基于精度检测的自由曲面定位方法研究

作者：任玉波 孙惠学

欢迎访问e展厅 展厅 1 CAD/CAM软件展厅 CAD软件, CAD/CAM, CAM, 钣金CAD/CAM, CAI, ... 随着计算机软件和硬件的不断发展，CAD/CAM技术为自由曲面产品的设计和制造提供了越来越大的支持。自由曲面是一种极难定义和加工的几何元素。它不像一般规则的几何元素那样，能用有限参数给出精确定义，所以，对其加工精度的检验变得较为复杂，主要存在的问题是：传统的定位方法难以为自由曲面零件设计夹具以保证准确定位。而靠人工找正不仅费时费力，且由于工件本身存在着加工误差，加之找正时由于人为、环境等因素的影响存在找正误差，导致最终得到的测量坐标系与设计坐标系之间存在偏差，即工件的定位误差。由于检测点及检测路径是在设计坐标系中生成，而定位误差的存在将使实际测点和理论测点不同，导致测量结果误差，经常有可能将合格的零件检测为不合格，造成不必要的损失。 本文针对上述问题提出一种基于质心和最小惯性主轴来对准待测曲面和标准CAD模型的方法，以实现自由曲面的检测，并给出了质心的算法。 1定位系统模型 要实现自由曲面零件的自动检测，首先应确定工件在检测平台上的几何位置，即在工件上找到一个对于该工件来说是唯一确定的点和唯一确定的方向矢量。笔者所研究的轿车门外板是具有公共基面的曲面工件。当该公共基面与检测平台接触时，工件稳定。对于这类工件，笔者提出了一种以工件的质心表示坐标原点，以工件的最小惯性主轴所在直线的方向来标识工件的方向的定位方法。 工件的边界曲线向公共基面：x-y面投影，该投影的质心为 式中，（xc，yc）是图像质心的位置，F是图像的面积 k（x，y）是二值化的工件边缘曲线。 最小惯性主轴通过图像的质心（xc，yc），其方向α0满足 式中α0是最小惯性主轴与坐标轴之间的夹角,Jx,Jy, Jxy是工件图像的二阶距 将门板CAD模型（图1)向x-y平面作投影，取出投影的最外轮廓，求出投影图的质心和最小惯性主轴。以图像的质心和最小惯性主轴为基准，将CAD的投影图的质心平移，与图像质心重合，绕质心旋转投影图，直至两个最小惯性主轴完全重合（图2）。 将平移距离和旋转角度代入工件CAD模型，生成检测路径，如下式 式中，（xK,yk）为生成的检测路径的坐标；α为图像最小惯性主轴与相应的CAD投影图的最小惯性主轴的夹角；（Lx,Ly）为CAD投影图的平移距离在x,y方向上的分量；（xCAD,YCAD）为CAD模型上的检测点。 如果图像与CAD投影图的质心重合，最小惯性主轴也完全重合，而两个图却呈镜向对称，如图3所示，此时检测路径中的α角应加上180°。 基于质心和最小惯性主轴的匹配方法，可以快速实现曲面检测中的定位，使实际曲面和理论曲面达到高密度的贴合。同时，避免了直接对目标函数优化时，对优化不敏感方向误差难以消除的问题，使测量坐标系更加逼近理论坐标系。 2实现定位的几个关键问题 2.1适用范围 本文介绍的方法是利用自由曲面的边缘使制造件与标准CAD模型对齐，因此它适用于具有“公共基面”的自由曲面工件。“公共基面”即是当被测曲面与检测平台接触时，使自由曲面稳定的那些点或线或面。当被测曲面不存在“公共基面”时，可借助“定位块”使被测曲面在检测平台上稳定。该“定位块”也可起到“初定位”的作用。 2.2“初定位”与“精定位”相结合 作为一个定位系统，要实现自由曲面的定位一般包括两个步骤：“初定位”和“精定位”。“初定位’即是用定位销、定位卡具或定位块等限定机件的空间位置。而“精定位”即通过测量系统将机件在六个自由度上相对其标准CAD模型偏差测量出来，确定旋转平移矩阵，通过一定的计算将其与CAD模型对齐。本文采用“初定位”与“精定位”相结合的总体定位方案，即在一定的“初定位”基础上辅以“精定位”。对被测工件的“初定位”是十分必要的，因为实际测点与指定测点相差太远，会造成后续计算复杂而延长计算时间，且被测件某些自由度的“初定位”非常简单精确。该方案的大体实现过程为：首先用定位机构对被测件的一些自由度进行精确限定。然后用测量装置测出工件实际位置相对标准位置的偏差量，以这些量值为基础，通过相应的软件对原始测量结果加以修正，最终实现对工件的高精度定位。先粗后精的定位方法，就不会出现本文图3镜像对称的情况。 3结语 在基于CAD模型的自由曲面精度检测过程中，实现制造件与标准CAD模型的对齐是至为关键的问题。本文提出基于质心与最小惯性主轴的匹配方法，可快速实现被测件与CAD模型的对齐，并对影响本文介绍方法的因素加以了分析。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/28/2006)