關(guān)節(jié)臂式三維測量對復雜鑄件驗收的應用 *

張志剛，李 星，李 松，陳 曦，何東科，張博偉，王 剛

(1. 北京空間機電研究所，北京 100094；2. 北京市航空智能遙感裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100094)

0 引言

復雜鑄件相比傳統(tǒng)去除材料加工方法，可節(jié)約材料和加工成本，已在航天、航空、飛機、船舶等制造業(yè)中得到廣泛應用。隨著航天產(chǎn)品的高軌深空大型化發(fā)展，大型復雜鑄件需求增大，其發(fā)展技術(shù)是宇航制造技術(shù)發(fā)展的方向之一。目前，受鑄造工藝水平的限制，同時為確保鑄件符合圖紙及后續(xù)加工要求，鑄件加工完成后需要進行加工余量分配和工藝優(yōu)化，即在鑄件正式開始機械加工前要進行鑄件驗收工作。目前驗收的主要手段仍是以傳統(tǒng)的鉗工劃線方法為主[1-3]，即鉗工、檢驗員在充分理解圖紙的基礎(chǔ)上，利用劃線平臺、方箱、直角尺、劃線針、千斤頂、平板尺等劃線工具，按照圖紙要求，以非加工表面為劃線基準、用劃線針在鑄件表面劃出外形輪廓尺寸、加工界限，按線型輪廓形貌測量鑄件余量是否符合設(shè)計及后續(xù)加工要求[4-6]。

隨著三維軟件的廣泛應用，鑄件的形狀也由原來的“規(guī)則六方體”向三維數(shù)?？臻g角度發(fā)展，尤其是航天產(chǎn)品，在保證產(chǎn)品使用性能的前提下，需要盡可能考慮減重的問題，零件因減重設(shè)計出很多復雜的內(nèi)外形減輕結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品具有尺寸大、結(jié)構(gòu)復雜、空間角度多、內(nèi)外形多槽/腔等特點。而受劃線設(shè)備的局限性，復雜曲面、圓弧面、空間角度面等劃線和檢測難度越來越高，對操作人員手工劃線的技能要求越來越高，實現(xiàn)難度越來越大，特別是大型空間角度復雜零件，零件需要多次翻轉(zhuǎn)、安置，反復裝夾，對操作者的體力要求更大、耗時更長，費時費力，且難以達到滿意的驗收效果[7]。

隨著工業(yè)檢測需求的不斷增長，基于操作方便、測量范圍大、重量輕、體積小、便于攜帶、價格便宜等特點，使得非正交測量系統(tǒng)中關(guān)節(jié)臂式柔性測量——便攜式關(guān)節(jié)臂三維測量，在對復雜鑄件的測量驗收中起到越來越明顯的作用，其可在利用產(chǎn)品最終三維數(shù)模的條件下，通過對鑄件實體采集各點，與三維數(shù)模進行對比吻合，從而判定鑄件尺寸的偏差，有效解決鉗工劃線遇到的難題。

便攜式關(guān)節(jié)臂三坐標測量從20世紀80年代末開始有了長足發(fā)展，20世紀90年代在歐美工業(yè)國逐步得到使用。目前，國外在這一領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，美國CIMCORE公司、FARO 公司以及法國的ROMER 公司是這一領(lǐng)域的領(lǐng)導者，CIMCORE和ROMER 都是?？怂箍导瘓F旗下的子品牌，該三家公司的產(chǎn)品根據(jù)測量半徑等級分為不同的精度等級。國際上對關(guān)節(jié)坐標的精度還沒有一個統(tǒng)一的評定標準。

國內(nèi)從20世紀90年代開始，以天津大學為首對三坐標測量和關(guān)節(jié)臂展開了研究，在理論研究上取得一定的成果，且也有了國產(chǎn)獨立自主品牌，但由于結(jié)構(gòu)工藝和基本元器件性能上的差異，目前以如洋為代表的關(guān)節(jié)臂只面向中低端市場，總體水平上還與國外產(chǎn)品有一定差距?？傊瑖鴥?nèi)關(guān)節(jié)臂測量市場仍為國外產(chǎn)品壟斷，國產(chǎn)品牌要完全改變這種狀況仍有很長的路要走[8]。

本文結(jié)合關(guān)節(jié)臂式三維測量系統(tǒng)在航天產(chǎn)品中的實際工程應用，采用了一種對大尺寸復雜鑄件形貌檢測的新工具，可有效減輕鉗工劃線的工作量和工作難度，同時也是提高工作效率的一種新方法。

1 關(guān)節(jié)臂式三維測量

關(guān)節(jié)臂式三維測量系統(tǒng)屬于非接觸式三坐標測量系統(tǒng)中的一種，其動作模式屬于機器人關(guān)節(jié)臂式測量系統(tǒng)，其空間運動軌跡符合機器人學的相關(guān)理論。其測量原理是：由三坐標測量機的關(guān)節(jié)臂帶動其末端的傳感器或掃描待測物體表面，實時測得各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，并根據(jù)機器人運動學原理，計算出測頭的空間位置和姿態(tài)，從而得出被測物體表面在測量系統(tǒng)中的坐標系X、Y、Z坐標值，即被測曲面重構(gòu)所需的代表物體表面信息的點云數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)軟件重構(gòu)三維模型。

關(guān)節(jié)臂式三維測量系統(tǒng)由通用檢測支撐平臺、關(guān)節(jié)臂式三維測量機、計算機設(shè)備、軟件系統(tǒng)和輔助設(shè)備等組成。其具備以下特點：

(1)配備無線通訊技術(shù)以及鋰電池，攜帶方便，適用于現(xiàn)場驗收和外出驗收；

(2)外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計人性化，內(nèi)嵌式雙平衡系統(tǒng)，平衡掉測量臂身的大部分自重；

(3)測量精度可靠穩(wěn)定，系統(tǒng)采用絕對編碼器技術(shù)，可消除之前對編碼器復位的要求，實現(xiàn)開機即可測量，自動識別測頭而不需要重新校正，可大幅提高測量精度和穩(wěn)定性；

(4)測量軟件簡單易學，軟件采用便攜式觸測/激光掃描測量軟件 PolyWorks|Inspire，操作界面簡單易懂，具有初級鉗工理論水平的操作人員經(jīng)簡單培訓，即可上手操作。

(5)對比典型三坐標測量儀，環(huán)境要求寬松，可在10～40 ℃溫度范圍，濕度95%范圍內(nèi)正常測量[9]。

以上特點，使其使用的環(huán)境要求寬松，靈活性好，對操作者的技能水平要求不嚴苛。使用者根據(jù)實際應用需要，可選擇相應規(guī)格的測量范圍，通過更換測量頭，可將關(guān)節(jié)臂式測量機的靈活性與激光掃描測頭的實時曲面檢測能力完美的融合與一體，這對于不易移動的大型零件，或零件上一些使用接觸式測頭無法觸及的位置，以及柔軟、易碎或者材質(zhì)疏松、容易變形的零件的測量較為理想。圖1為典型的關(guān)節(jié)臂式三維測量系統(tǒng)設(shè)備組成圖。

尤其在大尺寸鑄件鉗工劃線方面，使用過程的基本思想是對比驗證，即通過測量按設(shè)計要求鑄造出廠的有一定加工余量的毛坯與該零件三維模型最終產(chǎn)品對比，驗證專用測量軟件中所使用的數(shù)學模型是否合理，軟件功能是否實現(xiàn)。操作人員牽引安裝在關(guān)節(jié)臂測量端的測量探頭，在物體表面的規(guī)定位置進行測量。角度傳感器安裝在在關(guān)節(jié)臂的關(guān)節(jié)上，隨著關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，角度傳感器可實時地給出相應的旋轉(zhuǎn)角度值，在已知臂長和各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度的情況下，配套的專業(yè)軟件可計算出所需測量點的空間三維坐標。將采集到的坐標點數(shù)據(jù)傳遞到針對被測項目而開發(fā)的專用處理軟件，可方便快捷得到模型對比誤差。關(guān)節(jié)臂式三維測量系統(tǒng)在測量前只要在通用檢測支撐平臺上做初始定標即可，系統(tǒng)帶有可移動的重復性安裝座和磁性座，后續(xù)可在檢測支撐平臺上直接使用，無需多次標定。首次定標如圖2所示。

圖1 關(guān)節(jié)臂式三維測量系統(tǒng)設(shè)備圖

(a) 系統(tǒng)精度測量

(b)初始定標

通過掃描涂有反差劑標準球的方式獲取工件二維投影信息，結(jié)合關(guān)節(jié)臂還原工件三維形貌。坐標系與關(guān)節(jié)臂末端坐標系之間的相對位置關(guān)系就是機器人特性的手眼關(guān)系，這種關(guān)系根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣的正交性的特性，理想的旋轉(zhuǎn)矩陣是完全正交化的，即標定位置關(guān)系是保持不變的。

對比鉗工劃線的精度0.25～0.5 mm，關(guān)節(jié)臂式三維測量系統(tǒng)的測量精度顯著提高。其中，以?？怂箍?Hexagon)關(guān)節(jié)臂式三維測量系統(tǒng)為例，通過實物檢測和產(chǎn)品測頭主要參數(shù)對比，紅寶石測頭的測量精度為0.044 mm，激光掃描儀測量精度可達0.029 mm。

2 在航天產(chǎn)品復雜鑄件檢測的工程應用

2.1 某型號遙感相機可見三鏡支撐架的測量

圖3為航天產(chǎn)品某型號遙感相機可見三鏡支撐架，該零件結(jié)構(gòu)復雜，除兩處相互垂直面外(圖示深色區(qū)域)，其余各面均為空間角度，受加工余料和形狀影響，傳統(tǒng)劃線法無法找出相關(guān)面的交點，不能準確確定相關(guān)面的空間角度關(guān)系，從而導致無法確定加工面的加工余料是否充足、非加工面的尺寸和加工面的位置關(guān)系，且由于鑄件形狀細長，長度方向因角度比例放大，累積誤差大，對鉗工劃線和驗收判斷的難度大。

(1)傳統(tǒng)劃線辦法及難點

將圖3所示相互垂直面固定后，通過兩個分度頭搭建一個簡易的三維空間，解決無法確定相關(guān)角度的問題，然后通過一個截面上的點配合分度頭旋轉(zhuǎn)角度確定其他面加工余料。兩個分度頭需配合旋轉(zhuǎn)，多次裝夾，這對鉗工的操作技能要求高，同時要具備有較好的空間想象能力；需要用到立體劃線技術(shù)，劃線時，工件要經(jīng)過多次安置，才能劃出所有加工需要的線，且每一次安置都必須重新找正。同時，對每個空間角度面，還需要單獨制作外形比較樣板進行對比，費時費力。而且劃線完成后，為保證質(zhì)量，還需要通過上數(shù)控機床，對比劃線按外形預留較大工藝余量銑削各空間面，驗證劃線的空間角度是否正確，誤差明顯的地方甚至需重新找正，重新劃線。

(2)關(guān)節(jié)臂式三維測量的解決方法

可見三鏡支撐架自然放置在工作平臺上，平面按鑄件自重與工作臺貼合，無需進行加固裝夾、以內(nèi)形任一非加工面為尺寸基準，建立工件坐標系，通過關(guān)節(jié)臂式三維測量系統(tǒng)對鑄件實物各面通過掃描儀進行非接觸式的層掃，將掃描后的三維模型，與設(shè)計提供的產(chǎn)品三維模型鑄件非加工基準面，進行基準重合(見圖4)，通過不同的外表色渲染區(qū)分，即可清晰地對比出鑄件各空間檢測出的實際鑄造余量是否滿足要求。具體的各曲面點的余量尺寸也可通過軟件設(shè)定的“名義值、測量值、偏差”直接查看數(shù)據(jù)。

關(guān)節(jié)臂式三維測量方式，操作人員易于操作，且余量分配狀況簡單直觀，可明顯減少鉗工劃線的工作量，同時節(jié)省了工裝制作和數(shù)控銑削加工驗證，大大節(jié)省了驗收時間，提高了空間復雜鑄件驗收效率。

(a)現(xiàn)場測量 (b)模型對比 (c)余量顯示

2.2 某型號阻尼桁架的測量

圖5為航天產(chǎn)品某型號的阻尼桁架，為避讓桁架內(nèi)的其余組件，除兩端的法蘭接口尺寸一致外，同一組內(nèi)的每個圓弧角度均不同，這造成在總體尺寸相差不大的情況下，利用傳統(tǒng)的鉗工劃線，二維圖紙與鑄件實物的一一對應難度大，柱狀圓弧段外形輪廓劃線難度大，余量分布很難判斷。

圖5 桁架模型圖

(1)傳統(tǒng)劃線辦法及難點

首先要通過多對V形鐵或C形夾鉗將桁架的圓弧段下端固定，調(diào)整兩端法蘭分別與劃線平臺垂直(或水平)；上端利用組合夾具搭壓板固定，通過分別劃出兩端法蘭外形的前提下，倒推各圓弧面的圓弧交點。劃線過程中兩端需要在圓弧實際相交空間虛點情況下、通過計算借尺寸，確定相交的圓弧中心點，過程利用的工裝多，且整個圓柱體圓周各方向余量分布很難判斷準確。

(2)關(guān)節(jié)臂式三維測量的解決方法

將桁架圓弧段在平臺上放置，兩端法蘭懸在平臺外，可利用V形鐵或靠塊防止測量過程中旋轉(zhuǎn)。固定位置后，首先根據(jù)測量需求，從整體數(shù)模中提取待測物體數(shù)模和坐標系，以桁架一端法蘭端面數(shù)模中建立基準點，提取基準點坐標，建立工件坐標系，然后以基準點坐標為尺寸驗收基準，完成整個外露輪廓的掃描，由于零件的圓弧特性此時只可能給得到一半的三維形貌；層掃完一面后，在原位置翻轉(zhuǎn)180°，從同一端面基準掃描，掃描剩余部分的桁架外形，最終所有外輪廓軌跡均完成掃描后，根據(jù)之前設(shè)定好的工件坐標系，通過軟件的數(shù)據(jù)處理，將重復掃描部分在坐標系上統(tǒng)一狀態(tài)，剔除測量數(shù)據(jù)的雜點和噪點，形成優(yōu)化重合后完整的實測三維模型，用與最終產(chǎn)品數(shù)模三維模型不同的外表色渲染，即可清楚地對比出鑄件圓柱體段圓周各尺寸的余量分布情況(見圖6)，由于工件坐標系是坐標系統(tǒng)一處理測量結(jié)果的唯一基礎(chǔ)，還可實現(xiàn)桁架鑄件實測模型與最終產(chǎn)品數(shù)模的相對移動，實現(xiàn)鑄造余量的借偏。

(a)桁架掃描模型與最終產(chǎn)品數(shù)模的對比

通過關(guān)節(jié)臂式三維測量的制造智能從感知-數(shù)據(jù)采集、解析-數(shù)據(jù)處理的先進測量方式[10]，可更清晰直觀地看到鑄件毛坯與最終產(chǎn)品的余量分配，及時判斷坯料的局部缺陷，為驗收判斷和后續(xù)的加工工藝安排提供直觀的參考數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

利用關(guān)節(jié)臂式三維測量具備“高速、非接觸、全流程”等特點，通過對航天產(chǎn)品空間大尺寸復雜鑄件的加工前驗收，提出一種可有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉗工劃線的方法，解決了以下問題：

(1)通過利用關(guān)節(jié)臂三維測量技術(shù)對空間復雜鑄件驗收，采取確定基準點，建立工件坐標系，測量實施，數(shù)據(jù)處理等步驟，可實現(xiàn)鑄件外形的三維軌跡掃描及余量分布情況分析，滿足鑄件驗收要求。

(2) 這種測量技術(shù)可直觀有效地測量出三維形貌，相比傳統(tǒng)的二維-三維-二維相互空間轉(zhuǎn)換的方式，在鑄件余量判斷方面，效果直觀。

(3)關(guān)節(jié)臂三維測量技術(shù)，能有效減少鉗工的工作難度和強度，消除諸多人為干擾因素，是對鑄件驗收檢測方法新的補充。

此方法的工程應用，可提高鑄件產(chǎn)品驗收的質(zhì)量和效率，對智能制造的行業(yè)發(fā)展、技術(shù)創(chuàng)新起到推進作用。