便携式三坐标测量仪坐标对齐方法研究

孟翔鹏

摘 要：飞机制造装配过程中为满足精密严格的制造要求，需要对各部位零件、部件进行几何形状、公差、材料变形、强度等一系列检测，以达到生产要求。同时在制造阶段我们需要通过这些数字化检测数据，进一步与设计三维数据进行全面分析比对，寻找适应生产要求的最佳设计解决方案。文章通过介绍便携式三坐标测量仪的相关应用原理，使用过程等，提出全新的逆向扫描数据与实际零部件的坐标对齐方式，进而完成扫描数据与设计三维数模的比对分析，为设计制造过程提供必要的检测依据。

关键词：逆向扫描；HandyPROBE；光笔；靶点；Metrolog；C-track

中图分类号：TH72 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）27-0064-02

引言

目前国内飞机装配定位仍然以型架为主，通过定位装置对飞机站位基准进行定位，但在装配过程中仍然存在较多定位不准、不协调的问题。因此，通过逆向技术手段解决此类问题是目前较为主流的解决方案之一，通过逆向扫描和检测设备，能够对部件进行数字化实际状态重构，通过与理论数据进行比对，找到问题产生原因，解决部件装配质量问题，从而不断提升产品质量。

目前，以激光跟踪仪、激光雷达、IGPS（IndoorGlobal Positioning System）、摄影测量、便携式坐标测量（Portable Coordinate Measurement Ma-chine，PCMM）等为代表的零部件光电检测方法发展十分迅猛，在飞机整体生产装配过程中扮演着越来越重要的角色，但以上设备和方法在较为复杂的装配环境下都存在一定的局限性，无法对形状复杂、几何特征多的部件进行检测，缺少有效地实物与理论的检测对比。根据实际情况分析和筛选，三坐标测量仪配合逆向扫描设备及相关处理软件能够较为全面的完成包括逆向数据采集、逆向检测、逆向数据结果分析等功能，能够满足当前条件下的检测要求。其中被测物与设备测量空间坐标转换是其中最为关键的一环，只有两者坐标重合，相关检测结果才能被使用。

本文将着重介绍三坐标测量仪在检测过程中的几种空间坐标对齐方法，以满足不同条件下的零部件检测需求。

1 相关设备软件介绍

便携式三坐标测量仪，是一种用来实现形状位置公差检测的手持式逆向检测设备。由HandyPROBE手持式三坐标测量仪，C-TRACK数据采集器，数据接口盒，处理软件Metrology等部件组成，最后采用CATIA软件进行检测结果分析。

2 坐标对齐方法

通过扫描设备获取被扫描件数据后，需要将被扫描件和设备空间坐标进行对齐重合，根据被扫描件的特征和实际情况，可分为三点对齐法、两点一面对齐法和扫描定位点对齐法。

2.1 三点对齐

利用被扫描件本身的三个不处于同一直线上的点进行定位，实现两个空间的坐标对接。但通常情况下，三点特征需要通过其他几何特征间接获得，如圆锥、圆柱、棱线交点等特征的中心，通过构造命令，实现三点对齐中点的提取要求。

对于无法通过提取几何特征得到坐标对齐三点的被扫描件，可以人工添加几何特征实现点位的提取。本文采取的办法是利用三个圆柱形靶点代替原始几何特征，实现坐标空间对齐。具体过程如下：

（1）将三个圆柱形靶点按近似非等腰直角三角形的形状放置于被测物之上，将靶点与被测物一同进行逆向扫描。

（2）使用CATIA软件中的QSR和DSE逆向模块对圆柱形靶点进行逆向建模。

（3）使用逆向检测软件Metrolog导入靶點模型，使用“创建圆——测量”命令，依次选择圆柱形靶点顶面3点和测量3点，自动生成圆柱端面圆分别命名为CIR1，CIR2，CIR3。

（4）在逆向检测软件中的坐标对齐方式选择“三点对齐”命令，依次选择CIR1，CIR2，CIR3，点击确认，完成两者空间坐标对齐。

2.2 一面两点对齐

如图1所示，该零件具备两处圆柱形定位基准，且对应基准面为平面，此类零件的检测方法可以采用两点一面坐标对齐方式完成。

图1 被测零件扫描结果

通过三坐标测量仪提取了包括圆柱基准、腹板面、定位标点等信息，坐标对齐具体过程为：

（1）使用三坐标测量仪提取相关基准信息，即两个定位点和一个腹板面。

（2）将新创建的基准信息重新定义空间坐标位置，双击基准信息，在命令框中为创建的基准信息添加CAD模型的对应基准坐标信息。

（3）在软件内选择两点一面坐标对齐命令，完成坐标对齐。

如图2中点位即为三坐标测量提取的测量点位，待CAD模型与测量点位空间坐标重合后，即可检测具体偏差数值。需要注意的是，三坐标测量仪的定位标点在选择时，应使用动态模式，这样无论如何移动被测零件，定位标点与被测零件空间相对位置都不会发生变化，测量结果较为准确。

2.3 定位标点对齐

在无法得到被测零件表面的定位标点或标点出现脱落时，可以采用前面提到的方法进行坐标对齐，但过程相对复杂。当可以通过逆向扫描设备获得定位标点时，可以使用定位标点坐标对齐法，快速完成坐标对齐。具体过程如下：

（1）在扫描实物完成后，将定位标点导出并保存。

（2）打开Metrolog，在右侧设备图标位置鼠标右击选择“打开定位标点”，选择已经获得的定位标点文件，确定后即可完成坐标对齐。

3 CATIA逆向模块分析

通过以上坐标对齐方法，能够实现被测实物与检测设备的空间重合，这是逆向检测方法极为重要的一环，但后续的检测数据与理论数据的全面分析才是为制造生产部门所需要的，据此可以实现产品加工工艺的提升、装配质量的改善。如图3所示，该零件中间部分负差较高，部分位置超过2mm，边角处正差较高，最大达到13mm。

4 结束语

本文从三坐标测量仪入手，根据生产加工实际需求，提出了针对不同类型零件和条件的空间坐标对齐方法，将逆向扫描、逆向检测、逆向对比分析的全流程打通，扩大了逆向检测的应用范围，并有效改善了检测精度，满足了生产装配需求，为改进生产流程，提升工艺质量提供了必要的依据。

参考文献：

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