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摘要：针对智能三坐标测量机检测的关键问题，对自动检测中的碰撞规避与检查问题、检测路径的规范方法、测量点位置和数目的确定以及检测头与测头方向的选择等相关问题进行了详细的阐述，并提出了促进检测规划的可靠性，提高检测规划效率的一些建议。
关键词：智能三坐标测量机；检测规划；问题
引言
随着科技的发展，制造业对数控检测等设备的智能化提出了越来越高的要求，某些应用场合需要在无人的条件下对有毒、易爆和强辐射零部件进行检测，数控检测设备的智能化及防碰撞能力成为其发展的技术瓶颈。因此提高数控检测设备的智能化对制造业发展具有重要的意义。
1、智能三坐标测量机简介
三坐标测量机(CMM)是一种接触式检测设备，可以通过测头实现三维空间立体检测，检测的精度较高，自动化程度高，而且重复性比较好，在制造业领域得到了广泛的应用。智能三坐标测量机在三坐标测量机的基础上，还要求具备自动根据测量规则和常识等来自动选择测量路径和测量方法的能力，在决策过程中体现智能化的特点。到目前为止，CAM和CAD的集成技术与CAPP技术的研究已经有了很大的进展，但是CAD与测量机的集成工作相对来说要落后于CAD与机械加工的集成，影响了测量机的检测结果。三坐标测量机与CAD技术集成的主要工作模式是可以利用CAD的设计结果，对零件进行自动的检测规划，从而控制三坐标测量机进行测量。三坐标测量机的检测规划指的是确定检测工序，并确定执行检测的方法和步骤。随着高新技术产业的迅速发展，将CAD与三坐标测量测量机集成起来构建智能化的三坐标测量机是时代发展的要求，这种智能化测量机能够很好的满足自动化的需要，提高企业生产和检测效率。智能测量机将计算机技术应用到测量机的工作中，利用计算机中的数据库和强大的决策后制定合理的测量策略，完成自动化的检测工作。测量策略具体来说主要包括确定测量路径、选择测量点数和分布、测头和方向的选择、以及避障算法和碰撞检查等内容。检测规划在智能测量机中具有重要的作用，其质量的高低直接影响智能测量机的工作效率，因此，对检测规划进行系统全面的研究是十分必要的。
2、系统构成
本文中系统的结构如图１所示，三坐标测量机的坐标系为ｏｗｘｗｙｗｚｗ，相机固定在三坐标测量机横梁上，朝向测量平台，相机的内部参数已提前经过标定。摄像机坐标系ｏｃｘｃｙｃｚｃ和三坐标测量机坐标系ｏｗｘｗｙｗｚｗ的转换关系为
旋转矩阵Ｒ、平移矩阵Ｔ是通过标准球标定得到的。三坐标测量机坐标系向摄像机坐标系旋转的变换如下：首先围绕ｘｗ轴旋转角度α，然后围绕ｙｗ轴旋转角度β，最后围绕ｚｗ轴旋转角度γ。
3、智能测量机检测规划
3.1、测头以及测头方向的选择
三坐标测量机的测头是一种传感器，但相对于普通的传感器来说具有更加复杂的结构和功能，主要分为接触式测头和非接触式测头。在测量时，根据所测元素的形状、位置以及材料等差别，需要选择不同的测头来测量。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆测头选择要在充分了解工作位置和环境的前提下进行，尽可能使所选测头可以长久使用，减少更换测头的次数。在实际工作中，不同类型的测头的测量精度而各不相同，若组合使用多种测头，则很有可能因测头误差不同而使得测量结果不精确，所以在测量时要根据产品质量要求，选择满足要求精度的测头来测量。
改变侧头方向需要改变侧头座上的测头的角度来完成，上世纪九十年代，方向锥概念的提出为测量机测头方向的改变提供了理论指导。方向锥概念的基本思想是，由于需要改变测头座的旋转角度来改变测头的检测方向，我们可以设每一个测头都是一条射线，那么侧头方向的线集合起来将会形成一个有特定方向的椎体。对具有简单曲面的工件的检测，只需要确定测头的方向即可。根据相关理论，我们可以把测头方向离散为六个坐标轴方向，按照坐标轴的方向来判断检测面的可行性，这样会使得计算量减少，但是检测内容很容易出现遗漏。后来，Gu等人利用知识的智能系统来研究测头方向问题，按照已有的经验来得到可达的测头以及测头方向，而不是直接计算检测规划的可达性。将测头方向限制在三个坐标轴上，用三个方向上的测得检测特征的可行性，这种方法采用了三个侧头方向，容易出现不可测的检测特征，但是方法简单易行，计算量小。
3.2、检测路径的规划
检测路径规划是确定测头在测量空间的运动轨迹，即工件上所测量点的检测顺序。目前几乎所有的测量机都是以检测面作为最小的检测单位，这就要求必须测量完一检测面后，才能进行下一检测面的测量。基于上述情况下，为了提高检测效率和测量精度，在进行路径规划时就需要考虑下列2个方面的因素:一是在检测过程中测头和测头变换的次数最少；二是测头运动的轨迹应最短。
如果只考虑检测路径的距离，即在不考虑测量不同检测点时所使用的不同测头及其方向的条件下，单纯讨论测头运动轨迹的长短。从表面上看，得到一条最省时的路经，但这将势必导致测头及测头方向的频繁变换，其中主要的缺点有:首先，改变测头和测头方向肯定要带来精度上的损失，这将直接违背检测规划的原则。其次，测头方向的改变大致需要5s左右，另外为了避免碰撞，还需要将测头运动至一距离工件较远的位置，因此从时间上考虑并不经济，而更换测头的情况将更为严重。再有，如果考虑改变测头和测头方向所需要的路径，那么规划的整个路径已不是最优的了。因此，大多数情况下都是在同一测头或同一测头方向下讨论路径规划问题。仅对路径而言，又包括3个方面内容:检测面内测量点的排序、检测面的测量顺序和检测面之间测量点的连接问题。3个方面又相互关联、相互影响，如果仅单纯考虑检测面内点的排序和检测面的排序，那样检测面之间的连接将破坏整体的最优性；同样，如果先确定检测面之间的测量点的顺序，则为检测面内测量点的排序造成很大影响，不难看出这是一个很复杂的最优化问题。
3.3、碰撞检查与碰撞规避
利用智能三坐标测量机对工件进行测量时，要注意测头的运动应尽可能的避免与夹具或者其他工件的碰撞，主要注意运动的测头不能与夹具和工件发生碰撞以及测头运动的路径是否最佳这两个问题，在检测开始之前，要设计检测路径，并对检测路径中可能发生碰撞的点进行检查，如果不可避免的在运动过程中发生碰撞，则要做好碰撞的运算。利用高度发展的计算机技术和仿真技术，利用模拟软件和动画软件对检测的过程进行预测或者重现，尽可能规避碰撞点，保证测量的精度。
结束语
本文通过对智能三坐标测量机的检测规划进行分析，指出了测量机测量时测头和侧头方向的选择、测量点数目其分布的确定、检测路径规划以及碰撞规避和碰撞检查等方面应注意的问题，希望能够优化智能三坐标测量机的检测流程，提高检测规划的可靠性和安全性，提高检测的效率。
参考文献：
[1] 杨新建.智能三坐标测量机检测规划问题的研究[J].计量与测试技术,2017,44(08):57-58.
论文作者:吕敬杰
论文发表刊物:《防护工程》2018年第7期
论文发表时间:2018/8/7
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