三坐标测量机在自由曲面反求工程中的应用

反求技术是当前先进制造技术热点之一,广义的反求工程是一个复杂的系统工程,包括设计反求、材料反求、工艺反求、管理反求等诸多方面.文献曾将反求工程定义为“针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合,以先进产品设备的实物、软件(图样、程序、技术文件等)或影像(图片、照片等)作为研究对象,应用现代设计理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统深入的分析和研究,探索掌握其关键技术,进而开发出同类的更先进产品.”在模具技术日益发展的今天,反求工程能缩短模具的设计和制造周期,是帮助设计者实现并行工程等现代设计技术的强有力工具,因而得到了越来越广泛的应用.可应用在由已知样件反求模具型腔表面,已有模具的复制以及损坏模具的还原等方面.反求工程主要有两方面关键技术:一是实物样件表面数据采集技术;二是曲面重构技术.本文主要采用SDRC公司开发的大型软件Ideas 9·0中的Free-tonm实现了曲面重构.

1　被测样件的表面数据采集

反求工程中,数据采集是关键的第一步,只有获得测量数据,才能进行复杂曲面的反求,如建模、误差分析、制造等.根据数字化设备的数据采集方式可分为接触式和非接触式两类.以三坐标测量机(Coordinate Measuring Machine,简称CMM)为代表的接触式测量方式虽然效率不是很高,但精度较高,智能化程度也较高,对被测样件的材质、色泽,光照条件等没有特殊要求,因此有广泛的应用.

1·1　三坐标测量机

用三坐标测量机进行测量是将被测样件放置于三坐标可及的测量空间范围内,用测头采集信号.测头是一种传感器,当测头上的测针沿样件表面逐点运动时,通过反作用力使测针发生变形,通过传感器传到与之相连的计算机上,计算机逐点记录、显示空间三维点的坐标(x,y,z),再通过一系列的数学运算,求得所需结果.其中所得到的大量密集、散乱的测量数据称之为“点云”.本文所采用的是桥式精密型三坐标测量机(LK-G90CS15·10·8).该CMM的硬件特点:机械本体部分采用了0级花岗岩工作台及导轨,台面嵌有均布M10工件夹持孔,Y轴采用陶瓷横梁及导轨(空心带加强筋),Z轴采用工业陶瓷(工业陶瓷兼具花岗岩和铝合金的优点)主轴,各轴采用“平稳”驱动装置及气浮导轨,并具有垂向气动平衡装置,因此其刚度、精度、稳定性高,适应于反求工程的数据采集.采用了温度补偿软件,对工作环境温度要求的苛刻程度有所降低;采用了雷尼绍(Renishaw)公司的PH10M测头组件,装卸方便,便于更换,适合于测量速度较快、自动化程度较高的高效扫描测量,因而特别适于本文所进行的复杂曲面的测量.

采用的DIMS软件( DimensionalMea-suringIndustryStandard)是被广泛认同,并应用于计量系统之间和其他系统之间的通讯协议.同时,DIMS也是CMM检测驱动程序的源码,它具有以下优点:标准性,兼容性,直接性.Digigraph是一种图形化显示、分析和使用二维和三维数据扫描的软件,具有数字化窗口,手动和自动最佳适配扫描数据的合并、连接、修正、弦的修正、叶片特征参数分析等功能,可与LK数据库及CAD(ASCⅡ格式)进行双向通讯.3D Scanning是与LK2000数控器硬件配合的独特的固化软件,驱动/响应高速度,高精度扫描,即采用触发式测头传感器(TP200),能达到10点/s的扫描速率,提高了反求的效率. 3D Scanning适用于未知曲面(线)的扫描测量工作.