三維掃描在缸體缸蓋鑄件檢測(cè)和機(jī)加工以及模具制作中的典型應(yīng)用

代衛(wèi)華，杜 波，周 璐，翟衛(wèi)東，代 超

（1.亞新科國(guó)際鑄造（山西）有限公司，山西 運(yùn)城 043605；2.山西中設(shè)華晉鑄造有限公司，山西 運(yùn)城 043605；3.青特集團(tuán)有限公司，山東 青島 266000）

隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，三維掃描在鑄造行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，幾乎成為鑄件檢測(cè)的標(biāo)配。以汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋鑄件檢測(cè)為例，以前的手工劃線(xiàn)檢測(cè)由于速度慢、精度低、穩(wěn)定性差、勞動(dòng)強(qiáng)度高等原因已經(jīng)被逐步淘汰，三坐標(biāo)檢測(cè)和三維掃描檢測(cè)正在成為主流。特別是三維掃描檢測(cè)以其全面性尤其是對(duì)曲面的檢測(cè)具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。本文詳細(xì)介紹三維掃描在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋檢測(cè)、加工以及模具制作中的典型應(yīng)用。

1 三維掃描儀的分類(lèi)和選擇

三維掃描儀可分為接觸式和非接觸式兩大類(lèi)，像三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)就屬于接觸式三維掃描儀。人們?nèi)粘９ぷ髦姓f(shuō)的三維掃描通常多指非接觸式三維掃描，一般包括結(jié)構(gòu)光和非結(jié)構(gòu)光兩大類(lèi)。結(jié)構(gòu)光包括白光拍照式和藍(lán)光拍照式，以藍(lán)光拍照式居多；非結(jié)構(gòu)光即激光，分為點(diǎn)式、線(xiàn)式和面式。拍照式掃描的特點(diǎn)是掃描細(xì)節(jié)好，精度高，但對(duì)顏色有要求（透明、反光等掃不了，一般工件上需要噴一層薄薄的顯像劑），適合中小型工件掃描，如圖1 所示為藍(lán)光拍照掃描儀。激光式掃描的特點(diǎn)是不受工件顏色影響，手持操作方便，但細(xì)節(jié)不是很好，適合中大型工件掃描，如圖2 所示為?？怂箍店P(guān)節(jié)臂激光掃描儀。一般對(duì)于大曲面的數(shù)據(jù)，兩者差別不大，對(duì)于特征豐富的工件，藍(lán)光拍照式掃描效果更好。所以對(duì)于鑄件掃描來(lái)說(shuō)，以藍(lán)光拍照式掃描效果最佳，線(xiàn)激光掃描效果也可以，特別是便攜性更好。

圖1 藍(lán)光拍照掃描儀

圖2 ?？怂箍店P(guān)節(jié)臂激光掃

2 鑄件、模具、砂芯的尺寸和形狀的符合性檢測(cè)

在整個(gè)鑄造用三維掃描工作中，最常見(jiàn)的就是對(duì)鑄件、模具、砂芯等工件的尺寸、形狀的符合性檢測(cè)，以下以一個(gè)缸體檢測(cè)為例介紹三維掃描儀的應(yīng)用。

2.1 采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)

藍(lán)光掃描儀掃描工件時(shí)，工件表面不僅需要噴一層薄薄的顯像劑，而且有時(shí)還需要貼標(biāo)記點(diǎn)。貼標(biāo)記點(diǎn)時(shí)要注意:1）標(biāo)記點(diǎn)要貼的無(wú)序，特別是不能在一條線(xiàn)上，否則會(huì)出現(xiàn)無(wú)法擬合的情況；2）大型工件在翻轉(zhuǎn)時(shí)可能會(huì)發(fā)生劇烈震動(dòng)，這時(shí)工件上的標(biāo)記點(diǎn)可能會(huì)脫落或損壞，導(dǎo)致工件翻轉(zhuǎn)后無(wú)法接著掃描擬合；3）一些復(fù)雜的曲面或狹窄的曲面處可能需要貼更多的標(biāo)記點(diǎn)，但是標(biāo)記點(diǎn)本身又阻礙掃描儀采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)致采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與真實(shí)的曲面偏差變大；4）使用標(biāo)記點(diǎn)的費(fèi)用較高，一般在0.2 元～1.0 元/個(gè)。所以，一般不貼標(biāo)記點(diǎn)而是采用手動(dòng)擬合的方式，這種方式看似麻煩，其實(shí)比貼標(biāo)記點(diǎn)的方式也慢不了多少。掃描的每一幅初始文件需要對(duì)齊排列，然后合并，之后得到點(diǎn)云文件如圖3 所示。

圖3 缸體三維掃描點(diǎn)云文件

圖4 缸體三維數(shù)模和RPS 基準(zhǔn)點(diǎn)

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)與三維數(shù)模擬合

掃描儀掃描完工件后，一般輸出的是stl 格式的點(diǎn)云文件，將此點(diǎn)云文件輸入到Geomagic Control中，與三維數(shù)模（見(jiàn)圖4）進(jìn)行擬合，然后對(duì)比出報(bào)告。一般情況，對(duì)于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋鑄件來(lái)說(shuō)，客戶(hù)需要的是RPS 基準(zhǔn)擬合報(bào)告，因?yàn)楦左w缸蓋在機(jī)加時(shí)都是用毛坯的RPS 基準(zhǔn)夾緊工件然后加工出機(jī)加基準(zhǔn)的，所以一般的擬合順序是:手動(dòng)多點(diǎn)擬合→最佳擬合→在點(diǎn)云文件上創(chuàng)建RPS 基準(zhǔn)點(diǎn)→用RPS 基準(zhǔn)點(diǎn)擬合點(diǎn)云文件和三維數(shù)?！鰣?bào)告。當(dāng)然，首先要根據(jù)客戶(hù)給的信息在三維數(shù)模上創(chuàng)建RPS 基準(zhǔn)點(diǎn)，如圖4 所示。通過(guò)RPS 擬合后出報(bào)告，一般需要將各個(gè)RPS 基準(zhǔn)點(diǎn)的偏差點(diǎn)標(biāo)出來(lái)，如圖5 所示，以便讓閱者確認(rèn)此報(bào)告是RPS基準(zhǔn)擬合的，一般的報(bào)告形式如圖6 所示。有時(shí)候，產(chǎn)品工程師可能還需要最佳擬合報(bào)告分析數(shù)據(jù)，所以，最好在進(jìn)行到最佳擬合時(shí)先出一份報(bào)告。

圖5 RPS 基準(zhǔn)擬合后部分基準(zhǔn)點(diǎn)

圖6 RPS 基準(zhǔn)擬合報(bào)告

2.3 鑄件解剖檢測(cè)內(nèi)腔

缸體、缸蓋如果不解剖，其內(nèi)部的水道、油道、渦輪殼內(nèi)側(cè)等處是掃描不到的，所以在進(jìn)行新產(chǎn)品試制或批量生產(chǎn)較長(zhǎng)時(shí)間后，都需要對(duì)缸體缸蓋進(jìn)行解剖掃描，以期對(duì)鑄件形位尺寸有更全面的了解。掃描的切片點(diǎn)云文件要與未解剖的鑄件外觀(guān)的點(diǎn)云文件進(jìn)行最佳擬合。圖7 為某型缸體解剖后掃描擬合拼接圖，切片掃描報(bào)告形式如圖8 所示。解剖鑄件時(shí)要注意以下幾點(diǎn):1）鑄件解剖前必須先掃描外觀(guān)；2）比較大（700 mm 以上）的缸蓋應(yīng)該先從最長(zhǎng)方向的中間剖開(kāi)，然后再分層剖切；3）盡量避免剖切出太長(zhǎng)、太薄、開(kāi)環(huán)的切片，否則鑄件的殘余應(yīng)力會(huì)讓切片變形。還應(yīng)注意，掃描出的切片點(diǎn)云文件應(yīng)與RPS 基準(zhǔn)擬合后的工件外觀(guān)點(diǎn)云文件擬合，并應(yīng)根據(jù)情況采用適當(dāng)?shù)臄M合方式，去掉不相關(guān)的點(diǎn)云，以免擬合時(shí)受到干擾。

圖7 缸體切片圖

圖8 缸體切片擬合報(bào)告

3 擬合掃描數(shù)據(jù)，反向調(diào)整數(shù)控機(jī)床，指導(dǎo)機(jī)加工生產(chǎn)

筆者公司有一K19 缸蓋產(chǎn)品，其毛坯基準(zhǔn)都在外模上，但是要求進(jìn)、排氣道及水道的形狀位置公差都要在±0.76 mm 范圍內(nèi)，要求比較苛刻。在澆注時(shí)，外模與砂芯之間總會(huì)出現(xiàn)微小的浮動(dòng)，也就是說(shuō)鑄件的氣道位置尺寸存在波動(dòng)。

如果能夠確認(rèn)這個(gè)波動(dòng)范圍，就可以通過(guò)調(diào)整數(shù)控機(jī)床的卡具位置尺寸，來(lái)達(dá)到最佳的機(jī)加工結(jié)果。為確認(rèn)這種波動(dòng)范圍，一開(kāi)始用三坐標(biāo)檢測(cè)確定，因?yàn)槿鴺?biāo)非常適合大批量檢測(cè)，速度很快。但是由于氣道形狀復(fù)雜，很多曲面上和內(nèi)部的尺寸無(wú)法檢測(cè)到，而且公差范圍又小，所以確認(rèn)起來(lái)非常困難，經(jīng)常是三坐標(biāo)檢測(cè)尺寸符合，機(jī)加后用掃描儀檢測(cè)氣道內(nèi)部仍有超差，結(jié)果不僅沒(méi)有達(dá)到目的，而且造成了很多廢品。

后來(lái)決定用掃描儀檢測(cè)一定數(shù)量的毛坯，雖然速度比三坐標(biāo)慢，但是掃描儀掃描的數(shù)據(jù)更全面，曲面也能檢測(cè)，而且在擬合時(shí)可以通過(guò)調(diào)整三維數(shù)模的坐標(biāo)系使得毛坯點(diǎn)云和三維數(shù)模擬合在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)（±0.76 mm），然后反向調(diào)整數(shù)控機(jī)床卡具位置尺寸，就可以加工出合格的產(chǎn)品。圖9 為某K19缸蓋RPS 擬合偏差報(bào)告，經(jīng)過(guò)逐步調(diào)整三維數(shù)模坐標(biāo)系，得到如圖10、圖11、圖12 這樣的擬合結(jié)果，然后按照?qǐng)D12 確定的調(diào)整尺寸調(diào)整數(shù)控機(jī)床，即可加工出合格產(chǎn)品。相對(duì)于三坐標(biāo)檢測(cè)，這種調(diào)整方式基本不會(huì)產(chǎn)生廢品，極大地節(jié)約了成本。

圖9 K19 缸蓋調(diào)整前RPS 基準(zhǔn)擬合

圖10 K19 缸蓋數(shù)模坐標(biāo)調(diào)整（x+0.2，y-0.1）

圖11 K19 缸蓋數(shù)模坐標(biāo)調(diào)整（x+0.5，y-0.1），調(diào)整到位

調(diào)整尺寸數(shù)據(jù)在積累到一定數(shù)量后，就可以找到一個(gè)合適的調(diào)整值，相當(dāng)于氣道位置尺寸波動(dòng)范圍的中間值，找到這個(gè)值后，機(jī)加廢品率大幅降低，目前這個(gè)產(chǎn)品已是客戶(hù)免檢產(chǎn)品。

4 模具修改后掃描點(diǎn)云，逆向三維數(shù)模，做新模具

新模具投入使用后，在生產(chǎn)過(guò)程中可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些非關(guān)鍵區(qū)域不易澆注等問(wèn)題，模具需要進(jìn)行小幅度修改，甚至一些正在使用的模具也可能因?yàn)楦鞣N原因需要做局部的小修改，這時(shí)，由于模具制作費(fèi)用高昂，一般不會(huì)輕易重新購(gòu)買(mǎi)新模具，而是對(duì)有問(wèn)題的模具修改后繼續(xù)使用。這樣，模具到了使用壽命時(shí)，可能模具和剛開(kāi)始的形狀相比已經(jīng)變了不少，如果再使用剛開(kāi)始的三維數(shù)模制作新模具，局部形狀偏差就會(huì)很大。

通過(guò)在模具修改后對(duì)模具進(jìn)行掃描備份，如圖13、圖14 所示，在需要制作新模具時(shí)把掃描備份的模具點(diǎn)云逆向成三維數(shù)模，然后用這個(gè)三維數(shù)模制作新模具，這樣做出的新模具更符合生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

1）三維掃描檢測(cè)評(píng)定由于比較直觀(guān)、全面、科學(xué)，特別是對(duì)鑄件曲面、內(nèi)腔等的檢測(cè)，具有不可替代的作用，相比于傳統(tǒng)手工劃線(xiàn)或三坐標(biāo)檢測(cè)，具有很大優(yōu)勢(shì)，非常適合缸體缸蓋鑄件的內(nèi)、外表面位置及形狀尺寸的檢測(cè)。

圖12 機(jī)加后用機(jī)加基準(zhǔn)擬合的結(jié)果

圖13 4.5L 缸蓋上芯盒掃描點(diǎn)云文件

圖14 3306 缸蓋進(jìn)氣道下芯盒掃描點(diǎn)云文件

2）通過(guò)調(diào)整坐標(biāo)系，可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)模擬數(shù)控機(jī)床卡具基準(zhǔn)，從而指導(dǎo)機(jī)加工生產(chǎn)。

3）可以對(duì)模具修改進(jìn)行掃描備份，利用掃描備份的模具點(diǎn)云逆向成三維數(shù)模，然后用這個(gè)三維數(shù)模制作新模具可以降低模具制作時(shí)間和成本。