（机械制造及其自动化专业论文）基于准cad模型的cmm自动测量技术研究.pdf

摘要 摘要 三坐标测量机c m m ( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ) 以其独特的测量方式，满足对 形状误差和位置误差等众多加工参数测量的要求，随着计算机数控化开发，使得c m m 测量自动化成为现实。在安排c m m 测量路径时，根据被测曲面特征，将曲面分为已知 数学模型和未知数学模型的曲面。前者易于实现c m m 的自动测量规划，操作相对成熟 和稳定，而后者操作比较困难，测量误差比较大。本文以未知模型曲面的c m m 测量为 研究重点，提出采用准c a d 模型规划c m m 测量路径。根据激光扫描仪测量速度快， 测量方便等优点，采用激光扫描仪采集数据，通过对测量数据进行数据拼合、数据处理、 坐标系建立等操作，建立准c a d 模型，以准c a d 模型为连接纽带，用于解决未知模型 曲面难于安排c m m 测量路径的难题。 本论文首先分析c m m 的系统误差：即机械结构误差、温度误差、探头探测误差、 软件算法误差和测量误差等五个方面；分析c m m 的系统参数设置：即探针的选择、探 测距离的设置，探针旋转角度的设置、探针运动速度四个方面对精度的影响。采用三点 共圆理论选用适合的探针。对三坐标测量机的路径规划提出五点建议，其中针对物体对 称性和重叠性的特点，以叶轮为例，阐述采用对称性进行c m m 路径规划的优越性。 其次分析激光扫描仪的系统误差：即机械系统误差、标定误差、光学系统误差、系 统拼合误差等四个方面；分析激光扫描仪系统参数设置对精度的影响。通过分析和试验 验证，确定了倾斜角度和工件焦距设置位置这两个影响测量误差的主要因素，以此为输 入样本，建立b p 神经网络模型，实现测量误差的软件补偿。试验证明，此方法在很大 的程度上对误差进行补偿，提高了测量精度。 在分析现有c m m 测量路径算法的基础上，根据准c a d 模型特点，本文提出基于 准c a d 模型的矢量相似淘汰算法，此算法是根据测量邻近点之间的曲率变化关系，优 化测量点，规划c m m 测量路径。以v c h 缶0 为平台，建立d m i s 程序仿真检验平台。 试验证明，经过仿真检验平台检验调试的d m i s 程序，可以直接运用到c m m 测量中， 并取得了良好的测量效果。 本文在研究国内外叶片测量现状的基础上，针对未知模型叶片，采用准c a d 模型 安排c m m 路径规划，与传统测量方式相比，此方式提高了测量效率和测量精度。 关键词：三坐标测量机，激光扫描仪，准c a d 模型，d m i s ，神经网络，软件补偿， v c + + 仿真，叶片测量 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hau n i q u em e a s m i n gm e t h o d , c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ( c m m ) o a nm e e tt h e m e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t so fm a n yp a r a m e t e r sl i k es h a p e 锄r l o c a t i o ne r r o re t c n e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rd i g i t a lc o n t r o lm a d eb yc m m a u t om e a s u r e m e n tc o m e st r u e i n s e t t i n gt h em o a s u r o m e n tp a t ho fc m m ，t h e 双】r f - a i c a nb ec l a s s i f i e di n t ok n o w nm a t h e m a t i c a l m o d e lo n e sa n du n k n o w nm a t h e m a t i c a lm o d e lo n e sa c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fm e a s u r e d b r l r f a o c 啊f o r m e rc a nr e a l i z ec m ma u t o m a t i cm e a s u r e m e n te a s i l ya n di sr e l a t i v e l ym a t u r e a n ds t a b l e w h i l et h el a t t e ro p e r a t i o ni sr e l a t i v e l yd i f f i c u l t 、析t l lal a r g e rm e a s u r e m e n te n - 0 l t l l i sp a p e rf o c u s e so nc m mm e a s u r e m e n to fu n l f m o w n 跚d a o ea n dp r o p o s e san e wm o d e l c o n c e p t q i l a s i - c a dm o d e l g i v e nl a s e rs c a n n i n g sa d v a n t a g eo fh i g hm e a s u r i n gs p e e d a n dc o n v e n i e n c e , i ti su s e df o rd a t aa c q u i s i t i o n , c o m b i n a t i o n , h a n d l i n ga n dc o o r d i n a t e e s t a b l i s h m e n tt om a k et h eq u a s i - c a dm o d e l q u a s i - c a dm 0 d e li su s e da sal i n kt om a k e c m mm e a s u r e m e n tp a t hf o ru n k n o w nm o d e ls u l f a o 陷 f i r s t l y , f i v ec m ms y s t e me l t o r si n c l u d i n gm e c h a n i c a ls a u c t u r ee r r o r , t e m p e r a t u r ee r r o r , d e t e c t i o np r o b ee r r o r , s o t 融v a r ea l g o r i t h m sc i t o ra n dm e a s u r e m e n te r r o ra r ea n a l y z e d ：t h e i m p a c to fc m ms y s t e mp a r a m e t e rs e t t i n g si n c l u d i n gp r o b es e l e c t i o n , p r o b ed e t e c t i n gr a n g e ， p r o b er o t a t i o n a la n g l ea n dp r o b ev e l o c i t yo nt h ep r e c i s i o no fc m m i sd i s c u s s e d t h r e e - p o i n t c i r c l ep r i n c i p l ei su s e dt od e c i d et h ed i a m e t e ro fp r o b e f i v ei d e a sh a v eb e e np r o p o s e df o r p a t hp l a n n i n go fc m m ，i np a r t i c u l a r , a ni m p e l l e ri su s e dt oi l l u s t r a t et h ea d v a n t a g eo f s y m m e t r ym e a s u r e m e n tb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs y m m e t r ya n do v e r l a p s e c o n d l y , f o u rs y s t e me i t o r so fl a s e rs c a n n i n gi n c l u d i n gm e c h a n i c a ls y s t e me r r o r , c a l i b r a t i o ne r r o r , o p t i c a ls y s t e me r r o r , s y s t e mi n t e g r a t i o ne r r o ra r ea n a l y z e d ；t h ei m p a c to f s y s t e mp a r a m e t e rs e t t i n g so nt h ep r e c i s i o ni sd i s c u s s e d t h r o u g ha n a l y s i si np r i n c i p l ea n dl o t s o fe x p e r i m e n t s ，i n c l i n a t i o na n g l eo ft e s tp l a n ea n dl o c a t i o no ft h ef o c u so fs t r u c t u r e dl i g h ta r e p r o v e dt ob et w om a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h em e a s u r e m e n te r r o r b a s e do nt h e s et w of a c t o r s ，a b pn 删t l a ln e t w o r km o d e li se s t a b l i s h e dt or e a l i z es o f t w a r ec o m p e n s a t i o nf o rt h em e a s u r e m e n t e r r o r a st h ee x p e r i m e n ts h o w s ，t h em o d e lm a k e sc o m p e n s a t i o nf o rt h ee r r o ra n di m p r o v e s m e a s u r e m e n tp r e c i s i o ng r e a t l y b a s e do nt h ea n a l y s i so fp r e s e n tm e a s u r i n g p a t hp l a n n i n ga l g o r i t h m sa n dt h ec h a r a c t e ro f q u a s i - c a dm o d e l ，t h ep a p e rp r o p o s e sak i n do fc m mm e a s u r i n gp a t ho nt h eb a s i so fa v e c t o rs i m i l a r i t ye l i m i n a t i o n a l g o r i t h mo fk n o w nc a dm o d e l u s i n gt h i sa l g o r i t h m ， m e a s u r e m e n tp o i n t sc a nb eo p t i m i z e da n dd m i sp r o g r a mo fc m mm e a s u r e m e n tc a l lb e g e n e r a t e da c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i pa m o n gc u r v a t u r ev a r i a t i o no fn e a r b yp o i n t s t h e nt h e d m i sp r o g r a ms i m u l a t i o nt e s t i n gp l a t f o r mi se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fd m i s p r o g r a m a st h ee x p e r i m e n t ss h o w , t h ea c c u r a c y , e f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o no fm e a s u r e m e n tc a n b ei m p r o v e dg r e a t l yb yd i r e c t l ya p p l y i n gt h ed m i sp r o g r a mt h a th a su n d e r g o n ed e b u go f s i m u l a t i o nt e s t i n gp l a t f o r l no nc m mm e a s u r e m e n t a b s t r a c t o nt h eb a s i so ft h ed e v e l o p m e n to fb l a d em e a s u r e m e n tb o t ha th o m ea n da b r o a d , q u a s i - c a dm o d e li su s e dt or e a l i z ec m ma u t o m a t i cm e a s u r e m e n to fa nu n k n o w nb l a d e m a t h e m a t i c a lm o d e l c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n tm e t h o d s ，t h em e a s u r e m e n t e f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o na r ei m p r o v e d k e y w o r d s ：c m m ，l a s e rs c a n n i n g ，q u a s i - c a dm o d e l ，d m i s ，n e u r a ln e t w o r k ， s o f t w a r ec o m p e n s a t i o n ，v c 抖s i m u l a t i o n ，b l a d em e a s u r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名： 奎至金 e t 期： 型皇星：笪：d 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 导师签名： 如。占6 ，1 ) 日期： 酵垒：! ! 一一 第章绪论 第一章绪论 1 1 三维测量技术 1 1 1 三维测量技术的分类 三维测量技术是指采用测量设备和测量方式，获取零件表面离散点的三维几何坐标 数据，从而实现曲面的设计、检测、改进和制造。随着计算机、自动化、信息技术等发 展，三维测量技术采用的测量方式越来越多，应用的领域也越来越广。同时在实际生产 使用过程中，在测量精度和测量效率等方面对三维测量提出了越来越高的要求。根据目 前的三维测量方式，基本可分成三大类：接触式测量、非接触式测量和其它测量【1 h 5 1 。 见图1 1 所示。 图1 1 三维测量技术的分类 f i g i - 1c a t e g o r y o f 3 dm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y 1 1 2 三维测量技术的测量特点 l 、接触式数据采集特点 最常见的接触式数据采集方法有三坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，简 称c m m ) 和机械手。c m m 是一类使用最为广泛的接触式测量设备。作为一种通用性 强、自动化程度高、精度高的测量系统在先进制造技术与科学研究中有着广泛的应用。 近来，高速三坐标测量机及对复杂零件的测量研究有了很大的进展，如：英国l k 公司 推出的l k g 9 0 型三坐标机晟大矢量速度可高达5 2 m m i n 【矾。同时，针对复杂零件的测量， 俄罗斯l a p i c 公司开发出的m 系列六自由度坐标测量机，可以对诸如螺旋桨、汽轮 机叶片等复杂零件进行测量【7 1 。 c m m 测量方式的优点是：测量稳定，噪声低、伪劣点少、精度高、重复精度高， 对不具有复杂内部型腔、特征尺寸多、只有少量曲面的零件，c m m 是一种非常有效可 靠的三维数字化手段；缺点是测量速度慢，不能对软物体进行精密测量，同时，三坐标 江南大学硕士学位论文 测量仪价格昂贵，对使用环境要求高，与其它非接触测量方法相比测量速度较慢，测量 数据密度低，测头容易磨损，对测量结果需要半径补偿等不足。 传统工业机械手，为了避免产生定位误差和振动，一般采用重型结构。随着高端领 域，如航空，医疗，精密制造等领域的发展，对机械手提出了节省能源、高速度、高质 量的要求，因此，轻质柔性机械手有了很大的发展。 与传统机械手相比，柔性机械手具有高速度，低能耗、结构简单轻便，灵活性强等 优点，但是，轻型结构的机械手带来了结构弹性变形量大，引起了机械振动，使机械手 定位速度慢，定位不准确等问题。 2 、非接触式数据采集特点 非接触式数据采集是利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象来获取其三维 信息，如声、光、电磁等。其中以光学原理发展起来的三维形状测量方法应用最为广泛， 如激光干涉法、激光三角形法、结构光投影测量法、距离法、立体视觉法、图象法等。 激光干涉法 激光干涉法是通过测量两束相干光的光程差来获取物体的几何数据，测量精度相当 高，但测量范围小，抗干扰能力弱，不适合测量凹凸变化大的复杂曲面。 激光三角法 激光三角法是目前最成熟的、也是应用最广的一种非接触测量方法。激光扫描可以 达到很高的测量速度。如：英国3 ds c a n n e r 公司生产的r e v e r s a 激光测头扫描速 度达到1 5 0 0 0 点秒，精度达到o 0 2 5 m m ：不过激光三角形法存在的主要问题是：对被 测表面的粗糙度、表面的凸凹程度、漫反射率和倾角过于敏感，存在“阴影效应”【引。 结构光投影测量法 结构光投影测量法被认为是目前三维形状测量中最好的方法，其原理是将具有一定 模式的光栅条纹投射到物体表面，然后用两个镜头获取不同角度的图像，通过图像处理 的方法得到整幅图像上像素的三维坐标，该方式具有速度快、无需运动平台的优点。如 德国g o m 公司的a t o s 光学扫描测量系统以4 3 0 0 0 点秒的速度进行扫描，单帧精度 为+ o 0 3 m m ，但它仍然存在着图像获取和处理时间长、测量量程短等问题【9 j 。 距离法 距离法是利用光线飞行的时间来计算距离，采用激光和脉冲光束。典型的应用就是 电子经纬仪交绘测量法。该方式测速慢，工作量大，测量相对困难，适用于测量很大的 物体。 立体视觉法 立体视觉法是采用计算机视觉的原理，采用一个或多个摄像机摄下不同角度的图 像，再确定各点的空间坐标。这种方法在机器人视觉和工业检测中常常采用。其优点是 测量速度快，缺点是精度比较低。 图像法 图像法以图像帧来确定被测物体的空问形态，但它采用的分析方法并不仅限于投影 图案，而是通过两幅图像上的标记点或图案的相关分析来确定被测空问点的三维坐标。 2 第一章绪论 优点是能够比较精确的确定图案间的相关点，缺点是图像获取和处理时间长、测量量程 短等问题。 3 、层切法 层切法是能够获取物体内部数据的方法其思路是采用铣削的方法将目标物体一层 一层地铣开，在每层上用c c d 摄像机获取断层图像，不同高度的图像集合就组成了物 体的三维整体轮廓。该方式的主要问题是速度较慢，而且对被测物体具有破坏性。工业 i c t ( i n d u s t r yc o m p u t e rt o p o g r a p h y ) 常采用) c 射线、丫射线、核磁共振m b r 、超声层析 成像等方法，该类方法实现了对被测物体内部结构的无损测量，不过目前能达到的测量 精度还很低，而且设备价格极其昂贵，并对人体有害。 1 1 3 三维测量技术的运用 三维测量技术在医疗、航空航天、汽车、考古等领域应用非常广泛，主要应用背景 如【1 0 】- 【1 1 】： 一些产品的设计，仍存在使用黏土或泡沫模型，再采集它们的三维数据点并进行后 期处理，建立三维模型。 在模具制造过程中，经常需要反复试冲和修改模具型面方可得到最终符合要求的模 具。将最终符合要求的模具测量并造型出c a d 模型，再次制造该模具时就可运用这一 模型生成加工程序，则能大大减少修模量，提高模具生产效率，降低模具制造成本。 艺术品、考古文物的复制。 人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造。 特种服装、口盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，建立人体的几何模型。 近几年汽车工业在我国的飞速发展，三维测量的精确性及高效性成为汽车检测的重 要指标。 1 2 三维测量技术的研究现状 在高速发展的今天，三维测量技术主要集中在提高测量精度和测量效率等方面的研 究，国内外学者在此方面进行了大量的调查研究。 上海机床厂、青岛前哨一英柯发公司、中国精密机械研究所、南京航空航天大学、 上海交通大学、西安交通大学、天津大学等单位和高校进行了大量模型数字化测量方面 的研究工作。国外在这方面的实践更早一些，比较典型的有：世界上著名的生产三坐标 测量机的公司：英国的r e n i s h a w 公司、意大利的d e a 公司、德国的c a r lz c i s s 公司、 英国l k 公司、日本的三丰公司以及美国的b r o w n s h a r p 公司、海克斯康等在开发三 坐标测量机的机械系统同时，着力开发具有测量数字化功能完整的测量规划软件，并能 与c a d c a m 软件联接，实现编制数控加工指令。 1 2 1 三维测量规划的研究现状 j a r v i s 佗】对各种数据采集方法做出介绍；t a m a sv a r a d y 1 3 】介绍逆向工程中的各种测 量方法并给出测量的主要问题；b u t l e r 4 】介绍各种接触式测量方法并给出它们的比较； 江南大学硕士学位论文 针对c m m 自动跟踪测量；c m e n q 和f l c h 饥【1 5 】开发基于c m m 未知自由曲面接触式测 量系统，利用这种方法测头最后能沿法线方向测量自由曲面，且基本消除测头半径误差， 还可以根据曲面模型上的曲率变化情况布置测点，但它只能用于测量光滑曲面；那永林 【16 】通过对规则c a d 三视图进行几何信息提取、二维重构和三维特征匹配等一系列操作 重构出工件的三维立体图形，采用简化的构造实体几何( c s g ) 模型对工件进行可视化， 实现工件自动定位、检查测量路径的合理性和防碰撞检测。采用这种方法，程序执行速 度快，效率高，并可以方便地嵌入到三坐标测量程序中。不足的是这种方法尚不能实现 自由曲面类工件的可视化：王春【1 7 1 提出通过找出工件表面与测杆球端接点处的“近似切 线 ，利用此信息求出测头运动速度的方向以实现表面的自动跟踪测量；高延峰【ls 】利用 遗传算法很好的解决自由曲面检测时检测路径的优化问题，缩短检测时间，从而提高生 产效率，但是同时也损害遗传算法的鲁棒性和通用性；李维诗1 1 9 】提出一种新的二维光滑 曲线自动跟踪测量算法，算法已经在通用坐标测量软件e z d m i s 中实现。不足的是等 距曲线算法中比较困难的的是对自交、尖点等特殊情况的处理。如果出现这些情况则说 明采样不充分，需要重新测量；平雪良【2 0 】针对自由曲面的测量，采用灰色系统理论，基 于g m ( 1 ，1 ) 提出实时在线灰色预测模型，实现三坐标测量机快速、精确的测量；王世 刚【2 l 】通过对遗传算法和禁忌搜索算法的对比分析，将遗传算法和禁忌搜索算法相结合的 g a 2 t s 混合算法用于解决坐标测量机( c m m ) 测量路径规划。实验结果表明，该算法在 解决路径优化问题时具有比传统遗传算法和其它算法更大的优越性和更好的结果。 1 2 2 三维数据误差修正的研究现状 x i o n g t 冽分析接触式测量中的轮廓误差并进行误差修正；c b u t l d 2 3 】等人对坐标测量 机测头的动态特性与动态误差进行全系列的研究；w g w e e k e r s l 2 4 】研究坐标量测机动态 误差修正技术；李忠科【2 5 】在激光三维测量系统中，应用人工神经网络技术实现图像坐标 系到世界坐标系的映射，修正系统的非线性误差；周会成【2 6 】研究边缘效应误差的成因和 特点，提出采用分段平滑对光带边缘效应进行拟合修正方法，通过分段、曲线段类型判 别和拟合修正三个步骤对光带中心进行处理，实现补偿边缘效应引起的误差；刘保华【2 7 】 针对在多线结构光测量系统中光平面不等距和不平行引起测量误差的问题，提出一种基 于标准三角块的误差补偿方法，该方法在对阵列式多线结构光测头结构误差补偿后， 测量得到的数据精度可以提高约4 0 。不足之处是该方法及补偿公式仅适用于结构误差 较小的阵列式多线结构光测量系统的测头误差补偿。 1 3 课题背景和主要研究内容 1 3 1 本课题的研究背景 目前，c a d c a m 技术已发展到相当成熟的程度，国外主流的c m m 软件系统都配 有测量路径自动生成模块，用户只需要通过图形用户界面同系统进行简单的交互就可生 成测量路径。而国内测量机软件的研发还处于起步阶段，测量机厂商要么使用国外大 厂商软件系统，要么只有简单的软件。使用国外大厂商的软件，不仅要支付高额的费 4 第一章绪论 用，而且升级也不方便，不能根据用户的需要定制【2 5 2 9 1 。为此，我们寻求一种基于 国人原创性理论的测量新方法，优化完善c m m 测量规划。 安排c m m 路径规划领域时，根据自由曲面的数学模型是否已知，分为已知数学模 型和未知数学模型的曲面自动测量。前者在产品质量检测等领域使用比较广泛，路径规 划易于操作，相对成熟、稳定；后者在逆向工程测量领域大量存在，但路径规划比较困 难，测量误差比较大。如何高效率并且高质量测量未知模型工件，目前已逐渐成为国内 外学者研究的热点问题。 本课题主要针对未知模型曲面，提出采用准c a d 模型进行c m m 路径规划。准c a d 模型是指通过快速测量设备( 如激光扫描仪等) 进行测量，得到初始的粗略模型，以此规 划c m m 自动测量。此方法是将快速测量设备( 激光扫描仪) 和c m m 设备有机的结合起 来，充分发挥两种设备的优点，提高三维数据的采集效率和采集精度。 1 3 2 本课题的主要研究内容 本课题主要研究通过建立准c a d 模型，将未知模型曲面转化为准已知模型曲面模 型，用于规划三坐标测量路径。本论文的具体工作见下图1 2 ： c m m 系统误差分析和c m m 参数设置对 精度的影响及几点路径规划建议( 第二 章) 根据准c a d 模型，由矢量相似淘汰算法， 规划c m m 测鼙路径，并对其进行模拟仿真 检验( 第五章) c m m 测量在线测量，生成测餐结果报告 c m m 测量数据进行厉期分析( 第五章) 以朱知模型叶片为例，采用准c a d 模型 的测量方式进行c m m 路径规划( 第入 章) 激光扫描仪系统误差分析及参数设置对精 度的影响，通过b p 算法进行误差修正( 第三 章) 针对朱知模型- t 件，采用激光扫描仪器测 量，建立准c a d 模型( 第四章) 图1 - 2 课题研究流程图 f i g 1 2 f l o w c h a r to fp a p e r 江南大学硕士学位论文 第一章针对现在三维测量技术，分析国内外研究现状及遇到的瓶颈等问题，提出本课 题的研究方向及研究内容。 第二章阐述c m m 工作原理，分析c m m 的系统误差和c m m 的参数设置对精度的影 响。采用三点共圆理论选用适合的探针。并对三坐标测量机的路径规划提出五点建议 第三章阐述激光扫描仪的工作原理，分析激光扫描仪的系统误差和激光扫描仪系统参 数设置对精度的影响。通过分析和试验验证，确定倾斜角度和工件焦距设置位置这两个 影响测量误差的主要因素，以这两个因素为输入样本，建立误差影响因素的b p 神经网 络模型，实现测量误差的软件补偿。试验证明，此方法在很大的程度上对误差进行补偿， 提高了测量精度。并对激光扫描仪的路径规划提出几点建议。 第四章根据激光扫描仪器测量速度快，测量方便等优点，因此采用激光扫描仪器采集 数据，通过对数据进行数据拼合、数据处理、坐标系建立等操作，建立准c a d 模型的 流程。并列举实例，阐述准c a d 模型的建立方法。 第五章在分析现有c m m 测量路径算法的基础上，根据准c a d 模型特点，本文提出基 于准c a d 模型的矢量相似淘汰算法，规划c m m 测量路径，并以v c 枷0 为平台，建 立d m i s 程序仿真检验平台。试验证明，经过仿真检验平台检验调试的d m i s 程序，可 以直接运用到c m m 测量中，并取得良好的测量效果。 第六章研究了国内外叶片测量的基础上，本文针对未知模型叶片，采用准c a d 模型进 行c m m 自动测量，与传统测量方式相比，此方式提高了三坐标的测量准确性、测量效 率和测量精度。 第七章对本文目前研究成果的总结和研究不足进行分析，同时对未来研究方向的展望。 6 第二章接触式测量技术研究 第二章c m m 测量技术研究 2 1 引言 c m m 作为接触式测量仪器的典型代表，具有高精度，通用性强，效率高、测量稳 定等优点，得到广泛的使用。c m m 以精密机械为基础，综合应用电子技术、计算机技 术、光栅等先进技术的测量设备。它能对复杂的零件进行精确的三维测量，具有空间三 个相互垂直的x 、y 、z 运动导轨，可测出空间范围内各测点的坐标位置。确保c m m 具 有高精度的测量结果，需要系统明确产生误差的原因，从根本上尽量减少测量误差。 本章从c m m 的系统误差和c m m 的参数设置两个方面分析了误差产生的原因。针 对c m m 的系统误差主要从机械结构误差、温度误差、探头探测误差、软件算法误差和 测量误差五个方面系统分析：针对c m m 的参数设置产生误差的原因主要从探针的选择、 探测距离的设置，探针旋转角度的设置、探针运动速度四个方面系统分析。针对探针的 选择，本文采用三点共圆理论确定探针选用方案。最后归纳几点c m m 测量路径规划的 方案。 2 2 三坐标测量机的工作原理 三坐标测量机的基本原理是：将被测物体放在三坐标测量机的测量空间，可获得被 测几何面上各测量点的几何坐标尺寸，根据这些点的空间坐标值经过数学方法计算求 出待测的几何尺寸、形状和位置误差等。 卜 从理论上讲，三维测量可以对空间任意处的点、线、面及相互位置进行测量。不管 任何复杂的表面和几何形状，只要测量机的测头能够探测的地方，就可通过测量系统得 到各点的坐标值，并计算出它们的几何尺寸和相互位置关系，完成相应的数据处理1 3 0 】。 2 3 三坐标测量机的系统误差分析 影响三坐标测量机的系统误差因素有很多，产生测量误差的来源主要包括以下五个 方面：机械结构误差、温度误差、测头探测误差、软件算法误差、测量方法误差等，见 图2 1 ： 1 机械结构误差 疋世 1 天左 c m m l 温度误差 l 直线度运动误差 测 i 量 l l 垂直度误差 误 测头探测误差 差 源 l 软件算法误差 i 角运动误差 i i 测量方法误著 i 动态误筹 图2 1c m m 测量误差源 f i g 2 1 e r r o rs o u r c e so f c m mm e a s u r e m e n t 7 江南大学硕十学位论文 2 3 1 机械结构误差 三坐标测量机属于正交坐标系，三根互相垂直的轴线，相应地有三个运动部件沿着 这三条轴线运动，测头相对于工件作三维直线运动，其运动的位移量可通过安装在三轴 上的标尺读出。由于机构的制造与装配的不完善，不可避免地会使各个运动部件的实际 位移偏离它的名义值。误差主要由以下几部分构成： l 、定位误差 三坐标测量机一般为全闭环系统，只有当标尺读数系统指示的值与指令值一致时， 才停止运动，因此标尺误差是产生定位误差的主要原因。同时，多数情况下，测量线与 标尺( 基准线) 不在同一直线上，即不符合阿贝原则。因此定位误差不仅包括标尺读数系 统的误差，还包括阿贝误差【3 l j 。 2 、直线度运动误差 直线度运动误差是由导轨系统的综合作用而产生的。沿不同轴运动时会产生不同的 直线度运动误差，如沿x 方向运动时产生y 、z 方向的偏移咖( 工) 和昆( 工) ，沿y 向运动时， 产生x 、z 向的直线度运动误差蠡( y ) 和昆( y ) ，沿z 向运动时，有x 、y 向直线度运动误 差苏( z ) 和国( z ) 。 三坐标测量机各个运动部件直线度运动误差主要由导轨的加工误差引起，其中随位 置而变化的系统误差占主要成分，导轨系统中摩擦变化、滚动体的位置变化、气浮导轨 中气隙变化、油膜厚度变化等会引起随机误差。 3 、角运动误差 三坐标测量机的运动部件作为一个刚体，沿其导轨作直线运动时，不仅会产生直线 度运动误差，还会产生绕三根轴回转的角运动误差。如当移动桥沿x 、y 、z 三个方向运 动时，分别会有绕x 、y 、z 三根轴转动的角运动误差品( x ) 、母( 工) 、& ( 工) 、凸( y ) 、c y ( y ) 、 ( y ) 、c 4 z ) 、母( z ) 、品( z ) 产生。 角运动误差与直线度运动误差一样，是由导轨系统的不完善性产生的。因此二者之 间存在必然联系。一般地说，导轨的直线度误差越大，测量机运动部件的直线度运动误 差、角运动误差也都越大。 4 、垂直度误差 三坐标测量机的每一个运动部件都具有一个定位误差、两个直线度运动误差、三个 角运动误差，即共有六个运动误差，它与一个刚体的六个自由度相对应。三坐标测量机 为实现三维测量，有分别沿x 、y 、z 向运动的三个直线运动部件，因此共有1 8 项运动 误差。此外，由于安装误差，这三根轴线之间的夹角可能偏离它们的公称值9 0 0 ，造成 轴线之间的垂直度误差劬、a m 、咖。垂直度误差主要由导轨安装、调整与加工误差引 起。一旦安装、调整完毕，应是一个定值误差。通常将三坐标测量机的几何参数误差归 结为：三项位置度、六项直线度、九项角摆误差以及三轴相互之间的三项垂直度，即2 l 项参数误差【3 2 1 。 第二章接触式测量技术研究 5 、动态误差 测量机在运动过程中完成采样与测量，还需考虑测头与测量系统的动态特性对测量 误差的影响。当测量机在作加速运动时，所有运动部件上都会产生惯性力。这些惯性力 会使这些部件变形。变形的大小与惯性力成正比，与构件的刚度成反比。除惯性力外， 振动也是引起动态变形和位移误差的重要因素。有时测量需要频繁改变探测方向，改变 测量方向总是伴随着加速、减速，造成传动的不平稳性也是产生振动的因素之一。所以 在探测时，应尽量保持探测速度恒定。 2 3 2 温度误差 由于三坐标测量机是一种高精度的检测设备，所以其环境条件的好坏，对测量结果 至关重要，这其中包括检测工件状态及环境、温度条件、振动、湿度、压缩空气等因素。 温度误差又称为热变形误差，是影响测量误差的主要环境因素之一。被测物体偏离 标准温度2 0 c 时，会产生热变形误差；当测量仪器的温度偏离2 0 c 时，标尺长度改变， 元件的性能或尺寸也会发生变化，同样会引起热变形误差。 形成热变形误差的主要因素有两个：一是被测物体和测量仪器的温度偏离标准温度 2 0 ；二是被测物体的尺寸和仪器的性能随温度变化。对于被测物体来说，主要是它的 尺寸随温度变化。对于测量仪器来说，则有可能是它的结构尺寸变化，也可能是它的其 它性能变化( 如放大器、传感器的增益随温度变化) 。 可以通过以下方法减小热变形误差的影响：保持测量机和被测工件的温度尽量接 近2 0 ：测量机采用具有低温度灵敏度的材料与器件；对热变形误差进行补偿。一 般测量过程中，常采用第一种方式，在测量前，将测量机和被测工件在2 0 的测量工作 室放置一段时间，使温度尽量接近2 0 。 2 3 3 探头探测误差 三坐标测量机测头的探测误差是影响测量不确定度的重要因素。对于不同的探针， 探测误差也不同。在标定测头的直径时，测量机与测头的误差对标定值均有影响。测杆 的变形是随着测杆长度而变化的。采用接长杆时，每换种接长杆，必须重新标定。接 触式测量时，摩擦也会引起测量误差。理论上，测头沿工件法线方向对工件进行探触， 测头与工件表面无切向相对移动。但实践中往往达不到理想最佳状态。当测头与工件表 面存在切向相对位移时，会产生磨擦。这样不仅会引起测头磨损，还会使测杆产生附加 变形，从而产生测量误差。 为了测量方便，测头常配有各种附件，如接长杆、转接体、多测头连接座等，这些 附件的误差也直接影响测量精度。在测量个工件使用多探针的情况下，需对各个探针 测头的相对位置进行标定。采用接长杆的情况下，测杆部件的刚度下降，由于测头刚度 较差，也会引起测量误差。测量一个工件的过程中，如果采用测头回转体或测头自动更 换，测头回转体的误差和测头更换装置的重复定位精度直接影响测量结果。 9 江南大学硕士学位论文 2 3 4 软件算法误差 在三坐标测量机中，根据被测元素中若干点的坐标位置，按照一定的拟合准则，通 常依靠测量机数据处理软件来求得替代元素及其参数。在进行数据处理过程中，软件也 不可避免地带入某些误差，所选用的拟合准则不同，采用的软件不同，引起的误差也不 同。 软件在数据处理过程中产生误差的主要原因如下【3 3 】： 由于某些计算比较复杂，在软件的编制过程中采用了一些近似算法，例如以线性最 , , i x - - 乘法代替非线性最d x - 乘法； 经过测试中发现，许多软件中对方向余弦的值所给的有效数字位数不够，而带来误 兰 z o 2 3 5 测量方法误差 接触测量的方式主要分为点探测模式测量与连续扫描模式测量。点探测模式测量是 指由人工操作或由计算机控制，使测头逐点探测被测物体表面的方式，是接触式三坐标 测量机使用最多的探测模式。连续扫描模式，就是测头沿被测工件表面按照预先确定的 速率运动，自动获取测量数据的一种测量模式。此测量模式的最大特点是数据采集率高， 即在短时间内可以获取工件表面的大量数据。此方式与前者测量方式相比，具有较高的 效率等优点，不足之处是测头经常处于与工件表面作切向相对滑动状态，摩擦力较大。 一般而言扫描测量时，精度比点探测测量精度低【州。 1 、点探测模式测量 点探测模式测量原理：当测头与被测工件表面接触后，克服弹簧预紧力，使处于闭 合回路的球一柱接触副脱开时，电子电路产生发讯脉冲。该脉冲应以尽可能快的速度传 递给标尺系统的计数电路，并在尽可能短的时间内锁住计数电路的锁存器。与此同时， 也可以以该脉冲作为中断源，启动控制计算机的中断程序将锁存的数据读入计算机中的 缓冲区内，系统的计数电路必须与测头电路通过硬件连接实现联动，以避免因计算机的 硬中断响应时间较长而导致测量误差。这一脉冲还同时通过硬件电路控制测头后退一小 段距离。 点探测模式的测量方法：见图2 2 所示，假定测头停在初始位置a l 处，为探测工 件表面c 1 点，一般先快速驱使测头到达c l 点表面发现上方很近的一点b 1 ，再沿法向 方向慢速探测点c l ，回退到d 1 ，之后快速到达a 2 ，慢速探测c 2 点如此反复， 逐点测量。测量完成后，测头停在空间a 4 处。 图2 2 点位探测原理 f i g 2 2p r i n c i p l eo fp o i n tt op o i n tm e a s u r i n g l o 第二章接触式测量技术研究 把点b l 、b 2 、b 3 称之为“预接近点一，把c l 、c 2 、c 3 称之为“探测点一，把d 1 ， d 2 、d 3 称之为“回退点，把b 1 c 1 、b 2 c 2 、b 3 c 3 为探测方向矢量。 如果测量已知的几何元素，这些“预接近点力、“探测点和。方向矢量都可以由 程序自动生成。但是，这些元素是根据已知模型元素测量，由于模型与实际加工零件存 在误差，即测量时不是完全按照工件的法向矢量进行测量，因而产生测量误差。 如果测量未知元素，就需要通过手动逐点测量并自学习记录它们，这样测量方式， 人为干预比较大，测