自由曲面测量技术的发展

作者：上海迅筑汽车工程技术有限公司 陈卫东
摘要：介绍自由曲面测量技术的发展
关键词：CAQ、测量、自由曲面

一、前言
        质量是企业的生命，要在激烈竞争的市场上站稳脚跟，并不断发展，完整的质量保证体系是保障企业生存的基础。要赢得市场，产品创新是必由之路，因此企业的质量保证体系也必须适应产品开发的需要，而不是建成以后就大功告成了。而检测手段是企业质保体系中不可忽缺的重要一环，因此对各种新的检测手段的需求与对产品开发、制造的技术手段的需要是同样重要的，从某种意义上来说，是更重要的，设计、加工出来的产品如何证明是合格的，必须要有检测手段来确认，因此各种检测手段正在日新月异地发展。

二、国内外现状
        随着产品开发的日益人性化，传统意义上的质量检测手段已不能满足产品开发的要求。譬如各种工具的形状充分考虑了人体工程方面的需要，因此对具有各种复杂外形的产品进行检测的需求日益增长，需求引发了巨大的市场，近年来各种检测手段获得了极大的发展。

图1—复杂外形的产品

• 各传统测量机公司都在努力开发自由曲面测量的软件，有些已在用户的实际工作使用，并发挥了不小的作用。但由于互不兼容，若用户有多种测量机，就会造成人员调配上的困难，其使用成本就较高。
  

  图2—手动、自动测量机

• 传统上的CAD软件供应商也开始开发测量软件，由于具有图形技术的优势，因此产品充分利用了CAD的成熟技术，而且通用性好，能兼容各种测量机，因此赢得了不少的市场。事实上，数控加工软件的发展就是从数控机床制造商开始到通用的CAD/CAM软件一体化，并配上各种后置处理接口。如法国Matra的Prelude/Inspection软件。
  

  图3—Prelude/Inspection

  随着PLM技术的迅速发展，数字化制造已完全集成到PLM解决方案中，其中的虚拟（离线）测量已经非常成熟，即在产品设计时就可以定义工装夹具，也可以定义测量方式和测量路径编程并进行仿真，并可以直接发送到自动测量机上执行。如MSTVISION公司的Prelude V5 Inspect就可以完全集成在达索公司的Catia环境中，实现设计、加工、测量一体化的解决方案。
  

  图4—Prelude V5 Inspect

• 另有一批专业设备供应上，包括部分传统的测量机供应商，他们应用最新的光学技术开发了多种利用光学或激光进行大范围、快速扫描的系统，由于是非接触式，尤其适合与软材料的测量，而且是完整地获取复杂曲面的形状，因此发展极快，不仅满足逆向工程的需求，而且在产品质量检测领域也有巨大的应用潜力。如法国Kreon公司三维激光扫描系统，德国Steinbichler公司的数字照相扫描系统和手持式扫描系统。
  

  图5—Kreon三维激光扫描系统
  图6—Steinbichler公司的数字照相扫描系统和手持式扫描系统

三、相关术语

• Free Form（自由曲面）：不能由传统几何特征描述、须由复杂数学函数来表述、甚至无法用数学函数来表述，只能依靠数字化点来描述的产品外形，如汽车外覆盖件、工具外形、卫生洁具，等等。
  
• Alignment（匹配）：通常是表示在CAD数模中产品零件坐标系与测量坐标系间建立对应关系，以便测量机能对零件进行测量。
  
• Point Cloud（点云）：指由抄数系统获得的工件表面的数字化点，由于数据量巨大，犹如是点构成的云。
  

四、测量方法
        应用测量机测量复杂曲面的一般方法有两种：
        1.测量软件接收CAD数据如IGES格式的档案，如有必要则转换成测量软件内部格式的数模档案。根据产品的特征在产品实物上建立坐标系，如三个互相垂直的平面、点线面、RPS点，以及检具上的特征，等等。将产品坐标系与CAD数模的坐标系对应，如Best Fit等方式。在数模上决定要测量的点，软件很容易获得该点的法向，测量软件将驱动测量机沿法向去测量。从而获得偏差值。
        2.或者直接在产品实物上测量，将实测值按法向投影到CAD数模上以获得偏差。此方法通常用在手动测量机上。当然有些软件能进行统计分析，有些能进行离线编程以节省测量机时间，有些能生成各种检测报告，如文档格式、图形格式等等。

图7—Prelude/Inspection测量报告

        应用扫描系统测量复杂曲面的一般方法：
        与传统测量软件不同，先将工件扫描下来，获得点云。在点云数据上工件特征来建立坐标系，如模具的模架、RPS点等，再与CAD数模的坐标系对应，对应方式与传统测量软件类似，如Best Fit等。然后在点云上确定要测量的特征或点，投影到CAD数模上获得偏差值，或在CAD数模上确定要测量的点或特征与点云比对来获得偏差报告。通常检测报告采用彩色云图的方式来表示，因为它能反映整个形面的误差分布。由于已将工件整个扫描下来，因此任何时候都可以进行测量，而不需要每次测量前再建立坐标对应关系，尤其在新产品开发阶段，测量要求经常在变化，有时需要反复测量或获得不同部位的误差情况，以供设计人员修改设计时参考。

图8—Steinbichler公司的点云测量软件

五、应用实例
        我们在制造某叶轮时，首先采用扫描的方式测量整个产品，获得完整的点云数据，进行逆向设计。

图9—扫描工件

        然后进行逆向造型设计、加工制造。

图10—设计

        完成产品后，再与CAD数模比对获得偏差分布，以检验产品是否符合使用要求。

图11—测量

        现产品已成功交付用户。同样方法我们用于锯子的设计、制造、检测。

图12—锯子

六、结束语
        产品质量不是检测出来的，也不仅是制造出来的，而是设计出来的，因此测量技术及软件从封闭走向开放，CAD/CAM/CAQ软件的一体化集成是今后发展的趋势，从设计、制造到测量，质量意识必须体现在企业的全体员工甚至包括企业的上游供应商的所有经营活动中。

参考文献
        质量检测与控制        来新民