高精度平面檢測(cè)技術(shù)及在發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的應(yīng)用

張成明，徐正發(fā)，王大明

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，制造行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)也越來越激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快，制造精度要求提升到微米級(jí)；各類新材料、新工藝、新裝備不斷出現(xiàn)，帶來設(shè)計(jì)、加工、檢測(cè)、控制等方面的巨大沖擊。2008年，美國高校（密西根大學(xué)）、主機(jī)廠（福特、通用等）、設(shè)備供應(yīng)商（科惠力）在政府和行業(yè)支持下正式啟動(dòng)了兩微米項(xiàng)目，把微米級(jí)形貌掃描測(cè)量應(yīng)用在精密加工過程中，對(duì)現(xiàn)有制造能力進(jìn)行全面的提升。

2010年1月，上汽通用五菱、上海交大以及科惠力成立了兩微米項(xiàng)目，組成產(chǎn)學(xué)研團(tuán)隊(duì)，共同探索發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程中關(guān)鍵尺寸、形位公差對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響關(guān)系，以及發(fā)動(dòng)機(jī)制造精度與性能匹配的關(guān)系。兩微米項(xiàng)目采用了高精度平面檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量分析，其測(cè)量原理為光學(xué)干涉3D成像技術(shù)。

1 光學(xué)干涉3D成像測(cè)量原理

1.1 光學(xué)干涉3D成像的原理

當(dāng)兩列或幾列光波在空間相遇時(shí)相互疊加，在某些區(qū)域始終加強(qiáng)，在另一些區(qū)域則始終削弱，形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象就是光的干涉現(xiàn)象（如圖1、圖2）。

圖1 平面波紋干涉圖

圖2 立體波紋干涉圖

光產(chǎn)生穩(wěn)定干涉有以下兩個(gè)條件：

（1）兩列光波的頻率相同；

（2）位相差恒定，振動(dòng)方向一致的相干光源。

1.2 光學(xué)干涉3D成像的應(yīng)用

干涉是波獨(dú)有的特性，科學(xué)家為了驗(yàn)證光是波，而對(duì)光進(jìn)行了干涉實(shí)驗(yàn)，光學(xué)干涉3D成像正是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上不斷發(fā)展的。目前光學(xué)干涉3D成像技術(shù)主要應(yīng)用在：攝影業(yè)，醫(yī)學(xué)科內(nèi)窺檢測(cè)，軍工業(yè)，制造業(yè)平面測(cè)量等。隨著該技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用越來越廣泛，與日常生活的聯(lián)系也越來越緊密。

在兩微米項(xiàng)目中，科惠力公司提供了一款利用光學(xué)干涉成像的設(shè)備，簡稱ShaPix，測(cè)量零件表面平面度、波紋度等，將光學(xué)干涉3D成像技術(shù)應(yīng)用于精密加工制造業(yè)中。

2 設(shè)備介紹

2.1 設(shè)備特點(diǎn)

高精度平面檢測(cè)技術(shù)是通過多波長數(shù)字全息技術(shù)重建表面的三維形貌來實(shí)現(xiàn)的。這種非接觸式的測(cè)量過程會(huì)生成反映零件表面形貌的三維高精度、高密度點(diǎn)集。相比較于傳統(tǒng)的測(cè)量方式（如三坐標(biāo)測(cè)量）具有采點(diǎn)多，精度高，能反應(yīng)表面所有的信息等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 設(shè)備的配置

表1 ShaPix設(shè)備配置

圖3 ShaPix設(shè)備圖

2.3 基本測(cè)量原理

該設(shè)備利用激光反射后干涉波攜帶有被測(cè)表面高度信息，將干涉圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)換生成3D高度圖來表示被測(cè)零件的表面狀態(tài)，具體原理見下（圖4和圖5）

圖4 激光干涉測(cè)量原理

圖5 對(duì)像素進(jìn)行傅里葉變化生成三維圖像

2.4 數(shù)據(jù)處理功能

強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)可以做以下處理：

①3D色彩圖：用色彩、高度形象的反應(yīng)零件表面狀態(tài)；

②2D色彩圖：用不同色彩反應(yīng)零件表面狀態(tài)；

③測(cè)量、顯示零件局部特征；

④能將數(shù)據(jù)輸出成EXCEl、Q-DAS，方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。

2.5 高精度平面測(cè)量系統(tǒng)與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)對(duì)比

上汽通用五菱機(jī)加工車間配有蔡斯三座標(biāo)測(cè)量儀，可以對(duì)零件進(jìn)行整體平面度及局部平面度的測(cè)量。三座標(biāo)所輸出的報(bào)告精度可以達(dá)到0.1u，通過設(shè)定的較為離散測(cè)量路徑來反映出當(dāng)前零件的狀態(tài)，且每個(gè)尺寸均有對(duì)應(yīng)的特征代號(hào)（如圖6）。但局限性在于：具體是哪個(gè)區(qū)域出現(xiàn)超差不能直觀的從報(bào)告中反映出來，對(duì)快速、有針對(duì)性問題解決帶來一定的難度。

圖6 基于特征代號(hào)的傳統(tǒng)三座標(biāo)測(cè)量報(bào)告

高精度平面測(cè)量系統(tǒng)與傳統(tǒng)三座標(biāo)測(cè)量不同之處在于：測(cè)量精度同樣達(dá)到0.1u,且擁有高清晰的測(cè)量結(jié)果，采樣密度達(dá)到每平方毫米44個(gè)采樣點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果采用三維及二維彩色圖片并使用友好的報(bào)表顯示，使得用戶對(duì)零件表面形貌的理解變得快速、直觀、準(zhǔn)確。ShaPix輸出的整體平面度及局部平面度（如圖7、圖8）?，F(xiàn)將兩種測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比（如表2）。

當(dāng)被測(cè)表面為曲面、毛坯面或者表面由多種不同材料組成時(shí)，激光會(huì)發(fā)生散射或者因反射率不同，導(dǎo)致干涉圖紋減少或干涉圖紋不清晰，以致測(cè)量精度降低。所以高精度平面檢測(cè)設(shè)備主要適用于測(cè)量已經(jīng)加工過的，且表面材料一致或者幾種光反射率相近的材料組成的表面；而對(duì)曲面，或多種材料組成的平面精度較低。

圖7 ShaPix輸出的整體平面度

表2 高精度平面檢測(cè)設(shè)備與傳統(tǒng)三座標(biāo)對(duì)比表

3 在發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程中的應(yīng)用

在發(fā)動(dòng)機(jī)典型零件上的應(yīng)用，如缸體襯套，缸蓋墊片的三維檢測(cè)報(bào)告(如圖9、圖10)。

圖9 3D缸體襯套

圖10 3D缸蓋墊片

案例：解決缸蓋底面毛刷刷不完問題

發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋底面的工藝要求精度較高，平面度要求小于0.05mm、粗糙度小于Ra0.8。在實(shí)際生產(chǎn)中，出現(xiàn)過缸蓋底面部分區(qū)域粗糙度超差的現(xiàn)象。超差區(qū)域位于毛刷的接刀部位及缸蓋邊緣（如圖11）。

出現(xiàn)問題的刷子的表面呈圓弧狀，中間較外緣凸起，最高點(diǎn)與周邊較低點(diǎn)高度差約1.5mm（如圖12）。新毛刷不存在磨損，故高度差基本為零；使用過程中，毛刷的邊緣線速度大于中間部分，同樣旋轉(zhuǎn)一周，外緣比中間的線速度要高很多，外緣毛刷切削的路程比中間部分多，故磨損程度更大，消耗快，產(chǎn)生高度差。

圖11 缸蓋底面粗糙度超差區(qū)域

圖12 毛刷磨損后形成高度差

新毛刷時(shí)，程序設(shè)定刀具0.5mm的切深，因此外緣的毛刷會(huì)受擠壓而外翻，接刀處形成一定寬度的重疊區(qū)域。隨著刀具壽命增加，毛刷逐漸形成高度差，重疊區(qū)域逐漸減小，當(dāng)?shù)毒邏勖黾拥揭欢ǔ潭纫院螅ㄈ? 000以上），在接刀處，原來的重疊區(qū)域消失，反而出現(xiàn)了三角形的空隙，便會(huì)產(chǎn)生毛刷刷不到區(qū)域，導(dǎo)致工件表面凸起（如圖13）。底部區(qū)域凸起原因相似。使用ShaPix測(cè)量，中間區(qū)域及底部邊緣區(qū)域存在凸起部位（如圖14）。原走刀路徑，刀具路徑本身沒有重疊區(qū)域（如圖15）。

圖13 刷不完區(qū)域產(chǎn)生過程示意圖

圖14 中間及邊緣刷不完（刀具壽命3238）

圖15 刷子走刀路徑（圓圈部位容易出現(xiàn)刷不到）

對(duì)毛刷的走刀路徑進(jìn)行優(yōu)化，由原來刀具路徑本身沒有重疊，改為刀具路徑本身存在重疊，以彌補(bǔ)毛刷磨損后形成的三角間隙，底部區(qū)域路徑增加了走刀長度，以刷完整個(gè)表面，改進(jìn)后路徑（如圖17）。更改路徑后，追蹤刀具在整個(gè)壽命期間的表面形貌及平面度情況，沒有再出現(xiàn)局部區(qū)域刷不到的現(xiàn)象（如圖 16）。

圖16 中間及邊緣刷不完區(qū)域已經(jīng)有較大改善（刀具壽命3120）

圖17 更改后毛刷走刀路徑

4 結(jié)論

目前3D成像技術(shù)在制造工廠的應(yīng)用還處于起步階段，從本文的應(yīng)用實(shí)例來看，其直觀的三維測(cè)量報(bào)告在指導(dǎo)用戶解決質(zhì)量問題方面的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)非常顯著。與傳統(tǒng)三座標(biāo)測(cè)量相比，高精度平面檢測(cè)設(shè)備可將零件表面形貌描繪的更直觀、更準(zhǔn)確，利于質(zhì)量問題的高效解決。隨著設(shè)備的制造精度不斷提高，測(cè)量設(shè)備的要求也隨之提高。高精密平面測(cè)量設(shè)備為制造企業(yè)提供了良好的檢測(cè)方案。

[1]王芳榮，趙丁選，尚濤，李曉天.應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行物體三維重構(gòu)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2008.

[2]蔡喜平，李惠民，劉劍波，高劭宏.主動(dòng)式光學(xué)三維成像技術(shù)概述[J].激光與紅外，2007.

[3]李 翔.三維成像技術(shù)及高精度快速三維成像系統(tǒng)研究[J].《現(xiàn)代電子技術(shù)》，2006.