三坐標測量機用三曲面最佳擬合建立坐標系的方法

原小敏

（中航飛機股份有限公司 西安飛機分公司，西安 710089）

0 引言

三坐標測量機常見的建立坐標系的方法分3 類：3 個互相垂直的平面；1 面2 孔；1 面1 線1 孔。建標所用要素為零件上的平面、直線或孔等要素。

自波音747-8 內襟翼項目始，出現了零件的3 個基準均為曲面的情況，需要用3 個曲面最佳擬合建立坐標系。曲面建立坐標系對我們來說完全是新思路，經過探索學習，我們掌握了曲面建標的原理和步驟。

本文僅以113U2133-9 壁板為例，說明此零件建標的過程。此零件為薄板件，上表面基準A 和兩側邊基準B、基準C 均為曲面，設計坐標系和加工坐標系如圖1 所示，測量時需要用A、B、C 三曲面最佳擬合建成此坐標系。

1 導入零件模型，調入零件設計坐標系

我公司使用的PCDMIS 脫機軟件為2010 版本，只能兼容CATIA V5R19 及更低版本的數模，CATIA V5R20版本的數模在PCDMIS2010 版測量軟件中無法導入，需將數模進行處理后存為STEP 文件才可適用。下面對這兩種版本數模的應用分別進行介紹。

圖1 設計坐標系和加工坐標系

1）CATIA V5R19 版本的數模。打開PC-DMIS 2010版測量軟件，新建測量程序（對波音項目的測量單位選英寸），導入數模，點菜單EDIT-GRAPHICS DISPLAY WINDOW-CAD COORDINATE SYSTEM，在彈出的框中選零件設計坐標系，再確定，從而零件模型導進來，坐標系也調入了。

2）對于CATIA V5R20 版本的數模。打開零件數模，插入飛機原始坐標系，在零件設計狀態下進行定位變換。點菜單“開始→機械設計→零件設計”，然后點菜單“插入→變換特征→定位變換”，在彈出的框中，參考框選零件坐標系，目標框選原始坐標系，點確定，零件實體就會轉換到飛機原始坐標系下，將飛機坐標系設為當前坐標系，將數模另存為STEP 文件。

然后打開PC-DMIS 2010 版測量軟件，新建測量程序，導入STEP 文件，再確定零件在測量平臺上擺放時零件坐標系與機床坐標系各軸的對應關系，按F5，在彈出框中點“PART/MACHINE”按鈕，選零件+X 對應機床+Z，零件+Y 對應機床+X，零件+Z 對應機床+Y，點確定。這樣導進了零件模型，也調入了坐標系。

2 迭代法建標

對于導入的CATIA 文件和STEP 文件，接下來的步驟完全一致。在A 基準面均勻測3 個點，B 基準邊沿+Z向測2 個點，C 基準邊測一個點，用迭代法粗建標，如圖2。

圖2

迭代法建標步驟：插入坐標系→點INTERATIVE 按鈕→選1、2、3 點為LEVEL-3，4、5 點為ROTATE-2，6 點為ORIGIN-1，每次選擇后按SELECT 按鈕確認，勾上“MEAS ALL ALWAYS”，設POINT TARGET RADIUS為0.1，點OK，第二個界面關掉后，在第一個界面點“CAD=PART”，點確定，迭代法建標結束。根據各點的坐標值和坐標系方向，在程序中的第3、4 點和第5、6 點之間分別加兩個虛點。脫機運行程序，若能正常運行，將程序另存為3.5 的版本，再將程序拷貝到測量機上聯機運行，確認迭代法粗建標能正常運行，否則，脫機重做。由于我們測量機的聯機軟件版本低，為3.5 版，脫機程序必須另存為3.5 以下的低版本才能聯機運行。拷貝程序時須把自動生成的CAD 文件和程序文件一起拷貝。

3 在各基準面布點，分別構造點集

若迭代法建標運行正常，再將程序倒回脫機狀態，依次在A、B、C 基準上均勻布點，根據基準的面積和曲率決定點數的多少和疏密，面積大時點數要多，曲率大時點要密，反之則相反。113U2133-9 的A 基準大約53 cm×63 cm，布了90 個點；B 基準約20 cm 長，5 mm 厚，沿+Z 向布了一排，18 個點；C 基準厚4 mm，沿+Y 向布了一排，32 個點。根據點的坐標值以及坐標系方向，在A 基準最后一點和B 基準第一點、在B 基準最后一點和C 基準第一點之間分別加上2 個虛點。將A 基準上所有的點構成集合SCANA，將B 基準上所有的點構成集合SCANB，將C 基準上所有的點構成集合SCANC，用這3 個點集最佳擬合建標。在最佳擬和坐標系界面，A、B、C 三基準的權重分別輸5、3、1，選3D，最小二乘法，允許平移和旋轉，點OK 即可。將程序另存為低版本，然后將程序文件和CAD 文件一同拷貝到測量機，如圖3。

4 聯機運行程序

聯機運行程序，手動測量6 個點后，程序開始自動運行，先迭代法粗建標，然后依次測量3 個基準所有點，評價3 個基準的點集，按F10，根據需要可勾選被評價元素的實測、理論，偏差，公差和超出公差。輸出各點集的X、Y、Z、T 值，這里我們只輸出偏差，偏差不大于零件測量要素的最嚴公差的1/4 到1/5 即可，不能保證精度時需重新脫機加密取點。建標精度若滿足要求，即可加入程序的題頭信息、測量子程序、存儲命令，一個曲面建標程序就建成了，在首件測量過程中加入虛點，程序就完善了，如圖4。

圖3

圖4

5 結語

用3 個曲面基準面最佳擬合建立坐標系，解決了波音747-8 內襟翼項目的十多項零件的測量問題，突破了以往傳統的建標思路，使我們的三坐標數控測量技術進一步提高，以后會有更多的應用。

［1］青島前哨朗普測量技術有限公司編譯組.PC-DMIS 參考手冊：第18 章［M］.青島：前哨朗普測量技術有限公司，2003：12－18.