰撞。准测量点是非常接近测量点的点，它从测量点表面法线方向到测量点之间有一段精确测量过的距离。到达第一个测量点之后，测头再退回到它的准测量点，然后快速移动到第二个测量点的准测量点，再到第二个测量点。当依次到达所有测量点后，测头就从表面上移开，利用以上规则就生成了测头的测量路径。参见图6，D₀是开始点，D₁、D₂、D₃、D₄是4个测量点，Z₁、Z₂、Z₃、Z₄是4个相应的准测量点。在执行测量程序时，测量力和接触条件是严格控制的，加之测量数据计算机处理，因此就排除了可能出现的人为误差。 $ V- z+ A7 ^8 M6 Z" C

在零件图中，圆柱面和圆锥面可代表外表面，也可以表示内表面(孔)，设计路线必须根据实际形状而进行适当调整来确定。本系统中只考虑线性插值法。图7是一个圆柱体外表面，D₀是开始点，D₁…D₈是8个测量点，Z₁…Z₈是相应的准测量点。对于其它的圆锥面或圆柱内表面上测头路线都可以用相似的方法生成。 - M; V- V3 n) R6 o9 ?2 J; M2 V

3 结束语

坐标测量机CAI系统必将与CAD系统相集成，按上述方法，对于三维零件表面模型，测量系统可以自动生成表面上的测量点，设计了测量路径，然后控制坐标测量机进行相应的测量，这样可以大大提高坐标测量机的自动化功能，缩短辅助时间，提高工作效率，并且成本低、适用性广。

【MechNet】