工件試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)測(cè)量與對(duì)比研究

□ 郭建芬 □ 徐井利 □ 秦貞明 □ 李樹虎 □ 賈華敏 □ 王榮惠 □ 張海云 □ 張建芹

山東非金屬材料研究所 濟(jì)南 250031

1 研究背景

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造模式已經(jīng)不能滿足產(chǎn)品研制的需求。先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、逆向設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)綜合應(yīng)用,可以解決一些傳統(tǒng)測(cè)量方法無(wú)法處理的難題,為產(chǎn)品研制提供數(shù)據(jù)參考。

某工件試驗(yàn)后,內(nèi)型面受到不同程度的損傷,需要對(duì)試驗(yàn)前后的型面數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,進(jìn)而更好地進(jìn)行后期設(shè)計(jì)改進(jìn)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量與對(duì)比技術(shù)局限于一個(gè)工件或一次測(cè)量中的數(shù)據(jù)對(duì)比與計(jì)算，對(duì)兩次測(cè)量中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,還需要借助逆向設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)等。將試驗(yàn)前后兩次測(cè)量的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析對(duì)比。

2 可行性分析

工件試驗(yàn)前后兩次測(cè)量的數(shù)據(jù)對(duì)比能否實(shí)現(xiàn),取決于工件試驗(yàn)前后是否有統(tǒng)一的參考基準(zhǔn),即找到試驗(yàn)前后兩次測(cè)量中保持不變的元素,并能用于實(shí)現(xiàn)兩次工件測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)齊。

對(duì)工件進(jìn)行分析,試驗(yàn)前后只是內(nèi)型面數(shù)據(jù)發(fā)生了改變,外型面數(shù)據(jù)與上下表面數(shù)據(jù)保持不變,可以用作參考基準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)兩次測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)齊[1-3]。

將試驗(yàn)前內(nèi)型面測(cè)量數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)成曲面,分析試驗(yàn)后內(nèi)型面掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)云到曲面的距離,即可對(duì)比兩次測(cè)量的數(shù)據(jù)。

3 測(cè)量與對(duì)比方法

根據(jù)工件型面的特點(diǎn),選擇最合適的測(cè)量與逆向成形設(shè)計(jì)方法,以提高測(cè)量與逆向設(shè)計(jì)的精度及效率。

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)接觸式測(cè)頭的測(cè)量精度高，利用測(cè)量得到的引導(dǎo)曲線,在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中成形出基本曲面,得到的曲面精度高,適合試驗(yàn)前的規(guī)則型面測(cè)量與逆向成形。三維激光掃描測(cè)頭測(cè)量精度稍低,為0.05 mm,測(cè)取效率高,適合大量無(wú)規(guī)則點(diǎn)云數(shù)據(jù)測(cè)量，因此試驗(yàn)后的工件內(nèi)型面數(shù)據(jù)可以采用三維激光掃描測(cè)頭獲取[4-5]。

將試驗(yàn)前后工件型面兩次測(cè)量的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件,進(jìn)行所需的逆向設(shè)計(jì),并將兩次測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)齊,得到試驗(yàn)后測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)云到原始內(nèi)型曲面的距離,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析對(duì)比。

工件數(shù)據(jù)測(cè)量流程如圖1所示。

▲圖1 工件數(shù)據(jù)測(cè)量流程

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 試驗(yàn)前數(shù)據(jù)測(cè)量

試驗(yàn)前工件原始內(nèi)型面屬于規(guī)則的旋轉(zhuǎn)曲面,采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)接觸式測(cè)頭在Rational-DMIS測(cè)量軟件中測(cè)量構(gòu)成曲面的成形曲線,便于后續(xù)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中用相應(yīng)的成形設(shè)計(jì)方法成形基本曲面。

軟件將工件坐標(biāo)系建立在圓筒上表面中心處,以端面圓心為原點(diǎn),以上表面法矢方向?yàn)閆軸,即可實(shí)現(xiàn)兩次測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)齊。

用接觸式測(cè)頭測(cè)取圓筒上表面平面,該平面作為后續(xù)測(cè)量圓的投影平面。在測(cè)量軟件中建立工件坐標(biāo)系,Z軸方向?yàn)樯媳砻嫫矫娣ㄊ阜较?原點(diǎn)為上端面圓圓心在上表面平面的投影。

內(nèi)型面為規(guī)則的旋轉(zhuǎn)曲面,只要測(cè)量出錐體母線與旋轉(zhuǎn)軸位置,利用旋轉(zhuǎn)成形，即可成形內(nèi)型曲面。在圓筒內(nèi)型面不同高度位置處測(cè)取若干圓,投影基準(zhǔn)為上表面平面。

在工件坐標(biāo)系下,母線的位置可選擇X軸為0或Y軸為0的位置,鎖定測(cè)量機(jī)Y軸或X軸,從圓筒內(nèi)側(cè)底部到頂部測(cè)量一條母線,用于成形內(nèi)型曲面。各截面圓心擬合出的直線可以作為旋轉(zhuǎn)軸線。將測(cè)得的所有數(shù)據(jù)導(dǎo)入.iges格式文件,命名為Q01。

4.2 試驗(yàn)后數(shù)據(jù)測(cè)量

試驗(yàn)后工件型面所需測(cè)量的數(shù)據(jù)有內(nèi)型面數(shù)據(jù)點(diǎn)云、上表面平面、上表面外圓。上表面平面與上表面外圓數(shù)據(jù)用于建立工件坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)工件對(duì)齊。

將接觸式測(cè)頭更換為激光掃描測(cè)頭,進(jìn)入Header掃描測(cè)量軟件,初步定義若干個(gè)不同角度的測(cè)頭位置,并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)球標(biāo)定。試驗(yàn)后工件表面噴涂顯影劑,通過(guò)不同角度位置的測(cè)頭掃描,獲取若干點(diǎn)云曲面片,形成完整的數(shù)據(jù)點(diǎn)云拼接。如果點(diǎn)云數(shù)據(jù)不完整,那么需要補(bǔ)充定義所需角度的測(cè)頭位置進(jìn)行補(bǔ)充掃描。最終掃描數(shù)據(jù)為完整的內(nèi)型面數(shù)據(jù)點(diǎn)云、上表面平面數(shù)據(jù)、上表面外圓數(shù)據(jù)。

4.3 數(shù)據(jù)處理與逆向設(shè)計(jì)

將試驗(yàn)前后兩次測(cè)量數(shù)據(jù)輸入CATIA軟件的同一文件中，此時(shí)兩次測(cè)量數(shù)據(jù)位置不重合,分別進(jìn)行所需的數(shù)據(jù)處理與逆向設(shè)計(jì),再進(jìn)行坐標(biāo)系對(duì)齊。

在創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)模塊中,針對(duì)試驗(yàn)前測(cè)量數(shù)據(jù),根據(jù)曲面成形特點(diǎn),由測(cè)量母線繞中心軸線旋轉(zhuǎn)成形基本曲面。基本曲面再與上表面平面等參考曲面經(jīng)過(guò)修剪、過(guò)渡等處理,成形出工件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),即原始內(nèi)型曲面。這一曲面數(shù)據(jù)可以作為原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

在逆向設(shè)計(jì)模塊中,針對(duì)試驗(yàn)后測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過(guò)刪除噪聲與孤點(diǎn)等處理,去除測(cè)量中的雜亂點(diǎn),使測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)完整有效。利用點(diǎn)云逆向設(shè)計(jì),建立上表面平面、上表面外圓,并據(jù)此建立與試驗(yàn)前工件測(cè)量一致的工件坐標(biāo)系。試驗(yàn)前后測(cè)量數(shù)據(jù)如圖2所示。

將兩次測(cè)量的內(nèi)型面數(shù)據(jù)基于工件坐標(biāo)系對(duì)齊,利用CATIA軟件逆向設(shè)計(jì)模塊中的點(diǎn)云分析功能,分析點(diǎn)云到原始內(nèi)型面的距離,繪制距離分布云圖,如圖3所示。

▲圖2 試驗(yàn)前后工件測(cè)量數(shù)據(jù)

▲圖3 距離分布云圖

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)工件試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)測(cè)量與對(duì)比進(jìn)行了研究，針對(duì)工件試驗(yàn)后某個(gè)型面數(shù)據(jù)受到破壞,而其它型面數(shù)據(jù)不受影響的情況,提出將數(shù)據(jù)不變型面元素作為參考元素，實(shí)現(xiàn)工件對(duì)齊。試驗(yàn)前工件采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)接觸式測(cè)頭測(cè)量,提高測(cè)量精度,保證成形曲面的精度與質(zhì)量。試驗(yàn)后工件型面存在損傷,型面數(shù)據(jù)采用激光掃描測(cè)頭獲取點(diǎn)云,去除雜亂點(diǎn)，可以保證數(shù)據(jù)有效。