基于逆向工程的手柄數字化測量與數據獲取技術

江蘇省徐州機電工程高等職業學校 (221011) 陳子銀

仿制、仿造已經成為我國一部分企業的固定生產方式，針對市場熱門產品的仿造品屢見不鮮，逆向工程的廣泛應用在其中起到了不可忽視的作用。

目前，逆向工程的研究和應用在某些領域已經比較成熟，它是按照產品引進、消化、吸收與創新的思路，以實物→原理→功能→三維重構→再設計的框架進行工作，其中，最主要的任務是將原始物理模型轉化為工程設計概念模型或產品數字化模型。逆向工程技術路線如圖1 所示。

圖1 逆向工程技術路線

1.三坐標測量機測量模式

本文采用的測量軟件是立科3D 測量系統，即Measure 測量軟件。在逆向工程中，點云數據是建模的基礎。針對不同的工程需求，技術人員應采用最具經濟性的測量設備獲取實物產品表面的點云數據。點云數據的質量決定了產品CAD 模型重構的精度。因此，要根據工作的具體需要來選擇合適的測量設備和測量方法，也可采用不同測量方式相互補充。隨著測量技術的不斷進步，不同測量原理的測量設備也在不斷涌現，三坐標接觸測量作為一種精確測量方式廣泛應用于工業檢測領域，對數據精度要求高的產品建模常用三坐標測量機作為工具來獲取數據源。

物體表面三維測量是逆向建模技術的第一步。測量方法的好壞直接影響到對被測實體進行描述的精確、完整程度，進而影響到重構的CAD 實體模型。因此，物體表面三維測量是整個逆向建模的基礎。隨著計算機技術、傳感技術、控制技術和視覺圖像技術等相關技術的發展，出現了各種數據獲取方法，三維數據獲取方法按照測量原理可以分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類。其中，接觸式自動測量模式有點位探測模式、連續掃描模式和自定中心探測模式3 種;非接觸式自動測量模式有三角光學法、圖像聚焦法、立體視覺法、超聲測量法和CT 測量法等。

圖2 所示是三坐標測量機與CAD/CAM/FMS/CIMS 集成的示例。三坐標測量機一方面讀取CAD 的設計圖樣數據文件，自動構筑虛擬工件;另一方面接受由CAM 加工的實際工件，并根據虛擬工件自動制定實際工件的檢測規劃，自動生成測量路徑，實現無人自動測量，并將實際工件的檢測結果返回給主控機。一般生產是先有圖樣和加工文件，按它們制成工件后再檢測。在模具生產與測繪設計時常先有實物或模型，根據坐標測量結果來形成CAD 圖樣和CAM 加工信息，這就是逆向工程。

圖2 CMM 與CAD/CAM 的集成

(1)測頭標定:三坐標測量機的測量，是以測頭上測針的球狀端部(測球)與被測工件表面接觸的方式進行的，三維測長裝置在測球接觸表面的瞬間進行采樣。因此，測球的位置和半徑將直接影響三維坐標數據。在測量手柄的過程中，為滿足不同表面的測量要求，往往需要更換測針甚至測頭，同一個測頭上也可以有多個測針。此時，必須測定各測針的球徑和測針間的相互位置，這就是測頭校驗的基本任務。為了進行校驗，需在三坐標測量機的工作臺上固定以校驗基準件。校驗基礎件有基準球和基準立體兩種類型，相應地有兩種校驗方法和程序。圖3 所示為測頭標定。

圖3 測頭標定

(2)坐標變換:在三坐標測量中，存在3 種坐標系，如圖4 所示。①測頭坐標系(A，B，C)。不同測針在此坐標系中有不同的坐標位置，引起測量數據基準不統一。測頭校驗，相當于將不同位置的測針統一到一個位置固定的“虛擬”測針上。②三坐標測量機坐標系 (X，Y，Z)。③工件坐標系(X'，Y'，Z')。

圖4 3 種坐標系

從三坐標測量機測長系統采到的測量數據是相對于測量極坐標系的，但工件的尺寸要求是標注在工件坐標系中的，兩者需要統一。傳統的機械和光學坐標系的測量中，需調整測量坐標系或工件坐標系，使兩者互相平行或重合。在三坐標測量機中，則可以通過軟件，將測量機坐標數據轉換到工件坐標系中來，相當于建立一個“虛擬”的與工件坐標系重合的測量坐標系。這個虛擬的坐標系由軟件形成，可隨工件位置而變，故稱為柔性坐標系。坐標轉換包括兩項工作，一是建立坐標系，按工件的實際位置確定虛擬坐標系的位置，即測定工件坐標系與測量機坐標系的相對位置。如圖5 所示為建立坐標系;二是坐標轉換。每次測量后，用程序將采得的測量機坐標值轉換到工件坐標系中，再進行幾何參數計算。計算公式為

圖5 建立坐標系

(3)幾何參數計算:根據工件表面各測點的坐標值，計算各種幾何參數值。①兩點間距離的測量。A (x1，y1，z1)、B (x2，y2，z2)兩點的距離L 可由公式計算。②圓的直徑和圓心的測量。測量圓上任意3 點的坐標值(x1，y1)、(x2，y2)和(x3，y3)，則圓心C 的坐標(xc，yc)、半徑R 通過公式即可計算出來。在三坐標測量機上用類似的方法可以測量球面的曲率半徑，這時，需在球面上測取不在同一圓周上的4 個點的坐標值。③求直線方向。根據空間兩點P1(x1，y1，z1)、Q2(x2，y2，z2)，可以確定它在XY 平面上的投影與X 軸夾角θ，直線與同XY 面相垂直的軸的夾角β。類似地，直線與其他坐標平面的投影與坐標軸的夾角也可計算出來。

對于形位誤差評定，應用比較普遍的是最小二乘法。最小區域法是最合理的評定方法，但算法較復雜，有的形位誤差的數據處理，如圓柱度的評定，只能是近似計算。

計算機數控三坐標測量機能實現自動測量。測量時可用預先編好的程序或采用“學習程序”。學習程序是模擬人工測量的方式來編輯程序的。計算機記錄下第一個零件手工測量的全過程，包括測頭移動的軌跡、測量點坐標以及子程序的調用等，作為這一批零件的測量程序。在測量同批零件時，可反復調用此程序，并通過數控伺服機構控制測量機按程序自動測量。這種方法可縮短編程時間，提高測量效率。

2.手柄的數據獲取

手柄點云數據的三坐標測量機的測量過程，是一個包括預備操作、測量操作和補充操作的過程。要是三坐標測量機能全面快速地完成手柄幾何元素的測量，要求測量人員必須很好地掌握Measure 軟件中可測量元素的幾何特點和計量特征。三坐標測量機的測量操作步驟為:確定測量方案→開機→測頭管理→零件管理→輸出方式設置→測量元素→輸出測量報告→關機。

(1)確定測量方案:測量人員應仔細分析手柄的形狀和圖形，分析圖樣的各尺寸、形位公差以及零件的具體結構來確定以下項目。①確定各幾何元素所需輸出的參數項目。確定被測幾何元素尺寸能否通過直接測量、間接測量或計算幾何元素間的關系而獲得。②分析手柄零件的形狀和要素，選擇基準元素確定測量基準。由于手柄零件沒有零件圖樣，也沒有給出設計基準，因此需要建立零件坐標系。在選擇手柄測量基準時，由于手柄底部是一個平面，這樣就可以用3 點方式確定一個平面，底部中心點處法線方向確定一個坐標軸，利用右手笛卡爾坐標系原則確定另外一坐標軸，用這樣的方法來建立手柄的測量坐標系。③根據測量點的方位確定測頭數。考慮到手柄是由手把、連接件和功能件3 個部分組成，且其表面是形狀較復雜的自由曲面，因此對它的測量選用的是自動調整轉角的三向觸發式測頭，如圖6 所示。

圖6 手柄曲面構成

(2)開機:首先打開空氣壓縮機儲氣罐排水閥排水;然后依次開啟空壓機、冷干機和測量機氣源，檢查氣壓是否在0.4～0.5 MPa 范圍內，如果不在此范圍內則可通過氣源調節閥調節;再依次接通交流穩壓電源、UPS 電源、控制系統電源和計算機電源，啟動Measure 測量程序。

(3)測量預備操作:①測頭管理，包括測尖、校正和數據存儲等。②零件管理，包括零件坐標系的建立與存儲。③輸出方式設置。設置測量結果由屏幕輸出或打印機輸出，或文件輸出。

(4)測量操作:通過幾何元素的直接測量、構造、元素間關系的計算、位置誤差的檢測以及幾何形狀掃描等方法測出所需參數。

(5)補充操作:結束測量操作后，對測量輸出格式進行設置，以滿足后續工作的需求。該設置也可在測量操作前完成。

(6)關機:完成以上各步驟后，整個測量過程也就結束了。三坐標測量機的關機順序與開機順序相反。即首先“初始化”使測頭停止在安全位置，其次關閉Measure 測量程序，再依次關閉計算機、控制系統電源，最后關閉氣源系統。