CN108050981A - 一种复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法，涉及仿真测量领域，该方法包括以下步骤工件网格化，提取工件网格单元节点的空间坐标，筛选待测表面的网格单元节点，确定测点测量位置以及测量轨迹，生成待测表面的三坐标测量程序，完成三坐标测点位置的采集，最终获得整个测量表面采样节点集合的实际测量值。该方法不依赖特定的采样曲线以及规则的采样区域，可以实现复杂工件表面的测点快速生成，在保证测量表面完整性的基础上，保证采样的均匀性，具有测点分布和测量路径规划人工依赖度小，针对不同复杂表面零件的测量具有优秀的适应性。

Description

一种复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法
技术领域
本发明涉及仿真测量领域，尤其涉及一种复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法。
背景技术
三坐标测量机通过接触测量的方式，获得接触点的空间坐标信息，反映零件的实际制造尺寸以及表面平面度等信息，广泛的应用于实验室科学研究和工业生产中。三坐标测量的基本原理有两种：一种是通过固定的夹具***，建立夹具坐标系，通过预先设定的三坐标测量机测点位置，获得工件对应点在夹具坐标系中的实际位置，由于采用夹具绝对坐标系定义预设测量点位置，测量点的位置不依赖于零件的位置，因此适用于批量重复性的测量，一般应用于工厂中测量零件的制造质量波动；另一种是将工件固定于测量平台上，通三坐标测量机手动建立以零件为基础的相对坐标系，通过零件理论几何尺寸信息，定义测量点的理论位置，从而获得三坐标测量机在理论接触点的实际尺寸，适用于单个零件的自定义测量，多用于实验室对试验件的特殊测量。
专利号为CN103335626B、名称为“三坐标测量机测量平面度的样本点优化选取方法”的中国专利，提出一种通过其他三维高分辨率表面形貌测量技术获得的预检测表面平面度高密度点云数据，经过对各个分块小区域内的测点数据分析，对表面点云数据进行缩减，获得能反映表面平面度变化的最优样本集。该方法提供了一种表面样本点的缩减方法，依赖于其他测量手段的预检测数据，检测周期长，不适用于新工件新结构的初始测量。
专利号为US20130030773、名称为“COORDINATE MEASURING SYSTEM DATAREDUCTION”的美国专利，提出一种通过零件CAD模型特征、零件几何信息与尺寸公差信息，对初始划分的测量网格进行分块分析，实现对初始测量样本的缩减目的。该技术仅仅是实现对初始测量网格的缩减，不能实现对复杂表面的非规则网格化测量，因此对复杂工件表面的测量适应性较小。
当前三坐标测量机定义测量点的位置，主要依靠于手动找点，或者定义一条标准的测量采样曲线，或者定义标准采样区域，这种测量点位置的定义模式，不仅需要大量的手动定义操作，依赖标准的采样取点轨迹，而且针对复杂工件表面的测量，手动定义测量点或者特定区域的扫描测量，无法实现高效均匀化的布点，无法实现非规则表面的非规则网格化测量。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种能够满足非规则表面的快速均匀布置测点的测量方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明针对现有技术中的缺陷，为了克服现有的三坐标测量技术中不能满足非规则表面的快速均匀布置测点，提出一种面向复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法，以实现复杂工件表面的测点快速生成，能够实现复杂工件表面的均匀非规则测点规划，人工依赖度小，针对不同复杂表面零件的测量具有优秀的适应性。
为实现上述目的，本发明提供了一种复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法，包括以下步骤：
步骤100，工件网格化，将待测工件模型划分网格，得到包含待测工件空间位置的系列节点集合，以及工件有限元模型的坐标系OaXaYaZa，进入步骤200；
步骤200，提取工件网格单元节点的空间坐标，根据步骤100中的有限元文件，提取三维有限元模型的网格单元节点集合的编号以及对应的节点空间坐标{P(Xa,Ya,Za)}，进入步骤300；
步骤300，筛选待测表面的网格单元节点，提取待测表面上的节点编号以及相应节点的坐标，获得待测表面节点位置集合{Psurface(Xa,Ya,Za)}，进入步骤400；
步骤400，确定测点测量位置以及测量轨迹，建立工件测量坐标系OcXcYcZc，将有限元模型中的网络单元节点坐标转换为测量坐标系内的坐标值Psurface(Xc,Yc,Zc)，获得测量轨迹，进入步骤500；
步骤500，生成待测表面的三坐标测量程序，进入步骤600；
步骤600，依据步骤400的工件测量坐标系OcXcYcZc，将三坐标测量机初始至测量原点，然后将步骤500中生成的测量程序导入三坐标测量机，完成三坐标测点位置的采集{Psurface(Xcmm,Ycmm,Zcmm)}，进入步骤700；
步骤700，获得整个测量表面采样节点集合的实际测量值{Psurface(Xc,Yc,Zcmm)}，程序结束。
进一步地，步骤100中，根据待测工件表面的几何特征以及表面测量的需求，确定测量网格划分的尺寸以及网格单元节点密度，采用有限元划分网格软件，将待测工件的CAD三维实体模型划分网格，得到包含待测工件空间位置的系列节点集合，以及工件有限元模型的坐标系OaXaYaZa。
进一步地，步骤100采用ABAQUS、HYPYMESH或者ANSYS有限元软件。
进一步地，步骤100采用四面体或者六面体网格将待测工件CAD模型网格化。
进一步地，步骤200提取的网格节点文件，采用MATLAB软件分析处理，获得各对应节点编号的空间坐标信息，生成包含节点编号以及空间坐标的数组P(index,Xa,Ya,Za)。
进一步地，步骤300根据CAD模型的工件几何尺寸以及有限元模型，采用MATLAB软件分析处理，确定待测工件表面的节点编号以及节点位置，生成包含待测表面的节点编号以及空间坐标的数组Psurface(index,Xa,Ya,Za)。
进一步地，步骤400中，确定有限元模型坐标系OaXaYaZa相对工件测量坐标系OcXcYcZc的位置，通过建立几何位置的空间变换准则，将有限元模型中的网格单元节点坐标转换为测量网格单元节点在测量坐标系内的坐标值Psurface(Xc,Yc,Zc)，依据测点在XY轴的位置，通过搜索算法将待测测点排序，生成测点位置的集合{Psurface(Xc,Yc,Zc)}。
进一步地，步骤400中，以夹具坐标系或者以零件几何为基础，建立工件测量坐标系OcXcYcZc，通过MATLAB软件将待测节点坐标通过坐标变换原则转换为测点坐标。
进一步地，步骤500中，根据步骤400确定的测点坐标，采用MATLAB程序，生成待测表面测点集合{Psurface(Xc,Yc,Zc)}的测量程序，选择点到点的测量轨迹自动生成模块的程序命令，自动生成待测点集的测量轨迹。
进一步地，步骤700中，将三坐标测量的结果导出，并将实际测量值Zcmm与理论测量位置(Xc,Yc,Zc)一一对应，待测表面平面度用各测量点的高度Z向测量值，以及各测点(X,Y)位置表示，获得待测位置处的测点位置Psurface(Xc,Yc,Zcmm)，获得反映待测表面在平面高度方向变化的点云数据{Psurface(Xc,Yc,Zcmm)}。
本发明的有益效果如下：
1、本发明依靠工件三维实体CAD模型建立有限元网格，将工件几何数字化，获得，实现复杂工件表面采样点的均匀采样，以及非规则布点；采用非规则网格划分技术，不依赖特定的采样曲线以及规则的采样区域，可以实现复杂表面几何特征的表达，从而实现复杂工件表面的测量。
2、本发明中将三维实体模型通过有限元网格离散化，并建立测量坐标系，将离散化的网格节点坐标转换为测点坐标，通过离散的网格节点转换为表面测点，并生成点到点的测量路径，具有测点布置和测量路径规划人工依赖度小，针对不同复杂表面零件的测量具有优秀的适应性。同时，只需要建立测量坐标系并将三坐标测量机初始化为测量原点，导入测量程序即可完成全表面测点的自动测量，具有复杂表面测点自动识别以及测量轨迹自动生成的特点，为复杂工件表面的平面度测量提供了有效的方法，特别是针对单个零件复杂表面的全表面平面度测量，具有重要的工程实用价值。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法的流程图；
图2是本发明所述的根据三维CAD模型网格化的有限元模型以及提取的工件测量表面节点点云示意图；
图3是本发明所述的测量表面点云生成的工件表面高度变化的示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示，一种复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法，包括以下步骤：
步骤100，工件网格化，将待测工件模型划分网格，得到包含待测工件空间位置的系列节点集合，以及工件有限元模型的坐标系OaXaYaZa，进入步骤200；
步骤200，提取工件网格单元节点的空间坐标，根据步骤100中的有限元文件，提取三维有限元模型的网格单元节点集合的编号以及对应的节点空间坐标{P(Xa,Ya,Za)}，进入步骤300；
步骤300，筛选待测表面的网格单元节点，提取待测表面上的节点编号以及相应节点的坐标，获得待测表面节点位置集合{Psurface(Xa,Ya,Za)}，进入步骤400；
步骤400，确定测点测量位置以及测量轨迹，建立工件测量坐标系OcXcYcZc，将有限元模型中的网络单元节点坐标转换为测量坐标系内的坐标值Psurface(Xc,Yc,Zc)，获得测量轨迹，进入步骤500；
步骤500，生成待测表面的三坐标测量程序，进入步骤600；
步骤600，依据步骤400的工件测量坐标系OcXcYcZc，将三坐标测量机初始至测量原点，然后将步骤500中生成的测量程序导入三坐标测量机，完成三坐标测点位置的采集{Psurface(Xcmm,Ycmm,Zcmm)}，进入步骤700；
步骤700，获得整个测量表面采样节点集合的实际测量值{Psurface(Xc,Yc,Zcmm)}，程序结束。
下面以设计的三孔缸体特征件的测量过程为例，结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。
如图1所示，复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法，包括以下步骤：
步骤100，将特征件三维CAD实体模型导入有限元ABAQUS软件中，根据待测工件表面的几何特征以及表面测量的需求，建立有限元坐标系为OaXaYaZa，确定测量网格划分的尺寸以及网格单元节点密度，采用六面体C3D8R型八节点非规则网格将CAD模型网格化，共获得9480个网格单元，11744个节点，其中待测上表面共有节点802个，进入步骤200。
步骤200，根据步骤100中生成的有限元网格输出文件，采用MATLAB软件分析处理，提取三维有限元模型的网格单元节点集合的编号以及对应的节点空间坐标，生成包含所有节点编号以及空间坐标的数组P(index,Xa,Ya,Za)，其中数组维数为11744×4，进入步骤300。
步骤300，筛选待测表面的网格单元节点，根据CAD模型的几何尺寸以及有限元模型的坐标位置，提取待测表面上的节点编号以及相应节点的坐标，获得待测表面节点位置集合{Psurface(Xa,Ya,Za)}，待测表面数组维数为802×4，进入步骤400。如图2所示，待测表面上802个测点均匀的分布于测量表面，且三个孔中均没有布置测点。
步骤400，以工件左下角为测量坐标系原点，以测量平台为基准面建立与工件有限元坐标系平行的测量坐标系OcXcYcZc，通过建立几何位置的空间变换准则，将有限元模型中的网格单元节点坐标转换为测量网格单元节点在测量坐标系内的坐标值Psurface(Xc,Yc,Zc)，变换方程为Psurface(Xc,Yc,Zc)＝T(OcOa)Psurface(Xa,Ya,Za)，其中T(OcOa)为坐标变换矩阵；然后依据测点在XY轴的位置，通过搜索算法将待测测点排序，生成测点位置的集合{Psurface(Xc,Yc,Zc)}，进入步骤500。
步骤500，根据步骤400确定的表面802个测点的测点坐标以及测量轨迹，通过MATLAB程序软件建立三坐标测量机的测量程序文件，生成待测表面测点集合{Psurface(Xc,Yc,Zc)}的测量程序，选择点到点的测量轨迹自动生成模块的程序命令，自动生成待测点集的测量轨迹进入步骤600。
步骤600，根据步骤400的工件测量坐标系OcXcYcZc，将三坐标测量机初始至测量原点，然后将步骤500生成的测量程序导入三坐标测量机，完成三坐标对表面802个测点位置的采集{Psurface(Xcmm,Ycmm,Zcmm)}，进入步骤700。
步骤700，将三坐标测量的结果导出，并将实际测量值Zcmm与理论测量位置(Xc,Yc,Zc)一一对应，获得待测位置处的测点位置Psurface(Xc,Yc,Zcmm)，从而获得整个测量表面采样节点集合的实际测量值{Psurface(Xc,Yc,Zcmm)}，待测表面平面度用各测量点的高度Z向测量值，以及各测点(X,Y)位置表示，获得反映待测表面在平面高度方向变化的点云数据{Psurface(Xc,Yc,Zcmm)}如图3所示，测量结束。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤100，工件网格化，将待测工件模型划分网格，得到包含待测工件空间位置的系列节点集合，以及工件有限元模型的坐标系OaXaYaZa，进入步骤200；
步骤200，提取工件网格单元节点的空间坐标，根据步骤100中的有限元文件，提取三维有限元模型的网格单元节点集合的编号以及对应的节点空间坐标{P(Xa,Ya,Za)}，进入步骤300；
步骤300，筛选待测表面的网格单元节点，提取待测表面上的节点编号以及相应节点的坐标，获得待测表面节点位置集合{Psurface(Xa,Ya,Za)}，进入步骤400；
步骤400，确定测点测量位置以及测量轨迹，建立工件测量坐标系OcXcYcZc，将有限元模型中的网络单元节点坐标转换为测量坐标系内的坐标值Psurface(Xc,Yc,Zc)，获得测量轨迹，进入步骤500；
步骤500，生成待测表面的三坐标测量程序，进入步骤600；
步骤600，依据步骤400的工件测量坐标系OcXcYcZc，将三坐标测量机初始至测量原点，然后将步骤500中生成的测量程序导入三坐标测量机，完成三坐标测点位置的采集{Psurface(Xcmm,Ycmm,Zcmm)}，进入步骤700；
步骤700，获得整个测量表面采样节点集合的实际测量值{Psurface(Xc,Yc,Zcmm)}，程序结束。
2.如权利要求1所述的复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法，其特征在于，步骤100中，根据待测工件表面的几何特征以及表面测量的需求，确定测量网格划分的尺寸以及网格单元节点密度，采用有限元划分网格软件，将待测工件的CAD三维实体模型划分网格，得到包含待测工件空间位置的系列节点集合，以及工件有限元模型的坐标系OaXaYaZa。
3.如权利要求2所述的复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法，其特征在于，步骤100采用ABAQUS、HYPYMESH或者ANSYS有限元软件。
4.如权利要求3所述的复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法，其特征在于，步骤100采用四面体或者六面体网格将待测工件CAD模型网格化。
5.如权利要求1所述的复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法，其特征在于，步骤200提取的网格节点文件，采用MATLAB软件分析处理，获得各对应节点编号的空间坐标信息，生成包含节点编号以及空间坐标的数组P(index,Xa,Ya,Za)。
6.如权利要求1所述的复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法，其特征在于，步骤300根据CAD模型的工件几何尺寸以及有限元模型，采用MATLAB软件分析处理，确定待测工件表面的节点编号以及节点位置，生成包含待测表面的节点编号以及空间坐标的数组Psurface(index,Xa,Ya,Za)。
7.如权利要求1所述的复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法，其特征在于，步骤400中，确定有限元模型坐标系OaXaYaZa相对工件测量坐标系OcXcYcZc的位置，通过建立几何位置的空间变换准则，将有限元模型中的网格单元节点坐标转换为测量网格单元节点在测量坐标系内的坐标值Psurface(Xc,Yc,Zc)，依据测点在XY轴的位置，通过搜索算法将待测测点排序，生成测点位置的集合{Psurface(Xc,Yc,Zc)}。
8.如权利要求7所述的复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法，其特征在于，步骤400中，以夹具坐标系或者以零件几何为基础，建立工件测量坐标系OcXcYcZc，通过MATLAB软件将待测节点坐标通过坐标变换原则转换为测点坐标。
9.如权利要求1所述的复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法，其特征在于，步骤500中，根据步骤400确定的测点坐标，采用MATLAB程序，生成待测表面测点集合{Psurface(Xc,Yc,Zc)}的测量程序，选择点到点的测量轨迹自动生成模块的程序命令，自动生成待测点集的测量轨迹。
10.如权利要求1所述的复杂工件表面平面度测量的三坐标测量机测量方法，其特征在于，步骤700中，将三坐标测量的结果导出，并将实际测量值Zcmm与理论测量位置(Xc,Yc,Zc)一一对应，待测表面平面度用各测量点的高度Z向测量值，以及各测点(X,Y)位置表示，获得待测位置处的测点位置Psurface(Xc,Yc,Zcmm)，获得反映待测表面在平面高度方向变化的点云数据{Psurface(Xc,Yc,Zcmm)}。
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