基于工件三维模型的三坐标测量技术探讨

摘  要：本文重点对基于攻坚三维模型的三坐标测量技术展开探讨。在测量技术的应用中，应结合工件的设计数据，使数据和三维模型对齐，在此基础上构建工件的三坐标系，由此开展三坐标测量，借助测量软件系统，能够清晰呈现工件的元素构造，并可实现投影功能，多角度地测量出更多尺寸数据，为工件的制造提供更加全面、客观的数据信息。

关键词：工件;制造;三维模型;三坐标测量

应用三维模型技术能够为制造加工提供更加准确的数据，在三维模型的基础上，加入三坐标系，以及相关测量软件，能够进一步提升数据采集和处理的工作效率^[1]。并能够满足复杂结构工件的多项尺寸测量需求，因其技术的优越性，目前已被越来越多的制造企业所引入。基于工件三维模型的三坐标测量，就是将工件的3D立体模型导入进测量系统中，使坐标系和工件结构点对其，找正机器和工件的位置和坐标，由此来获取工件的坐标位置进行测量，得到工件关键部位的测量数据。

1.基于三维模型的三坐标测量的技术优势

利用工件三维模型建立三坐标系并进行测量，这种方式能够在实际工件上获取数据，并且能够在脱机的状态下编程，只要将三维模型导入进测量软件系统中，无论是否加工，都可以编程，提高了效率^[2]。此外，传统的测量方式，需要手动输入理论值，再与实测结果进行比对。而基于三维模型的三坐标测量，当导入三维模型后，就能直接获取理论值，无需人工逐个输进到系统中，减少了人力劳动，也避免了人工操作可能出错的问题，取得更加准确的测量结果。

2.三坐标测量技术

2.1工件三维模型的导入

將工件的三维模型导入进测量软件里。需要注意导入的格式是否匹配。如果是PROE系统所生成的三维模型就不能输入进测量系统中，而是要先转换一下，将三维模型先转换为能够共容的格式，再导入到系统里^[3]。导入后选几何元素，建议选择实体模型，这种几何结构和线框模型相比，更加直观。读入CAD模型，将三维模型渲染处理，把CAD的线框模型转换成实体模型结构。

2.2坐标系找正对齐

工件的坐标系和加工机床坐标系应当找正对齐，这样才能有效进行测量以及编程操作。让工件的位置、CAD三维模型和机床坐标系整合起来，这是建立三坐标测量的一项重点。

2.3选择测量基准

在测量之前，首先要了解所采用的加工方案，明确设计和加工的基准，使所设计的测量基准能够和设计加工的基准保持一致，防止各基准不统一所带来的误差。因此在设计之前，务必要对所测量的工件其加工特征及相关要素有比较全面的掌握。

2.2装夹方式的确定

在进行三坐标测量时，三维模型应当和工件加工的所在位置是相同的。工件是被装夹在机床上，因此装夹的位置、方式也会影响其实际位置。测量时的装夹方式，要和实际加工时的装夹方式相同，工件放置位置也要和机床坐标系相平行。这样才能得到准确的数据。在测量时，尽量在一次工件装夹中完成所有重点数据的测量，避免多次装夹，防止装夹误差所带来的影响。

2.4建立工件三坐标系

三维模型按照实体模型的形式建立绝对坐标系，并导入进测量系统中。为使三维模型和工件实际位置是重合的，需要让机床坐标和工件坐标相一致，保证对齐。结构复杂的工件主要采用3-2-1法来建立坐标系^[4]，通过面、线、点的主要特征来综合确定坐标轴、原点，利用这一坐标系帮助找正。根据加工图纸的设计和加工基准，在三维模型中提取测量基准。之后通过不在一个直线中的三个点来确定一个平面，以这个平面的法线矢量来确定坐标轴方向，实现找平，也就是321法中的“3”，适用于平面以及结构复杂的圆柱圆锥等结构工件。之后是321原则中的“2”，通过两个点能够确定一条线，将这个线围绕确定好的第一个轴向作旋转，形成第二个轴向。最后的“1”，就是确认坐标系各轴向的原点，通过面、线、点来分别定XYZ三个轴向上的原点。

2.5特征提取及测量

将三维模型完成导入和对齐之后，获取尺寸数据就比较简单了。比如圆形结构的特征数据，测量软件只需从三维模型中通过识别特征的功能，就能获取各元素的树脂。之后定义个特征的测量策略，包括测量探针的高度、采集点的的数量等。根据不同的特征元素进行自动的数据测量，以下以几个比较复杂的结构为例，解析具体的测量。

①圆柱面测量

将模型导入到软件中，在软件的测量数据区域点击所提取的圆柱面，右键菜单选择生成测量点，可以调节测量点的参数，比如对圆柱体表面生成4行共32个测量进行测量，为保证测量的顺利进行，尽量避开有凸起或孔洞的部分，截取表面平整光滑的部分。在模型上选择完，并创建好测量点后，系统就能自动生成测量结果、三坐标系的数值。

②小圆柱孔测量

工件上可能会有小孔，这一部分是测量的一个难点，通常小孔是小型的圆柱形结构，测头应当和小孔的角度角度保持一致，这样才能保证测头测量时的顺利运动。出设计测量点之外，还应设计进出口的位置、回退、靠近距离等相关参数，设置完成后进行自动测量。

③圆锥切面测量

这也是一种比较复杂的结构，需要设置合理的参数，包括测点的位置、测量的长度以及角度等参数，使测头能够进入到圆锥切面中，测量完成后，软件就能够获取圆锥切面的结构。

2.6测量数据输出

将三坐标系建立好，并设置测量的相关参数，将工件防止在设备上就能实现自动测量。根据设计的参数自动探找特征于事物上进行测量。还能够分析测量数据和工件实际位置是否存在偏差。测量完后，软件可以将其自动打印成报告。

3.结束语

综上，利用基于工件三维模型的三坐标测量，能提高测量的质量，建立更加准确的坐标系。目前生产制造领域已经朝着自动化、智能化发展，需要更加高效智能的测量技术，这种测量技术的出现，势必会助力我国生产制造行业的智能化发展，值得推广。

参考文献

[1] 晏政，王刚，袁园，庄世宁，李中伟，李文龙. 深窄异形复杂型腔三坐标测量规划与应用验证[J]. 航空制造技术，2020，16（08）：1-10.

[2] 马海钊，陈雪梅，李光俊，刘京亮，贺子芮，葛天哲. 导管构件的三坐标测量机自动化检测技术的研究与应用[J]. 锻压技术，2021，46（04）：172-179.

[3] 王碧青，王海亮，廖柏峥，王帼媛，郝雪龙. 垂直度对三坐标测量机探测误差的影响[J]. 航空精密制造技术，2021，57（02）：44-45+62.

[4] 吕岩，焦丕显，李林，肖光临. 三坐标测量机在数控机床配件检测中的应用探索[J]. 中国设备工程，2021，（07）：163-165.

作者简介：

陈晓，女，汉族，山东省淄博市，1995.01.08，大学本科，工作单位：中航西安飞机工业集团股份有限公司，职称，助理工程师，主要从事三坐标测量工作，邮编：710089