基于三维数模的零件三坐标检测方法

徐婷，王汉斌

（陕西法士特汽车传动工程研究院工艺研究所，陕西 西安 710019）

引言

1 基于三维数模的零件三坐标检测

基于三维数模的三坐标检测方法是把零部件的3D模型导入到测量软件中，通过坐标系对齐，找正机器坐标系和工件坐标系，然后对比捕获得到的零件理论坐标值与检测得到的工件实际坐标值，最后输出测量结果。基于三维数模的三坐标检测流程如图1所示。

图1 基于三维数模的三坐标检测流程

1.1 三维数模的导入

利用三维数模进行检测首先要保证数模正确导入到测量软件中[2]。PROE软件生成的模型不能直接输入到测量软件中，需将模型通过模型数据交换标准STEP转换后导入。在选择几何元素时，实体模型比线框模型更方便，读入 CAD模型后，对模型进行渲染，将 CAD线框模型转换到实体状态。

1.2 找正

数模、工件、机床必须建立起一定的关系，才能进行编程和测量。找正的目的就是使工件实际位置、CAD数模、机床坐标系统一起来，将机器坐标系与工件坐标系正确的对齐，这是实现自动测量的基础。

（1）正确选择测量基准

测量之前需认真消化图纸及加工工艺，明了设计基准及加工基准，尽可能使测量基准与设计基准、加工基准一致，减少基准不统一带来的测量误差。同时要全面了解要测量的所有要素及其特征。

（2）合理规划工件的装夹方式

实际测量中，需要使数模和工件实际摆放位置重合，为避免实际操作中机床与工件干涉，必须合理规划工件在三坐标工作台上的安放方式、位置。根据零件的形状、结构特点、尺寸大小及测量要求，合理选择装夹方法，将零件装夹在测量机的有效行程内。工件摆放位置尽量保持与机器坐标系平行，便于多方位的数据采集，尽可能在一次装夹中完成所有被测要素的测量，以减少多次装夹误差对测量结果的影响。

（3）建立工件坐标系

数模是按照造型的绝对坐标系导入到测量软件中的，为了使数模和工件实际摆放位置重合，需将机器坐标系与工件坐标系保持一致。对于箱体类零件，通常采用3-2-1法[3,4]建立工件坐标系，利用面、线、点特征来确定坐标轴位置和坐标原点，通过这个工件坐标系来实现工件找正。

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图2 箱盖工件坐标系

箱盖利用3-2-1法找正，根据图纸设计基准及加工基准，在数模上直接提取测量基准元素，然后根据需要构造连接两圆中心的直线，取C面为主基准，面C的法向矢量作为Y轴；孔E与孔A连线在C面上的投影为X 轴，孔E圆心为X、Z轴原点、Y轴原点在C面上。如图2所示。

1.3 设置安全平面

在CNC运行中，必须预先设置好安全平面。导入CAD三维数模后，可以直接选择“clearance planes form CAD mode”，设置偏置量，完成安全平面的设置。偏置量表示安全平面到工具轮廓的距离。图3表示箱盖设置的安全平面。

图3 箱盖的安全平面设置

1.4 特征提取及检测

当三维数模导入测量软件并与工件对齐后，工件理论值的获取就比较简单。对于圆等特征，软件只需要从 CAD三维数模上选取识别特征，便可直接对元素理论数值进行提取。然后定义特征元素的测量策略，如调整探针的测量高度，采点数目等。针对不同的测量元素可以创建相应的公差评定，如直径公差、平面度公差、圆度公差、位置度公差等。机器可以根据导入的三维模型进行自动的程序编制，指导设备运动到特征的理论值位置进行数据测量。

1.5 报表输出

在坐标系、安全平面和特征都定义好之后，将工件安放在机器工作台上即可进行测量。测量机依据程序引导自动寻找特征并在工件实物上测量，比较零件数模的理论值与实际测量值之间的差异，然后将结果导入到制定的输出报告中，获得带有测量结果的可打印输出的报告。图4为箱盖部分测量结果。

图4 箱盖部分部分测量结果

2 基于三维数模的检测方法优点

利用三维数模对工件进行检测成为三坐标测量技术发展的趋势，与以往的零件三坐标测量方法相比，其优势主要体现在以下两个方面。

1）脱机编程

传统自学习编程方式需要测量人员在实际工件上取点，必须等产品加工完成后才能编写测量程序，效率低。基于三维数模的检测方法可在脱机状态下对三维数模进行编程，无论生产是否进行，只要将三维数模输入到测量软件中，便可进行编程，工件加工完成后可直接实施测量，提高生产效率。

2）自动提取模型理论值

传统方式必须手动输入几何元素的理论值，再和实测值进行比较。基于三维模型的检测方法，导入3D模型后可以直接得到设计要求的理论值，不需手工逐个输入，降低检测人员的劳动强度，减少出错率。

5 结束语

本文介绍了三坐标测量的原理，阐述了基于三维数模的零件三坐标检测过程，以减速机箱盖为检测对象，对基于三维数模的零件检测中数模导入、找正、安全平面设置、特征提取及检测、报表输出等环节进行了剖析。三坐标测量机在生产应用中将朝着智能化的方向发展，基于三维数模的三坐标检测将给三坐标测量机带来更大的使用空间，对其推广应用意义重大。

参考文献

[1] 李贤义,付建中,陈俊龙等.三坐标测量机对零件形位误差的测量[J].广西轻工业,2015(5):28-32.

[2] 褚晓雯,宫爱红,周学良.基于三维数模的检测技术应用研究[J].湖北汽车工业学院学报,2009（23）:38-40.

[3] 李庆.三坐标测量及迭代法建立坐标系的方法及应用[J].西安文理学院学报,2015(18):56-59.

[4] 王永辉,方剑涛.基于 CATIA 数模的三坐标测量及在线监测探讨与实践[J].机械设计与制造,2005（7）:54-56.