三坐标测量机在反求工程中的研究

　　在机械领域中，反求工程是指在没有设计图纸的情况下，按照现有零件的模型，利用各种数字化技术以及 CAD 技术重新构造原型 CAD 模型的过程，其基本流程如图 1 所示。反求工程主要包含零件原型的数字化和 CAD 模型的建立两类关键技术。本文主要讨论零件的数字化，即通过特定的数字化测量工具来获得零件的几何数据的过程。基于本实验室的条件，选择 GLOBAL 575 型三坐标测量机来获得零件的三维数据，它有独特的基于图形的测量操作界面，可以完成从简单的箱体类工件到复杂的轮廓形工件的测量，而且它含有直接的 CAD 接口，可以转换成多种类型的数据格式，这便于和反求软件进行数据连接。

　　1 零件分析及测量路径的确定

　　选用的零件为某汽轮机的叶片，长约 210 mm，其在空间中成扭曲状，各个截面的形状也不一样。采用立式装夹，如图 2 所示，工件坐标系建立在零件左上角。每隔 10 mm 测量一个截面的数据，这样共采集 21 个截面的数据。另外在三维建模嵌入棱线和脊线对于提高建模精度有重要的作用，所以还必须沿 Z 轴方向打几条棱线和脊线。

　　2 数据采集过程

　　2.1 装夹零件

　　零件装夹的基本原则是便于获取零件数据。装夹时应使叶片的某一面与测量机轴线大致平行。要注意应尽量减少变更零件装夹位置的次数，因为变换一次装夹位置不但在数据处理中加大工作量，而且在数据拼接的过程中也会引起拼接误差。

　　2.2 标定测头、测杆

　　在进行测量之前要先标定测头、测杆，并且根据零件形状把需要的测头角度标定出来。测量时可根据曲面曲率的变化选择适当的测头角度。虽然多次改变测头角度可最大适应叶片曲面的曲率变化，也可避免测量机的测头与工件之间发生干涉，但是变换测头会引起数据的不连续性，也会引起测量误差。为了减少误差，在叶片的前缘和后缘各只改变一次角度。在改变测头角度时应打开测头坐标值的显示窗口，记下在变换角度之前其相关坐标的数值，在变换角度后再根据坐标数值采点，这样不但会得到连续的数据，而且也可以避免出现回打现象。由实际测量经验可知，更换测头角度应在曲线较平坦的位置进行，在前、后缘曲率变化较大的位置最好不更换测头角度，否则将影响测量数据的精度。

　　2.3 工件坐标系的建立

　　在装夹零件时夹具不可能严格与机床坐标系重合，而且测量时有时需要变换装夹零件的位置，所以为了保证测量的精度，便于把不同装夹位置的数据进行拼合，必须建立工件坐标系。

　　建立工件坐标系时要考虑到所用 CAD 软件的坐标系统的方向与三坐标测量机所建立的坐标系的方向之间的关系。以确保在实行数据转换后,在CAD 中显示的图形与所需要的图形方向一致。零件坐标系的建立一般用 3-2-1 法建立。此叶片建立工件坐标系过程如下：首先测叶片的上表面三点作为第一轴的方向如 Z 正，点击“找平”;再选择叶柄上平行于上表面的一条线，用线的方向作为坐标系的第二个轴向如 X 正，点击“旋转”;最后选择叶柄上左边一点，用点的 X 坐标分量作为坐标系的 X 方向的零点，然后点击“原点”即可。图 2 中测头的位置为叶片原点，垂直于叶片上表面的方向为 Z 轴的方向。