基于三维模型的三坐标测量技术研究

张玥如　李珂誉

摘  要：随着计算机科技的发展，三维模型在机械制造领域应用越来越广泛，正在逐步取代传统二维图纸的作用。对三坐标导入模型、建立坐标系实现数模对齐、编写自动测量程序的过程等进行了介绍。研究了基于工件三维模型的三坐标测量技术，在测量软件中通过元素构造与投影等功能获取尺寸，高质高效地完成测量工作，实现数据源的统一，提高批量测量效率。

关键词：三维模型；三坐标测量；自动测量；工件

中图分类号：TP39；TG659  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）11-0152-05

Research on Three-Coordinate Measurement Technology Based on Three-Dimensional Model

ZHANG Yueru， LI Keyu

（Zhengzhou Aircraft Equipment Co.， Ltd.， Zhengzhou  450000， China）

Abstract： With the development of computer science and technology， three-dimensional models are more and more widely used in the field of mechanical manufacturing， and are gradually replacing the role of traditional two-dimensional drawings. The process of importing the three-coordinate model， establishing a coordinate system to achieve numerical-analog alignment， and writing an automatic measurement program are introduced. The three-coordinate measurement technology based on the three-dimensional model of the workpiece is studied. In the measurement software， the dimensions are obtained through functions such as element construction and projection， and the measurement work is completed with high quality and efficiency. The unification of data sources is realized， and the efficiency of batch measurement is improved.

Keywords： three-dimensional model; three-coordinate measurement; automatic measurement; workpiece

0  引  言

伴隨着机械工业技术的不断发展，当今世界的机械制造行业正在面临着第三次技术变革，随着科技进步，机械加工的自动化变革极其显著，这使得相应的计量检测技术随之向着更高精度、智能化的方向发展。关于检测技术和理论实践的结合已有大量研究论文。我国几何测量的自动化技术发展滞后于机械化生产，而传统的测量方法因为精度等因素而成为制约生产的“瓶颈”[1]。

其中机械制造类的产品已经使用三维模型进行设计，而质量检测时依然采用依据转换过的二维图纸尺寸进行测量的传统方法。这就导致了设计、制造、检测中的数据断层，转换图纸使得时间成本增加的同时，出现数据错误的风险大大提高。

三坐标测量机是高效、精密的测量仪器，具有微米级的示值精度，配计算机CNC系统，可实现多种高精度、高复杂的测量工作[1]。三坐标的工作原理是在仪器范围空间内，操纵测头和测量物体的接触，利用测头的坐标来获得物体的形状信息，经数学运算求出被测元素几何尺寸与存在误差。三坐标测量能够高质量、高效率地满足各种复杂零件的测量要求，已经成为目前世界上设计与制造技术中不可缺少的一项先进的检测技术。高质高效地实现复杂工件的各种测量需求，已经是先进设计和制造技术必不可少的检验手段。传统三坐标测量需要人员手动操作操纵杆来移动测头并采点，测量效率不高，对批量产品无法进行重复测量[2]。

1  研究内容

本文拟开展基于三维模型的三坐标测量技术研究，通过三维数模导入解决上述问题。三维数据模型的应用，为以后数控加工、测量提供了数据源，实现了设计、制造、检测等数据的一体化[3]，一定程度上简化掉二维图纸的使用，减少中间数据的传递过程，提升效率的同时可以有效避免传递中出现的错误。另外依据三维模型编写自动测量程序，实现相同产品的快速重复测量，在批量测量时能大大提高测量效率，缩短测量周期，在不影响测量准确度的前提下，降低时间成本。

2  任务分析

根据对市面情况的调研总结，发现机械加工类零部件的孔距、角度、平行度、同轴度等形位公差在检验过程中难以实现精密测量，对产品的质量控制有较大影响。故设计一个涵盖上述元素的实验工装（即后文中的“工件”），以该典型工装进行三坐标测量技术研究，以期高质高效完成工件的自动、批量测量工作，大大提高测量效率。

图1为实验工装的三维数据模型，图2为该实验工装的部分尺寸。根据该实验工装的设计及使用要求，精确控制大平面上4个小孔的位置关系、中心沉孔与通孔的同轴度及立方体四周面的平行与垂直等位置关系。

研究使用海克斯康三坐标测量机，对工件表面的数据进行采集，并利用PC-DMIS测量软件对平面、孔、圆柱等进行拟合，得到形状、位置、公差和其他几何参数。通过对工件的坐标系统的构建，可以获得不同的测量尺寸，并利用投影与变换来实现所需要的数据。所以，必须以设计基准为依据，确立测量时的坐标系，并尽可能地使坐标系与设计坐标系相统一[4，5]。

三坐标测量机的工作原理与传统测量机相比，有很大的不同之处[6]，主要体现在三坐标测量机对被测零部件的安装要求，即传统三坐标测量时要求在一次装夹固定条件下，建立所需的工件坐标系统，同时测量所有元素、构造所需的尺寸来评价，从而保证测量的准确度和效率[7]。但通过创建测量点、编写自动测量程序，可实现在不要求相同装夹固定条件下，即工件处于不同位置时，对相同或同批次工件进行多次测量。

3  测量流程

建立工件的三维模型（支持CATIA、IGS等），由测量软件读取三维模型数据，利用测量软件对三维模型进行数据读取，获取实验工装各元素的设计尺寸和公差要求。建立工件坐标系，编制自动测量程序控制三坐标机进行精确测量。利用测量软件，依据设计要求进行尺寸和公差评价。

测量流程如图3所示。

3.1  工件固定

根据工件设计和测量需求，可以以工件下平面为基准面，将工件底部平放至测量工装固定，由于该测试工件体积较大、自重较重，可不进行粘合固定，直接放置，如图4所示。其余自重较轻的零部件需要进行粘合等操作，保证其在测量期间不会进行位置的移动。

3.2  测头选择

对工件进行元素分析，由于该工件平面圆孔直径为5 mm，

中间通孔、侧边立方体高度40 mm，为保证测量的顺利进行，测头选择2by20型号，加长20 mm，T1A0B0方向朝下准备，如图5所示。

3.3  三维模型读取

在测量软件中导入三维模型，鉴于软件限制，可将CATIA模型另存为IGS格式（后缀“.igs”），如图6所示。

3.4  建立坐标系

进入测量系统，默认的测量空间坐标系为机器坐标系，如图7所示。测量开始前先要建立工件坐标系，在工件坐标系下，测量出的尺寸都以被测件的实际元素为基准。

建立工件坐标系的前提是将工件找平，通过手动测量大平面上四个点来找平，即“平面1”，并将其作为基准面，平移“Z轴”。其次，在模型上采点测“直线1、直线2、直线3、直线4”，以“直线1”“直线2”求中线，即“直线5”；以“直线3”“直线4”求中线，即“直线6”，求出两中线交点，即“点1”；平移“X正”至“直线5”，平移“原点”至“点1”。以上，工件坐标系建立完成，并进行模型对齐，使工件实际摆放位置与模型位置相同。

建立工件坐标系和实现数模对齐是三维模型测量的最基本也是最关键的一步，是测量的前提和成功的关键。数模对齐后，在实际工件上任意测量，在数模中均会显示其理论位置（如图8）。

3.5  自动测量

完成工件找平和粗建坐标定位后，切换自动模式，编写自动测量程序，如图9所示。

3.5.1  立方体测量

對于测量工件下方的立方体，包括长度尺寸和平行、垂直等形位公差。首先针对自动测量程序精建坐标系（A3），点击自动程序，选择上平面环形测量，测量点数4，行数1，注意避让平面上方形突台和4个下沉孔，得到平面2。程序完成后，坐标系由A2回调，以平面2为基准找平Z正并平移Z轴至平面2，至此完成精建坐标系A3。然后在A3基础上对立方体周围四个平面进行采集。编程时为提高效率可采用触点式，各触测4点形成平面3、4、5、6（如图10所示），为保证自动测量顺利进行，测点要均匀分布于各个平面上[8]，同时注意添加“移动点”防撞。

3.5.2  方形凸台测量

方形凸台的测量与立方体测量编程方法相同，但为了提高测量数据的准确度，在采集元素前需要针对其精建坐标系A4：在“X正”工作面以“平面3”“平面5”求中分，即“平面7”；在在“Z正”工作面以“平面4”“平面6”求中分，即“平面8”；求“平面2”和“平面7”的交线，即“直线7”；“平面2”和“平面8”的交线，即“直线8”；求出两交线交点，即“点2”；坐标系由A3回调，关于“Z正”旋转“X负”至“直线7”，平移“原点”至“点2”，精坐标系A4完成。

在坐标系A4基础上，选择模型采集点，编写自动测量程序。由于方形台仅有长度尺寸，侧面可选择采集直线（直线9、10、11、12），如图11并注意添加“移动点”。

3.5.3  平面上小孔测量

进行平面上直径为5 mm的小孔测量时，可在模型中自动识别位置（如图12所示）。为保证测头准确的运动路径及防止碰撞，还需设置合适的进孔深度和避让距离。小孔所在平面并不是该工件的上平面，所在平面上还有一菱形凸台，自动测量的路径需要躲避凸台。通过调整测量参数，在模型上合理选取，顺利进行小圆柱孔的自动测量，如图13所示。

3.5.4  中心沉孔与通孔测量

中心沉孔与通孔的测量方法与3.5.3平面上小孔相似（如图14、15所示），但由于沉孔与通孔直径较大，应在模型上适当增加测量点的数量，这样才能适当提高测量的精准度和结果的准确性[9]。

3.6  尺寸评价

根据工件要求对其进行拟合、运算、投影，输出尺寸结果。三坐标测量软件自带程序可进行尺寸评价，软件使用的最佳拟合方法有最小二乘法、最小区域法、L1元素法、最小外接法、最大内切法等。以圆柱度要求为例，最常用的圆柱度评定方法为最小区域法。同时，三坐标测量机可以分离几何元素的波形，以去除表面粗糙度的影响。与原始测量方法不同，由于三维数模自带设计尺寸及公差，基于模型的结果评价可直接输出“理论值、实测值、差值”，无需手动输入。

3.7  批量测量

为节省研究成本，不对实验工装进行批量生产，而是依靠移动实验工装摆放位置，来模拟相同工件的批量测量情景。重新摆放好实验工装，通过手动定位实验工装新位置后，通过软件“执行”重复自动测量程序，经多次测试，自动测量程序可以完好运行，该方法可以实现批量自动测量。自动测量的优点是可控制测量力速度，提高测量精度，自动测量是批量测量结果分析的前提。

4  应用及推广

三坐标测量机是一种综合性较强的空间测量仪器[10]，在机械加工、汽车发动机生产、五金工具以及航空航天领域中均有应用，三维模型的导入使得三坐标测量技术为智能化、一体化的机械设计、制造和检验提供了可靠的设备基础和技术支持。而自动测量程序在机械类零部件的批量检测中应用效益较好。与传统测量方式相比，基于三维模型的三坐标测量技术操作过程简便快捷、所需时间短效率高，也极大地避免了由于数据传递、图纸转换等影响导致测量结果出现误差的情况。

5  结  论

经过多次试验可得出，通过引入三维模型，以模型为测量辅助的三坐标测量技术，可以高质量、高效率地完成工件的自动批量测量。在测量时，建立合理的工件坐标系，实现工件各类尺寸、形位公差的评价，效果良好。

目前设计、生产与测量有一定程度的数据断裂，产品在设计阶段采用CATIA等数字化三维软件进行，而生产、测量时则需人为转换为二维图纸，以图纸中数据为依据，图纸的转换就有可能带来数据的错误。本研究，通过导入三维模型，可以有效地实现测量时的数据源统一，省去二维图纸的转换过程；另外自动测量程序的编写实现，可以实现相同工件的批量测量，大大提高测量效率。

参考文献：

[1] 安婷，薛小燕.三坐标测量机的自动测量和应用 [J].现代制造技术与装备，2020，56（7）：198-199.

[2] 李亮.三坐标测量机在产品质量检测中的应用 [J].科技创新导报，2020，17（1）：89+91.

[3] 谭志昊，张旭，张宏，等.基于三坐标测量机的产品质量检测关键技术研究 [J].机械制造，2014，52（4）：76-77.

[4] 陈林，吕彦明，宋灿，等.汽轮机叶片三坐标测量的自动定位研究 [J].机械制造，2015，53（2）：56-59.

[5] 郭建芬，秦贞明，徐井利，等.基于工件三维模型的三坐标测量技术 [J].机械制造，2018，56（10）：95-98.

[6] 彭诚.三坐标测量仪在机械零件检测中的应用研究 [J].自动化应用，2018（2）：57-58.

[7] 程敢峰，胡步凡，夏焕金.三坐标测量机在柴油机机体测量中的应用研究 [J].铁道机车车辆，2012，32（2）：22-25.

[8] 潘为民，叶欣，孔宁宁，等.基于三坐标测量机的精密叶轮测量路径规划研究 [J].机床与液压，2016，44（7）：14-17.

[9] 曹旭，李明，韦庆玥，等.三坐标测量中测量点数对精度影响的研究 [J].机械制造，2013，51（4）：71-74.

[10] 吕岩，焦丕显，李林，等.三坐标测量机在数控机床配件检测中的應用探索 [J].中国设备工程，2021（7）：163-165.

作者简介：张玥如（1997.07—），女，汉族，河南郑州人，助理工程师，本科，研究方向：几何量计量、精密测量；李珂誉（1998.05—），男，汉族，河南郑州人，助理工程师，本科，研究方向：物理冶金。