關(guān)節(jié)臂掃描儀在鍛件測量上的應(yīng)用

文/王俊亮·海克斯康測量技術(shù)（青島）有限公司

關(guān)節(jié)臂掃描儀在鍛件測量上的應(yīng)用

文/王俊亮·?？怂箍禍y量技術(shù)（青島）有限公司

對鍛件的準(zhǔn)確測量可以提高鍛件的精度，減少資源浪費，目前我國大多數(shù)鍛件生產(chǎn)廠主要采用傳統(tǒng)人工測量的方式，效率低，誤差大。本文論述了利用關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測量機(jī)掃描鍛件，提出以中點對齊的方法，該方法操作簡單、快速，適用性廣，測量結(jié)果能夠達(dá)到實際要求。

鍛件是大型裝備的核心構(gòu)件，在飛機(jī)制造、大型柴油機(jī)、船用設(shè)備、兵器裝備、電力設(shè)備等方面應(yīng)用廣泛。鍛件加工質(zhì)量的提高對于國家裝備制造水平的提升具有重大意義。

鍛件外形尺寸是零件生產(chǎn)中必須及時檢測的一項重要指標(biāo)，檢測后畫出的基準(zhǔn)線是后續(xù)加工的基準(zhǔn)，對鍛件尺寸的測量直接影響到后續(xù)加工成品的合格率。對于鍛件的準(zhǔn)確測量還有助于分析鍛造過程中零件的變形趨勢，指導(dǎo)工裝人員對鍛造模具進(jìn)行修整，提升鋼錠利用率。

目前，國內(nèi)鍛造廠主要利用卡尺、高度尺畫線測量，這種方式在測量鍛件不同方向時需要多次吊裝調(diào)平，只能測量到部分點，并提供一維數(shù)據(jù)，不能全面反映鍛件的狀態(tài)，對鍛造過程中零件變形趨勢分析不夠精確。

關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測量機(jī)是一種新型的非三軸正交三坐標(biāo)測量機(jī)，其特點是質(zhì)量輕、攜帶方便，對工作環(huán)境要求低，在0～50℃均可以使用，測量精度高，根據(jù)鍛件溫度的不同可以選擇硬測頭、激光測頭、管件測頭，可以滿足車間現(xiàn)場測量。在鍛件測量時，一般采用激光掃描測頭掃描鍛件的點云數(shù)據(jù)，建立好坐標(biāo)系，分析點云數(shù)據(jù)，可以直接得到被測量零件任意部分的三維誤差，還可以通過平移坐標(biāo)實現(xiàn)接量，利用硬測頭在零件上標(biāo)記基準(zhǔn)線，為后續(xù)機(jī)床精加工提供基準(zhǔn)線。

關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測量過程

鍛件測量時需要得到整體偏差情況，對整體變形做出趨勢分析，因此在測量時我們采用關(guān)節(jié)臂測量加激光掃描測頭。激光掃描測頭利用激光三角測量原理，配合關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測量機(jī)可以快速得到被測量零件的點云信息。ROMERRA7325SI關(guān)節(jié)臂測量機(jī)的掃描過程如圖1所示，掃描的點云如圖2所示。

最佳擬合對齊及分析

通過關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)測量機(jī)和激光掃描測頭得到的被測量零件的點數(shù)據(jù)在關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)的坐標(biāo)系（或機(jī)器坐標(biāo)系）上保存，零件數(shù)模一般以零件坐標(biāo)系保存。因此需要將機(jī)器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為零件坐標(biāo)系。目前，坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化方法以3-2-1建立坐標(biāo)系法、最佳擬合建立坐標(biāo)系法、RPS建立坐標(biāo)系法為主。3-2-1建立坐標(biāo)系法和RPS建立坐標(biāo)系法明顯不適用于該類零件，圖3是最佳擬合結(jié)果。

圖1 掃描過程

圖2 掃描的點云數(shù)據(jù)

圖3 最佳擬合對齊結(jié)果

從圖4基準(zhǔn)截面分析可知，采用最佳擬合法對齊后基準(zhǔn)基面上部點云相對于數(shù)模高出10mm左右，下部低1～2mm。鍛件在后續(xù)加工時先要以基準(zhǔn)部分中分線為基準(zhǔn)加工，以最佳擬合方式對齊不能達(dá)到指導(dǎo)加工的目的，因此在測量時需要找到點云基準(zhǔn)部分的中點和數(shù)模中基準(zhǔn)部分的中點，以點云中點對齊到數(shù)模中點。

中點對齊及分析如圖5所示，分別在X、Y、Z三個方向的基準(zhǔn)部分選取中點，以中點對齊，如圖6所示。從圖7中可以看出基準(zhǔn)基面上下兩個方向基本均分，達(dá)到工藝最基本的要求。

對齊坐標(biāo)系后可以利用色差圖表現(xiàn)不同位置的測量結(jié)果，也可以直接點選關(guān)注點的偏差值，如圖8所示，如果需要向某個方向借量，則可以通過軟件中平移坐標(biāo)的方式實現(xiàn)。

圖4 基準(zhǔn)截面分析

圖5 Z方向基準(zhǔn)部分各中點的選取

圖6 以中點對齊的結(jié)果

圖7 中點對齊后截面分析

坐標(biāo)系調(diào)整后可以利用關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)中硬測頭中的針式測尖找到三個方向的基準(zhǔn)線做出標(biāo)記、畫出加工基準(zhǔn)線，后續(xù)機(jī)床加工時利用該基準(zhǔn)線作為加工基準(zhǔn)。

圖8 最終測量結(jié)果

圖9 測量時采用的設(shè)備

使用畫線測量方式測量一個零件需要8h，誤差大，人為因素影響較大，結(jié)果不能復(fù)現(xiàn)。利用關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)激光掃描設(shè)備掃描和處理一個零件僅需要1h，系統(tǒng)可靠性高，結(jié)果可以復(fù)現(xiàn)，可以向下游傳遞，對于測量數(shù)據(jù)可以隨時調(diào)出查看。

關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)的選擇及注意事項

海克斯康測量技術(shù)（青島）有限公司目前提供RA7系列和Stinger系列關(guān)節(jié)臂測量機(jī)，激光掃描有RS系列和CMS系列掃描測頭。由于鍛件的精度相對較低，一般采用RA73+SI系列掃描測頭，根據(jù)被測量零件的大小選擇不同測量直徑的設(shè)備。RA73系列測量范圍從1.5～4.5m不等。RS測頭掃描速度為50000點/s，工作距離為150mm，深度為100mm，利用RS測頭自動曝光功能自動調(diào)整曝光系數(shù)（測量設(shè)備如圖9所示）。在掃描過程中軟件會自動根據(jù)被測量面的曲率信息自動過濾。過濾后曲率變化大的區(qū)域點數(shù)較多，曲率變化小的區(qū)域點數(shù)較少，如圖10所示。

對于多次掃描可以利用轉(zhuǎn)站功能拼接，即在零件上布置標(biāo)準(zhǔn)球或標(biāo)準(zhǔn)圓錐，在掃描前先測量出來，然后用測量數(shù)據(jù)拼接；還可以利用前后兩次掃描公共部分的數(shù)據(jù)拼接，對于超亮、黑亮零件可以利用CMS108激光掃描測頭掃描，CMS系列測頭獨有的飛點模式可以掃描超亮、黑亮零件。

圖10 按曲率優(yōu)化后的點云

結(jié)束語

本文提出了利用關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)掃描儀測量鍛件外形尺寸的方法，利用中點建立坐標(biāo)系，該方法能夠滿足目前鍛件檢測要求。利用關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)掃描儀在檢測鍛件時，具有非接觸、快速、操作簡單等特點。

王俊亮，工程師，主要研究方向為關(guān)節(jié)臂測量機(jī)在機(jī)械制造方面的應(yīng)用。