坐标测量机CAI系统中测量路径设计

　　坐标测量机是应用广泛的测量设备,它可以测量零件的几何形状、尺寸和相关位置等。近年来许多测量机运用计算机硬件和软件增强了它们的功能,但测量程序通常仍旧使用独立的系统,测量不同形状的零件,必须事先分别确定好测量点及测量路径,然后编制相应控制程序,其过程与零件的设计和加工过程相脱离。所以,现在迫切需要一种有效的坐标测量机计算机辅助测量(CAI)子系统与CAD/CAM系统相集成,建立一个设计、加工和测量的集成系统。这样,对于CAD系统中已设计建立的零件模型,系统就可根据其表面特征自动生成各表面上的测量点,再由测量点确定测量路径,生成测量程序,控制坐标测量机完成测量任务。此系统大大改善了其自动化性能。

　　1　零件表面测量点的自动生成

　　一般三维机械零件是由基本的几何形状表面所构成的。平面、圆柱和圆锥面是最典型的三种表面。本文主要介绍这三种表面上测量点的生成原理。

　　1·1　平面

　　三个不共线的点决定一个平面,但作为一般规则,在一个平面上至少应有4个测量点,这是由于实际平面与理想平面存在差异,4个测量点可以更准确的反映实际平面的特征。对于一个长方形的理想平面,合理的测量点应该平均地分布在4个位置上,每个点离边界的距离是长或宽的几分之一(图1),其中取L1=L/10,W1=W/10。

　　但是,如果长方形是较细长的(长宽比L/W>4),则确定的4个测量点将形成一个很长的跨度,这对实际测量不利。因此,有必要适当地调整一些测量点。例如,将4个测量点形成的长方形的长再划分成8等份,对角线上的两个点可向内调整移动两格,参见图1中的点2和点4。如果选择的平面不是一个理想平面(如:非矩形或内部有孔),按上述方法确定的4个测量点会有点落在实际平面之外。此时,必须寻找一个位于此平面内的点来替代原测量点。如果这个点在平面的一个角上,它就沿对角线方向向内按“N”形移动(图2),这种方法称为“N形求解”。如果这个点靠近一条边,那它就沿边的法线方向向内移动(图3),这就称“法向求解”。图2求解顺次是D0、D1、D2、……Dn,直到Dn点落在平面内部。图3求解顺次是D0、D1、D2、……Dn,直到Dn点落在平面内部。

　　1·2　圆柱面和圆锥面

　　对于圆柱面或圆锥面,两个测量圆的高度分别为

　　h1=r+(H-2r)/5,h2=r+4(H-2r)/5

　　其中H为总度高,r为测头半径(图4)。按几何对称性原则,每个圆上生成4个测量点,相邻两点的圆心角为90°。这样,沿着轴向不等高的两个测量圆上就均匀分布个8测量点。

　　1·3　组合表面

　　三维零件的CAD表面模型可以从零件的平面图或二维投影图来定义。零件的表面模型建立后,系统程序就通过以上方法生成平面、圆柱面和圆锥面等所有表面上的测量点,参见图5。随着进一步研究和开发,可以针对CAD系统的几何数据库和CAM数据库建立专门的测量路径数据库。