曲寶章, 孫可心, 霍東堯, 朱建寧, 盧碧紅
(大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 大連,116028)
退火是傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架生產(chǎn)過程中消除殘余應(yīng)力減小變形的一道工序,對退火工藝的優(yōu)化有助于節(jié)省工時和降低能耗。文獻(xiàn)[1-3]以控制焊接溫度、焊接質(zhì)量和采用新的加工方法來控制構(gòu)架變形以及使用焊接工裝來保證加工精度等方法來代替退火工藝,但文獻(xiàn)中并沒有定量分析退火對變形的影響。在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架制造現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn),人們普遍認(rèn)為影響構(gòu)架變形的主要因素是焊接和熱處理工序,而且熱處理工序會很大程度矯正焊接產(chǎn)生的變形。構(gòu)架變形對車輛裝配工序產(chǎn)生很大影響,若變形過大,可能導(dǎo)致無法裝配,需要進(jìn)行壓力校正[3]。但是,構(gòu)架的焊接以及熱處理工序變形具體是如何影響變形的最終結(jié)果尚無文獻(xiàn)和實(shí)證研究結(jié)果發(fā)表。國內(nèi)制造行業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場本構(gòu)架熱處理時間在2.5 h左右,嚴(yán)重影響制造成本和生產(chǎn)進(jìn)度,也造成高能耗,而國外西門子等廠家的構(gòu)架生產(chǎn)不需要熱處理工序,因此本研究對構(gòu)架制造工藝改善具有參考價值。
為了研究分析焊接和退火工藝過程對構(gòu)架變形產(chǎn)生的影響,需全面了解構(gòu)架的變形情況。在傳統(tǒng)構(gòu)架試制及量產(chǎn)過程中,現(xiàn)場構(gòu)架變形的主要測量工具為三坐標(biāo)劃線儀[4],測量時基準(zhǔn)對齊更多依靠工人經(jīng)驗(yàn)來確定,效率比較低,且只能在與3個坐標(biāo)平行的平面內(nèi)進(jìn)行測量,難以獲取構(gòu)架全局變形信息,導(dǎo)致虛假加工余量不足,增加生產(chǎn)過程的補(bǔ)焊工作量。因此,針對車間級快速、精確、實(shí)時的測量需求,新型手持式三維激光掃描儀應(yīng)運(yùn)而生。目前,國內(nèi)外在管道的腐蝕測量[5]、航天器破壞部位測量[6]、汽車零部件快速測量[7]以及模具變形控制[8-9]都得到了研究和應(yīng)用。
筆者以某機(jī)車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架制造過程的變形為研究對象,以試件的3D平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差和四角高差作為評價指標(biāo),研究用三維激光掃描儀對構(gòu)架進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法,用Geomagic-studio處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成零件曲面模型的方法[10],以及用Geomagic-qualify進(jìn)行變形測量與分析的方法[11]。通過誤差數(shù)據(jù)一致性分析、與生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的對比,驗(yàn)證提出的測量分析與評價方法的正確性,為解決生產(chǎn)中的上述問題提供科學(xué)依據(jù)。
轉(zhuǎn)向架構(gòu)架長度近7 m,而手持式激光掃描儀只能測量長度不超過4 m的物體,如果掃描物體超過4 m,會產(chǎn)生掃描結(jié)果不準(zhǔn)確等問題。
筆者使用MaxShot光學(xué)攝影測量系統(tǒng)與HandyScan 700三維激光掃描儀相結(jié)合的方式對目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,可提升數(shù)據(jù)采集的精度。首先,使用MaxShot對構(gòu)架進(jìn)行整體坐標(biāo)系建立,測量精度為0.025 mm/m;其次,使用HandyScan 700用于構(gòu)架的數(shù)據(jù)采集,在使用整體坐標(biāo)系的前提下測量精度可達(dá)0.03mm/m;最后,由VXelements 模塊引導(dǎo)的分步操作,加快掃描儀在目標(biāo)部件上的定位速度,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云由局部坐標(biāo)系到整體坐標(biāo)系快速轉(zhuǎn)換,縮短大型部件的測量時間。本測量系統(tǒng)由Studio對測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,Qualify對構(gòu)架點(diǎn)云進(jìn)行偏差分析。測量分析流程如圖1所示。
圖1 方案設(shè)計(jì)Fig.1 Scheme design
測量的結(jié)構(gòu)光投射于被測量試件和MaxShot成三角關(guān)系,構(gòu)成三角測量,從而遵循攝影測量學(xué)上的基本原理-共線方程。
MaxShot光學(xué)坐標(biāo)測量設(shè)備通過圖像三角剖分使置于物體上的標(biāo)志點(diǎn)(事先貼于被測目標(biāo))可以在三維空間中重建。在此測量范圍內(nèi)使用標(biāo)定桿進(jìn)行模型標(biāo)定,一旦計(jì)算完成,光學(xué)坐標(biāo)測量設(shè)備將自動使用VXelements生成的高精確度定位模型,從而確定被測構(gòu)架在整體坐標(biāo)系的位置與姿態(tài)。
共線方程是光學(xué)攝影測量中最基本的方程,其核心在于像點(diǎn)是物點(diǎn)和光心的連線與圖像平面的交點(diǎn),即三點(diǎn)共線。攝影測量中有3個不同層次的坐標(biāo)系: 物空間坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系,共線方程實(shí)際是通過相機(jī)坐標(biāo)系作為中間坐標(biāo)系來建立圖像坐標(biāo)系與物空間坐標(biāo)系之間的關(guān)系。共線方程的齊次坐標(biāo)矩陣表達(dá)式為
(1)
消去ze,式(1)轉(zhuǎn)換為兩個線性方程式,即
(2)
相機(jī)與物點(diǎn)之間遵循共線方程。將測量設(shè)備與被測物體空間坐標(biāo)面O-xy平行,方程可寫為
zw=ai
(3)
其中:ai為常數(shù),i=1, 2,…,n。
當(dāng)光源沿著z平行移動時,分別對z=a1,a2,…,an位置進(jìn)行掃描,可認(rèn)為是按固定采樣間隔測量。將式(3)與式(2)聯(lián)立,求解出被測物體的空間坐標(biāo)(xw,yw,zw)。
圖2 激光掃描儀自定位Fig.2 Self-positioning of laser scanner
便攜式激光掃描儀是一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),具有自定位功能。測量時能夠不依賴固定坐標(biāo)系,通過光學(xué)聯(lián)系動態(tài)定位儀器與工件的坐標(biāo)關(guān)系實(shí)現(xiàn)車間級的工件快速精確的實(shí)時掃描[12]。激光掃描儀的上下兩個相機(jī)與布置在工件上的定位靶點(diǎn)構(gòu)成三角關(guān)系,如圖2所示,定位靶點(diǎn)專門設(shè)計(jì)成儀器能自動識別的圓形自反光標(biāo)識物。發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)被測目標(biāo)物上的靶點(diǎn)反射后傳回到接收器,儀器系統(tǒng)軟件自動計(jì)算每幀目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)。掃描過程中,HandyScan發(fā)出的激光束每幀掃描至少有4個標(biāo)識點(diǎn)與前一幀重合,才能保證內(nèi)部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確完成,實(shí)現(xiàn)掃描儀采集數(shù)據(jù)在工件坐標(biāo)系中的自定位。
MaxShot 3D 攝影測量系統(tǒng)包含 3D 攝影測量視頻攝像頭和 VXshot 處理軟件,它將攝影測量的高精度和速度添加到掃描儀中,對于大型部件效果尤為顯著。其工作流程如下:首先,將一些編碼目標(biāo)點(diǎn)置于被測量物體上或物體所處的環(huán)境中;其次,拍攝多組照片(能反映物體全貌),啟動圖像三角剖分,將置于物體上的反射目標(biāo)點(diǎn)在 3D 空間中重建。在此測量范圍內(nèi)用標(biāo)定桿對模型進(jìn)行縮放。計(jì)算完成后,3D掃描儀將自動使用 VXshot 生成的高精確度定位模型以確定其在測量范圍內(nèi)的位置。
通過測量系統(tǒng)平臺軟件VXelements將MaxShot建立的整體坐標(biāo)系與HandyScan的局部坐標(biāo)系進(jìn)行連接。使用手持激光掃描儀對構(gòu)架進(jìn)行全部點(diǎn)云采集后,由VXelements導(dǎo)出STL文件保存?zhèn)溆谩9P者將STL文件導(dǎo)入Geomagic進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。分別將3個試件命名為構(gòu)架A、構(gòu)架B、構(gòu)架C。采集后的點(diǎn)云如圖3(a)所示。
圖3 構(gòu)架焊接工序點(diǎn)云處理前后對比Fig.3 Point clouds comparison of the processing
由于存在一定的系統(tǒng)或隨機(jī)誤差,激光掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不能直接導(dǎo)入Geomagic-qualify軟件進(jìn)行分析,例如,本研究中的構(gòu)架加工余量或者試件體外標(biāo)識點(diǎn)誤采等。由于直接使用采集完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會影響最后測量分析的結(jié)果,因此在測量分析前需對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。
由于構(gòu)架本身體積很大,點(diǎn)云數(shù)據(jù)較多,很多較小的瑕疵僅憑人力無法發(fā)現(xiàn)并且修補(bǔ),這時使用網(wǎng)格修改功能,對“非流行邊”、“自相交”“高度折射邊”“釘狀物”“小組件”“小孔”進(jìn)行修復(fù)。
在構(gòu)架點(diǎn)云采集時,會因?yàn)闃?biāo)識點(diǎn)等原因?qū)⒁恍┎粚儆跇?gòu)架本身的特征采集進(jìn)來,而這些特征并不會被網(wǎng)格修改功能修復(fù),只能進(jìn)行人機(jī)交互去除。軟件的去除特征功能可以刪除模型當(dāng)中意外凸起或者凹下的部分,然后根據(jù)周圍的曲率自動進(jìn)行修復(fù)。在操作時,要選取適宜的去除范圍,避免修復(fù)后存在不規(guī)則的三角面。
由于被測構(gòu)架本身的幾何原因造成光學(xué)遮擋效應(yīng)導(dǎo)致采集構(gòu)架點(diǎn)云時會有一些孔洞等數(shù)據(jù)缺失,評價時會增大變形測量中的誤差。為了減小這種效應(yīng),必須將這一部分的數(shù)據(jù)復(fù)原。利用填充孔功能將缺失的點(diǎn)云數(shù)據(jù)補(bǔ)上,但要注意被填充部位可能與其他部分曲率有差別,選擇“基于曲率的填充”可以保證模型中缺失的點(diǎn)云按照周圍點(diǎn)云的曲率自然過渡填充,以符合工程設(shè)計(jì)理念。
處理后的點(diǎn)云使用封裝功能轉(zhuǎn)為三角面片前必須經(jīng)過數(shù)據(jù)精簡。因?yàn)橛蓲呙鑳x采集的點(diǎn)云經(jīng)處理后也含有百萬以上的海量數(shù)據(jù),在利用軟件對圖形進(jìn)行后續(xù)運(yùn)算時,占據(jù)絕大部分計(jì)算機(jī)的內(nèi)存。Geomagic studio軟件提供的點(diǎn)云精簡最簡單方法是設(shè)置一個采樣百分比,將整體數(shù)據(jù)均勻減少,但要注意觀察特征變化大的地方是否被誤精簡,否則需要按特征分塊后再精簡。精簡后的數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)的60%。
在生產(chǎn)過程中,為了確保制造精度會預(yù)留加工余量,這些余量在最后都會被去除,比如本研究構(gòu)架上的彈簧座區(qū)域需要機(jī)械加工序找平。由于在焊接和熱處理過程會采集到這些數(shù)據(jù),因此評價之前要根據(jù)設(shè)計(jì)模型去除。構(gòu)架焊接工序采集數(shù)據(jù)預(yù)處理后的點(diǎn)云模型如圖3(b)所示。
將構(gòu)架設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入到Geomagic-qualify軟件作為誤差評價的參考模型(基準(zhǔn)),分別將構(gòu)架焊接和熱處理兩道工序采集并預(yù)處理后的點(diǎn)云導(dǎo)入上述軟件,作為測量對象進(jìn)行偏差分析,進(jìn)而評價構(gòu)架在制造過程中的變形。
由于構(gòu)架在焊接和熱處理后主要的變形集中在兩根側(cè)梁的垂直方向,為了觀察構(gòu)架的彎曲趨勢以及變形狀況,需要遵循設(shè)計(jì)基準(zhǔn)進(jìn)行模型對齊。首先,在構(gòu)架點(diǎn)云導(dǎo)入模型兩根側(cè)梁上蓋板表面擬合一個水平面;其次,測量出兩根側(cè)梁之間的距離,在中間創(chuàng)建一個鉛垂面,使用特征對齊對兩個平面創(chuàng)建組進(jìn)行對齊,兩個平面共同約束了構(gòu)架的5個自由度。在構(gòu)架的最后一個自由度上使用最佳擬合對齊,軟件不斷計(jì)算調(diào)整點(diǎn)云和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)匹配,直到在最后一個自由度上的誤差最小[10]。
利用Qulify軟件的3D比較功能,實(shí)現(xiàn)對齊點(diǎn)云的誤差比較,可以全方位了解構(gòu)架的變形狀況。結(jié)果通過色譜區(qū)分,根據(jù)檢測精度的要求,自定義顏色的數(shù)量,顏色顯示的越多則結(jié)果越精確。首先,使用構(gòu)架試件焊接工序點(diǎn)云模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對比,即設(shè)計(jì)模型作為參考,構(gòu)架試件焊接后的模型作為測試對象,評價焊接工序的構(gòu)架變形;其次,以焊接后的點(diǎn)云模型作為參考,熱處理后的點(diǎn)云模型作為測試對象,評價熱處理工序的構(gòu)架變形。筆者采用標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均偏差分析構(gòu)架的變形趨勢。平均偏差反映了構(gòu)架在不同制造階段變形量的大小,標(biāo)準(zhǔn)偏差反映了誤差數(shù)據(jù)的離散程度。圖4為試件B退火前后的3D誤差比較云圖。構(gòu)架A,B,C焊接和退火后測量評價結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1偏差數(shù)據(jù)對構(gòu)架不同制造階段的變形進(jìn)行分析。結(jié)果顯示,焊接工序的平均偏差遠(yuǎn)大于退火工序的平均偏差,表明退火工序?qū)?gòu)架變形改善效果有限,退火后的3D平均偏差改善量小于0.58 mm。
圖4 構(gòu)架B退火前的3D誤差比較Fig.4 3D error comparison of frame B in welding
表1 試件A,B,C 制造過程中的3D誤差比較Tab.1 3D error comparison for A,B,C in manufacturing processes mm
為判斷標(biāo)準(zhǔn)差與平均偏差結(jié)果是否一致,使用F檢驗(yàn)與t檢驗(yàn)
(4)
其中:s1,s2分別為兩樣本的標(biāo)準(zhǔn)差。
(5)
其中:n1,n2分別為兩樣本容量。
用式(4),(5)分別對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn),試件A與試件B退火后的偏差數(shù)據(jù)得出的結(jié)果如表2所示??梢姡跈z驗(yàn)水準(zhǔn)a=0.05時,不拒絕平均偏差與標(biāo)準(zhǔn)偏差的一致性假設(shè)。
表2標(biāo)準(zhǔn)差與平均偏差一致性分析
Tab.2Consistencyanalysisofstandarddeviationandaveragedeviation
參數(shù)AB平均偏差1.501.67標(biāo)準(zhǔn)差1.921.86自由度3435F值1.0655F臨界值2.1114t值1.3559t臨界值1.676
構(gòu)架四角高差是評價一個構(gòu)架變形量是否合格的重要標(biāo)志,四角高差不合格直接影響車輛裝配工序的基準(zhǔn)。本案除了完成構(gòu)架四角高差評價,還將利用此測量結(jié)果與生產(chǎn)現(xiàn)場評價結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證本研究方法的正確性。
測定構(gòu)架四角高差的四點(diǎn)位置定義如圖5所示,即左右側(cè)架中心線分別與牽引梁中心線和支撐梁中心線的4個交點(diǎn)。熱處理后,評價四角高差合格要求:4個點(diǎn)中的最高點(diǎn)或最低點(diǎn)相對設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的差值小于等于4mm,否則就要進(jìn)行壓力校正處理。將圖6右上方的點(diǎn)設(shè)為點(diǎn)1,沿其順時針方向分別為點(diǎn)2、點(diǎn)3和點(diǎn)4,利用之前對齊的坐標(biāo)系關(guān)系,分別在上述4點(diǎn)對構(gòu)架A,B,C試件進(jìn)行高差測量。結(jié)果表明,構(gòu)架A四角高差為3.46 mm,構(gòu)架B為3.02 mm均合格,而構(gòu)架C為7.69 mm。超差生產(chǎn)現(xiàn)場反饋結(jié)果表明,試件C的四角高差超差,評價為不合格,需要壓力校正,與筆者分析結(jié)果一致。
圖5 構(gòu)架四角高差測定位置Fig.5 Four-angular height difference measuring positions
提出了由MaxShot光學(xué)攝影測量系統(tǒng)對大型構(gòu)架進(jìn)行整體坐標(biāo)系建立,用HandyScan 700三維光掃描儀進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速精確采集,以構(gòu)架設(shè)計(jì)基準(zhǔn)進(jìn)行點(diǎn)云對齊,結(jié)合Geomagic軟件平臺進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理以及制造誤差分析與評價的系統(tǒng)化方法。案例研究表明,此方法在生產(chǎn)現(xiàn)場可方便地對大型構(gòu)架的變形進(jìn)行快速、全面和精確的實(shí)時測量與分析,為該類產(chǎn)品制造質(zhì)量的監(jiān)控提供了新手段。分析得出了構(gòu)架在不同制造階段的3D變形信息,四角高差評價與生產(chǎn)實(shí)際中的傳統(tǒng)檢測結(jié)果一致,證明了這種測量和分析方法的正確性。構(gòu)架制造過程各工序的3D誤差信息表明,焊接工序是影響構(gòu)架變形的主要因素,而退火工藝對構(gòu)架變形的影響有限,3D平均偏差改善量小于0.58mm,遠(yuǎn)不及經(jīng)驗(yàn)描述的顯著。該結(jié)論為縮短退火時間、降低生產(chǎn)成本與能耗提供了科學(xué)依據(jù)。
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