基于三坐标测量机测量复杂曲面轮廓的极坐标测量法研究

陈贵军 卢熊 唐博 谢元云

摘 要：为了使所用轮廓样板量值能够精准，可以对轮廓的优缺点与适用范围进行测量，分别用到的仪器为三坐标测量机、投影仪与三维扫描仪。提出了对复杂曲面轮廓的极坐标进行测量的方法，主要是将测量软件和三坐标测量机两者结合，然后从三方面对此测量方法的实例进行分析，分别为对测量的结果进行评价、图纸的分析以及编制测量程序。使用此测量方法一定程度上处理了多圆弧曲面连接工件的形位公差评定的状况，对废品率、所检测的精准度、效率也是有很大的帮助。

关键词：三坐标测量机;极坐标测量;复杂曲面轮廓

引言

三坐标测量机的特点是测量数据的精准度较高，可以将产品的内外部大小与形状准确的测量出来，并且还可以用在较为复杂工件划线、定孔等方面，更适用于扫描连续曲面，在电子、汽车、机械行业等应用的都很普遍。三坐标测量机对标准轮廓样板检测精准度是有所不同的，因为所用的检测方法不一样。下文主要是对三坐标测量机多种测量方法简要的分析，总结了减少误差的方法。

1 常用轮廓检测方法

1.1 投影仪测量法

借助投影仪对轮廓进行测量主要的原理是采用光学投影比对，此方法测量几何小的工件中比较适用，按照实测工件的尺寸去决定所要放大的倍数，然后和标准图形作比较。是否合格取决于被测工件的轮廓有没有处于公差带的范围内。此方法会在视觉上产生较大的误差，使检测的结果不精准。并且此方法具有一定的测量范围，局限性很高，要求被测工件的加工精度要更高。當被测工件表面的粗糙程度不够，所展现的影响会很模糊，使检测结果的准确性直接受到影响。因此，大多数工件的设计精度不达标，采用投影仪测量法做出的判断很容易处错误，会使产品直接判定不合格，并且使用此方法在后期的调修阶段是没有办法提供精准数据作为参考的，因此会使原材料浪费、支出成本上涨等。

1.2 三维扫描仪测量法

借助三维扫描仪对轮廓进行测量主要原理是激光跟踪，将光栅在所测物体的表面上投射出来，所要采集的图像是与摄像头在同一频道上的，分析图像并对相关的数据进行计算，达到表面三维轮廓测量的目的。是否合格取决于被测物体与标准的数据做比对计算。使用此方法去测量对被测工件与环境是没有任何要求的，三维扫描仪可以探进较为复杂的空间去扫描，快速勾勒出被扫描物的三维模型，还可以测量出三维空间中的多项数据，并且采用的是无接触方式，此方法具有精准、快速、便捷的优势，是现阶段绘测领域中新的研究热点。利用此方法进行测量的缺点在于无法采集到被测工件连接处拐点、尖点的数据，使所构造出的数学模型有偏差，测量出的数据存在误差，对测量结果会产生影响。如果局部存在偏差，后期的调修阶段也是无法提供精准数据作为参考的。

1.3 三坐标测量机测量法

在接触测量法中，最典型的就是三坐标测量，测量的过程侧头会在工件上以逐点的方式去测量。原理是采集点坐标，进行系统参数的设定，对所采集点的坐标数据做出处理，然后利用绘图软件以所形成的点线面为前提制作模拟图形，最后计算得出相应实物的量值。在进行测量时，使用三坐标测量机展开测量的关键所在就是准确的建立坐标系，还要确保测量、设计以及加工工艺三个基准相符合，防止出现因基准不一致使量值产生偏差。此方法的优势在于数据可靠性强、准确度高，缺点是对测量环境的要求较高。

2 极坐标测量法

将三坐标测量机的测量功能开发出来，然后借助PC-DMIS软件深入的探索实践，发掘出极坐标测量法。在测量区域采用极坐标测量法对速率与精准度都有明显的提升，降低了判断产品是否合格出错的概率，并且也 提供了准确的依据方便后期调修，其他测量法对异形工件轮廓测量的不足因极坐标测量法得到了弥补。

极坐标测量法的原理是打点测量，以各点的极半径判断各点的标准是否在合理的范围内。圆心所在的位置是可以调整的，因为两个方向会有一定的范围可以变换，使用极坐标测量可以降低出现误判的概率。另外，需要较精准的三坐标测量仪，测头也要校验性较好的。以设计基准点为圆点建立正确的零件坐标系，方便测量物体素形位误差及几何尺寸。在对批量工件进行测量时，建立零件坐标系效率会高效。

3 极坐标测量法应用实例

3.1分析图纸

以设计的要求为标准，绘制出比例为一比一的二维图形，将所有被测的圆心标注出来，并且圆心的坐标值都为直角坐标。下图一为工件所导入的图形：

3.2测量程序

3.2.1装夹工件

在测量的平台上将工件进行固定，以最大程度与机器坐标轴矢量方向相同的找正原则去确定平面。

3.2.2建立零件坐标系

让测量机进入运行的状态。将粗建坐标系的三要素选取出来，找准所摆放工件的方位。建立粗建坐标系的目的是为了在后期可以批量的对相同工件进行测量。之后还要建立精建坐标，其原点要和设计基准点在同一水平上，若无测量要素，原点想要到达基准点可以通过旋转、平移两种方式移动。

3.2.3采点方法

将坐标原点按照顺序移动到每段圆弧圆心的位置，均匀的对圆弧分别进行采点，在合适的位置处加移动点。此时将侧头补偿打开，将极矢量补偿进行激活。实际为Z、X、Y平面中分别将XOY、XOZ、YOZ补偿打开。

3.3评价测量结果

通过PC-DMIS测量软件，将极半径评价的测量结果挑选出来，将极坐标选取出来，并将原点移至各圆心的理论位置处。在每个坐标系下，对所有测量点的极半径逐一评价。使数值和标称值以直观的方式作比较，工件是否合格就可判断出，清晰的看到数据偏差。极坐标测量的数据是否准确，可以使用其他的方法对标准量规的半径等再次测量，多次的实践检验得出的数据吻合就代表极坐标测量的数据可靠。

4 结语

三坐标测量机具测量法具有可在线测量、操作便捷、效率高的优势，作用是无法代替的。在生产过程中，怎样开发利用三坐标测量机的功能和准确对其操作，对功能的发挥十分关键。引进极坐标检测法使测量效率提高，对无法修正的缺陷进行了弥补，并且还使废品率降低，更加直接方便的对数据进行处理。现阶段，此方法的使用相当广泛，并反映出了良好的效果。在测量技术的不断进步下，在精密测量中应用的仿真测量法逐渐增多，仿真测量法为绘图软件与三坐标测量机两者的结合，对工件的合格情况能做出准确的判断，并且还有利于成本与材料的节约。

参考文献：

[1]赖涛.复杂曲面轮廓测量仪垂直度误差分析研究[D].湖南：国防科学技术大学，2016.

[2]程湘敏，巫钢，吴丽.用极坐标法测量柔性圆环直径[J].计量技术，2015，（3）：42-43.

（重庆耐徳工业股份有限公司，重庆 401121）