关键字:CMM,三坐标测量机,三座标测头,扫描技术

    一.引言
    随着汽车、船舶、航空、航天和模具工业的飞速发展,对产品外观、性能等方面的要求越来越高,使得自由曲面零件在现代工业中得到了越来越广泛的应用. 并且在产品和模具开发过程中,设计常常不是从已知的图纸或理论数据开始,而是直接以实物样件作为设计依据或参考模型.因此必须借助于坐标测量设备,从实物 模型获取数据,采用测量造型技术来得到CAD数学模型以便于进行修改,并同时生成数控代码通过CNC生产出产品或开发制造出模具.
    由于计算机技术在制造领域的广泛应用,特别是数字化测量技术的迅猛发展,基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象.本文介绍了测量造型中应用的三维扫描技术,对其精度、速度、适用范围进行了分析与比较,以目前市场上流行的超薄CRT电视机中的16：9扁平玻锥和ZEISS VAST扫描测头为例,重点介绍了基于三坐标测量机(CMM)的接触式扫描技术在测量造型中的应用.

    三维检测技术是近十年来蓬勃发展起来的新兴研究领域,常见的三维物体形状检测方法可以分为接触式和非接触式两大类.
    非接触测头数字化速度高,比如激光带扫描可达到 19000 点,3D成像每场可达1300,000 点(一场约需要 10 秒种),然而,非接触测头的精度比较低,低于25 微米,且物体表面条件:如质地,颜色粗糙度反光程度等,都会影响非接触测头的数字化效果.此外,现有光学三维测量主流技术及其设备主要针对的是反射物体的三维测量,难以有效地测量非反射物体.而在实际应用中,大量被测物体的表面性质为非反射,特别是在工业领域,非反射物体更是占有较大的比重,如抛光模具等精加工零部件、印刷电路板的焊点等.对于希望作高精度拷贝的应用或生产中的精加工工件来说,使用接触式扫描测头仍然有不可取代的优势.

    接触式测量中目前使用最为广泛的和最为可靠的方法是坐标测量机(CMM).传统的测量机多采用触发式接触测头,每一次获取自由曲面上一点的X、Y、Z坐标值.这种测量速度慢,而且很难测得较全面的曲面信息.

    九十年代初,一些坐标测量机生产厂家,先后研制出三维力位移传感的扫描测量头,这些测量头可以在工件上滑动测量,连续获取表面的坐标信息,其扫描速度可高达8m/min,数字化速度可高达500点/秒,数字化精度可以达到 1 微米,缺点是数字化速度低.但德国ZEISS的三坐标机通过其主动式高速扫描VAST模拟测头和强大的CALYPSO、HOLOS、DIMETSION等测量软件从特征元素自动识别、数学找正、未知曲线曲面扫描等等方面极大程度地弥补了测量效率问题,与非接触式三维检测方法,需要较多的前期准备工作如喷显影剂、贴参考点或参考球、调整背景亮度或后期较大工作量的数据处理等相比,在总耗时上缩短了差距,成为高精度工件反求测量的良好选择.

    对实物模型进行测量造型过程中的三维数据采集方法多种多样,非接触式或接触式扫描测量都有各自的应用范围,在高精度和非反射物体等的测量中,基于三坐标测量机(CMM)的接触式扫描测头仍然具有明显的优势,并将继续在产品和模具开发中发挥重要作用.