關節(jié)臂掃描儀在鍛件測量上的應用

王俊亮

(?？怂箍禍y量技術(青島)有限公司，山東青島 266101)

鍛件是大型裝備制造業(yè)核心構件，在飛機制造、大型柴油機、船用設備、兵器裝備、電力設備等方面廣泛應用。鍛件加工質量的提高對于國家裝備制造提升具有重大意義。

鍛件外形尺寸是工件生產中必須及時檢測的一項重要指標，檢測后畫出的基準線是后續(xù)加工的基準，對鍛件測量直接影響到后續(xù)加工的成品率。對于鍛件的準確測量還可以分析鍛造過程中工件的變形趨勢，指導鍛壓模具的修整，對于鋼錠利用率的提高也有重大意義。

目前，國內鍛件廠主要利用卡尺、高度尺畫線測量，這種方式在測量不同方向時需要多次吊裝調平，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)，對于鍛造過程中工件變形趨勢分析不夠精確。

關節(jié)臂三坐標測量機是一種新型的非三軸正交的三坐標測量機，其特點是輕便，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)工件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)，建立好坐標系分析點云數(shù)據(jù)，可以直接得到被測量工件任意部分的三維誤差，還可以通過平移坐標系實現(xiàn)測量，利用硬測頭在工件上標記基準線，為后續(xù)機床精加工提供基準線。

1 關節(jié)臂三坐標測量過程

鍛件測量需要得到整體偏差情況，對整體變形做趨勢分析，因此在測量時我們采用關節(jié)臂測量機加激光掃描測頭方式。激光掃描測頭利用激光三角測量原理，配合關節(jié)臂三坐標測量機可以快速得到被測量工件的點云信息(本例采用ROMER RA7325SI關節(jié)臂測量機，掃描過程如圖1所示，掃描的點云如圖2所示)。

2 最佳擬合對齊及分析

通過關節(jié)臂三坐標測量機和激光掃描測頭得到的被測量工件的點云是以關節(jié)臂三坐標的坐標系(或稱機器坐標系)保存的，而實際上，工件數(shù)模一般以工件坐標系保存。故需將機器坐標系轉化為工件坐標系。目前坐標系的轉化方法以3－2－1建立坐標系法、最佳擬合建立坐標系法、RPS建立坐標系為主。3－2－1建立坐標系法和RPS建立坐標系法明顯不適用于該類工件。本文采用最佳擬合法，圖3是最佳擬合的結果。

從圖4基準截面分析可知，采用最佳擬合法對齊后基準基面上部點云相對于數(shù)模高出10 mm左右，下部低1～2 mm。鍛件在后續(xù)加工時先要以基準部分中分線為基準加工，以最佳擬合方式對齊不能達到指導加工的目的，因此在測量時需要找到點云基準部分的中點和數(shù)模中基準部分的中點，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中可以看出基準基面上下兩個方向基本均分，達到工藝對基準的要求。

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

坐標系調整后可以利用關節(jié)臂三坐標中硬測頭中的針式測尖找到3個方向的基準線做出標記、畫出加工基準線，后續(xù)機床加工時利用該基準線作為加工基準加工。

經過比較原始畫線測量方式測量一個工件需要8 h，誤差大，人為因素影響較大，結果不能復現(xiàn)。利用關節(jié)臂三坐標激光掃描設備掃描和處理一個工件僅需要1 h，系統(tǒng)可靠性高，結果可以復現(xiàn)，可以向下游傳遞。對于測量數(shù)據(jù)可以隨時調用查看。

3 關節(jié)臂三坐標的選擇及注意事項

?？怂箍禍y量技術(青島)有限公司目前提供RA7系列和 Stinger系列關節(jié)臂測量機，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)被測量工件的大小選擇不同測量直徑的設備。RA73系列測量范圍從1.5 m到4.5 m不等。RS測頭掃描速度50 000點/s，工作距離150 mm，景深100 mm，利用RS測頭自動曝光功能自適應調整曝光系數(shù)(測量設備如圖9所示)。在掃描過程中軟件系統(tǒng)會自動根據(jù)被測量面的曲率信息自動過濾。如圖10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。

對于多次掃描可以利用轉站功能拼接，即在工件上布置標準球或標準圓錐，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數(shù)據(jù)拼接，對于超亮、黑亮工件可以利用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、黑亮工件。

4 結語

本文提出了一種利用關節(jié)臂三坐標掃描儀測量鍛件外形尺寸，利用中點建立坐標系的方法，該方法適用于目前鍛件檢測要求。在實際測量中驗證了該方法的可行性和便攜性。利用關節(jié)臂三坐標掃描儀在檢測鍛件時具有非接觸、快速、操作簡單等特點。

?？怂箍禍y量技術(青島)有限公司長期致力于工件尺寸檢測儀器的開發(fā)和銷售，其中關節(jié)臂三坐標可以加載多種測頭滿足車間現(xiàn)場多種場合檢測需要。

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［3］王銀毓.我國大型鑄鍛件行業(yè)分析［J］.對外經貿，2013(1).

［4］ROMER 絕對關節(jié)臂測量機樣本［Z］.2013.

［5］ROMER絕對關節(jié)臂測量機使用手冊［Z］.2013.