何 苗

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系 四川廣元 628017)

整體葉輪作為增壓傳遞能量的關(guān)鍵構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)，航天等領(lǐng)域。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體葉輪由前緣、葉片、流道、葉根等構(gòu)成，葉片多為扭曲的指紋面，且大多葉片較薄，曲面矢量變化大，這造成其加工難，檢測(cè)難。傳統(tǒng)的檢測(cè)方式使用檢測(cè)板，三坐標(biāo)檢測(cè)等[1]。檢測(cè)板檢測(cè)精度較低，三坐標(biāo)檢測(cè)精度較高，但葉輪復(fù)雜扭曲的葉片易造成檢測(cè)干涉，測(cè)量軌跡的高效生成，檢測(cè)干涉的有效避讓?zhuān)瑢?duì)檢測(cè)人員要求極高，且全尺寸檢測(cè)效率低，現(xiàn)有開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用葉輪檢測(cè)系統(tǒng)，效率高、精度高，但成本高，對(duì)于一些中小企業(yè)無(wú)法承受，由此探討基于Handscan700手持激光掃描儀的非接觸葉輪檢測(cè)方法。

1 非接觸掃描儀的選擇

非接觸掃描儀的選擇首先要考慮產(chǎn)品加工檢測(cè)精度的范圍，設(shè)備的檢測(cè)精度必須要高于檢測(cè)要求，才能實(shí)現(xiàn)有效檢測(cè)，然后考慮檢測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性，可靠性，實(shí)用性，綜合考慮確定掃描儀的選擇。Handscan700是 3D 測(cè)量技術(shù)和工程服務(wù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)加拿大 Creaform公司推出的便攜式激光掃描儀檢測(cè)設(shè)備主要參數(shù)如表1所示，其特點(diǎn)具有掃描自定位能力，無(wú)需外部定位系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)時(shí)可移動(dòng)部件，表面采集實(shí)時(shí)渲染，算法先進(jìn)，掃描效率高、穩(wěn)定性好、精度高。

表1 設(shè)備參數(shù)表

2 葉輪的數(shù)據(jù)采集

1）葉輪對(duì)象的表面處理

本次掃描葉輪加工材料為2A12，切削性能好，主要制作各種高負(fù)荷的零構(gòu)件，加工后有金屬光澤，為了更好的保證檢測(cè)質(zhì)量，對(duì)其表面進(jìn)行處理，去除加工中產(chǎn)生的毛刺，清理工件表面，切削液、切屑，有條件可在無(wú)塵環(huán)境中采用白色顯像劑DPT-5在工件表面噴涂，在工件表面形成對(duì)比度增強(qiáng)層，形成良好的漫反射，以獲得高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。使用前將顯像劑搖勻，對(duì)被檢工件保持距離200 mm～300 mm處均勻噴涂，表面噴涂時(shí)需要注意噴涂均勻，在工件表面形成均勻薄層，防止在工件表面形成顯像劑的堆疊，影響檢測(cè)。噴涂表面如圖1所示。

2）掃描儀的校準(zhǔn)配置

為確保良好的數(shù)據(jù)質(zhì)量，在項(xiàng)目開(kāi)始前對(duì)掃描儀進(jìn)行校準(zhǔn)，設(shè)備連接好后，啟動(dòng) VXelements軟件，將校準(zhǔn)板放置好，進(jìn)入掃描儀校準(zhǔn)菜單，校準(zhǔn)時(shí)首先在垂直方向不同高度測(cè)量，然后左右傾斜角度測(cè)量，前后傾斜角度測(cè)量，校準(zhǔn)時(shí)掃描儀必須指向校準(zhǔn)板中心，即圓圈所示的位置，并應(yīng)將紅線掃描儀的高度和方向?qū)R到綠色矩形內(nèi)[2]，如圖2所示。然后配置參數(shù)，根據(jù)待掃描表面的類(lèi)型配置傳感器快門(mén)時(shí)間。配置時(shí)可采用自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，確保傳感器與掃描表面垂直，激光線完全平鋪在要掃描的表面上，直至“優(yōu)化參數(shù)”消息消失，單擊“應(yīng)用”，然后單擊“確定”完成掃描配置。

圖1 葉輪表面處理

圖2 校準(zhǔn)界面

3）標(biāo)點(diǎn)的貼放

為了準(zhǔn)確的采集葉輪流道的數(shù)據(jù)，防止標(biāo)點(diǎn)擬合產(chǎn)生的誤差，通過(guò)輪廓的分析，將標(biāo)點(diǎn)貼放在工件周?chē)晚斊矫?，在掃描過(guò)程中必須確保工件和外部標(biāo)點(diǎn)不發(fā)生移動(dòng)，為此采用了黑色圓盤(pán)形的底座，將工件放置在中間位置，標(biāo)記點(diǎn)呈現(xiàn)三角狀均勻分布，確保采集時(shí)標(biāo)點(diǎn)定位的連續(xù)性。標(biāo)點(diǎn)貼放的時(shí)候注意不在曲率高的地方貼放標(biāo)點(diǎn)，不在邊緣處，或特征密集處貼放標(biāo)點(diǎn)，標(biāo)點(diǎn)間距20 mm～100 mm，不要成組堆放，不要線性貼放，考慮以上因素，標(biāo)記點(diǎn)貼放如圖3所示。

圖3 標(biāo)記點(diǎn)貼放

4）葉輪數(shù)據(jù)的采集

新建會(huì)話，建立項(xiàng)目，首先掃描定位標(biāo)點(diǎn)，標(biāo)點(diǎn)類(lèi)型為黑色周圈，使用掃描儀掃描貼放好標(biāo)點(diǎn)的黑色圓盤(pán)形底座，定位標(biāo)點(diǎn)的位置，紅色為關(guān)聯(lián)的標(biāo)點(diǎn)，藍(lán)色標(biāo)點(diǎn)為不相關(guān)聯(lián)，要整體掃描構(gòu)件，需合理添加標(biāo)點(diǎn)，使所有標(biāo)點(diǎn)關(guān)聯(lián)。采用優(yōu)化定位模式，可獲得更精確的模型?？蓪⒍ㄎ粯?biāo)點(diǎn)另存為txt格式文件，在沒(méi)有更改標(biāo)點(diǎn)的情況下可重復(fù)調(diào)用。掃描時(shí)保證光線在綠色區(qū)域，確保每個(gè)區(qū)域同時(shí)有4個(gè)可見(jiàn)標(biāo)點(diǎn)。定位標(biāo)點(diǎn)如圖4所示。然后開(kāi)始掃描葉輪，將噴涂好的葉輪居中放到黑色圓盤(pán)底座上，使標(biāo)點(diǎn)均布其四周。放置好后，因?yàn)閽呙璨捎玫耐獠繕?biāo)點(diǎn)，所以掃描時(shí)不能移動(dòng)葉輪和底座，確保其放置位置不發(fā)生任何改變。開(kāi)始掃描部件，設(shè)置好掃描參數(shù)，分辨率0.2，分辨率是指?jìng)鞲衅骺梢圆杉募?xì)節(jié)詳盡水平，分辨率數(shù)值越低，細(xì)節(jié)越詳盡，存儲(chǔ)點(diǎn)數(shù)據(jù)越大，耗時(shí)越長(zhǎng)，根據(jù)產(chǎn)品檢測(cè)要求合理設(shè)置分辨率數(shù)值，掃描時(shí)采集時(shí)只移動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，在掃描時(shí)首先采用在 7 束激光十字線掃描主體部分，同時(shí)掃描距離保持在30 cm，掃描儀頂部LED燈呈綠色，軟件界面距離指針在綠色區(qū)域居中最佳，掃描儀必須盡量與表面垂直，掃描入射角越大，定位模型的精確度越高。同時(shí)對(duì)齊掃描攝像頭，使這兩個(gè)攝像頭都能夠拍攝到同一束激光線，對(duì)葉片細(xì)節(jié)部分的掃描可使用單束激光采集，單束激光功率高，掃描得到更好的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，最后通過(guò)軟件可視化的掃描呈現(xiàn)，對(duì)缺陷處重復(fù)掃描，補(bǔ)足細(xì)節(jié)處，完成整個(gè)葉輪掃描，導(dǎo)出葉輪的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖4 定位標(biāo)點(diǎn)

圖5 葉輪點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3 葉輪的數(shù)據(jù)處理

將掃描的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Studio軟件中進(jìn)行處理。采樣比率 100%，點(diǎn)云進(jìn)行著色點(diǎn)，創(chuàng)建標(biāo)記點(diǎn)所在平面1和葉輪圓柱面軸1，使用對(duì)齊到全局命令，平面1配對(duì)XY面，軸1配對(duì)Z軸，將坐標(biāo)系擺正，使用橢圓選擇工具選中葉輪點(diǎn)云，反轉(zhuǎn)選區(qū)，刪除選中紅色區(qū)域點(diǎn)云，如圖6所示。選擇斷開(kāi)組件連接。分割設(shè)置 5，非連接項(xiàng)的點(diǎn)數(shù)低于模型點(diǎn)數(shù)的 5% 以下，才會(huì)被選中，刪除選中點(diǎn)云。選擇體外孤點(diǎn)，敏感度 100，使用三次達(dá)到最佳效果。使用減少噪音命令，選擇棱柱形（保守），迭代3次，保留葉輪邊緣細(xì)節(jié)的準(zhǔn)確度。采用色譜分析減少噪音發(fā)生的偏差，平均距離0.057 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.0053 mm，符合要求，然后使用統(tǒng)一采樣命令，絕對(duì)間距0.04 mm，保持邊界，曲率適中，稀釋點(diǎn)云，保存點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖6 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

圖7 葉輪處理后點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4 葉輪模型的比對(duì)

1）掃描數(shù)據(jù)與參考模型對(duì)齊

將Geomagic Control軟件打開(kāi)，分別導(dǎo)入處理好的掃描葉輪點(diǎn)云，并著色，導(dǎo)入原始葉輪模型iges格式，然后對(duì)齊模型。參考模型和掃描模型對(duì)齊的精度對(duì)檢測(cè)有極大的影響，為了提高對(duì)齊的精度，采用復(fù)合對(duì)齊的方法，首先在參考模型 CAD上根據(jù)葉輪的特點(diǎn)創(chuàng)建參考圓柱A、圓柱B、平面C,然后選擇掃描模型數(shù)據(jù)，自動(dòng)創(chuàng)建特征，選擇進(jìn)行一致性對(duì)齊，高精度擬合。完成特征創(chuàng)建后，采用基于特征的對(duì)齊方式進(jìn)行粗對(duì)齊，對(duì)齊時(shí)選擇創(chuàng)建的特征進(jìn)行配對(duì)，觀察統(tǒng)計(jì)結(jié)果，部分約束，偏差在允許范圍內(nèi)，確定退出，如圖8所示。再進(jìn)行精確對(duì)齊，采用最佳擬合方式，選擇檢查對(duì)稱(chēng)性，高精度擬合，自動(dòng)消除偏差選項(xiàng)，分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果，平均錯(cuò)誤0.035 mm左右，完成掃描數(shù)據(jù)與參考模型的對(duì)齊，如圖9所示。

圖8 基于特征對(duì)齊

圖9 最佳擬合對(duì)齊

2）3D分析

進(jìn)入分析界面，選擇3D比較，以結(jié)果對(duì)象的形式創(chuàng)建出葉輪三維彩色偏差圖量化兩者的偏差[3]，選擇顏色參考，顏色偏差選項(xiàng)，顯示偏差點(diǎn)，應(yīng)用后根據(jù)需求調(diào)整色譜。再創(chuàng)建注釋?zhuān)瑸榱烁_的檢測(cè)，首先在UG中打開(kāi)葉輪原始模型，匹配好葉輪檢測(cè)坐標(biāo)系，通過(guò)創(chuàng)建點(diǎn)的方法創(chuàng)建檢測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)，如葉片根部，頂部，曲面過(guò)度點(diǎn)等位置，如圖10所示。執(zhí)行GRIP文件，選中創(chuàng)建的點(diǎn)，得到關(guān)鍵點(diǎn)云的坐標(biāo)文件，將其用記事本打開(kāi)，復(fù)制后存為位置集01.loc文件。在Control軟件中工具界面，位置集選項(xiàng)中加載創(chuàng)建的01.loc文件，創(chuàng)建注釋?zhuān)⑨岊?lèi)型為位置，選擇加載的位置集，自動(dòng)放置生成注釋視圖，打開(kāi)生成的注釋視圖，根據(jù)檢測(cè)需求設(shè)置好偏差范圍，研究對(duì)象葉輪偏差0.05 mm，手動(dòng)調(diào)節(jié)檢測(cè)點(diǎn)的放置位置，保存，結(jié)果如圖11所示?？砂l(fā)現(xiàn)檢測(cè)點(diǎn)中超差點(diǎn)為藍(lán)色，狀態(tài)顯示失敗，在公差范圍內(nèi)的點(diǎn)為綠色，狀態(tài)為通過(guò)。

圖10 創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)

圖11 關(guān)鍵點(diǎn)3D注釋

3）2D分析

2D分析主要通過(guò)創(chuàng)建葉輪的2D比較，創(chuàng)建關(guān)鍵的貫穿葉輪對(duì)象截面，注釋等流程分析檢測(cè)葉輪的加工精度。2D比較，選擇系統(tǒng)對(duì)象平面XY面，水平間距依次遞增10 mm的平面創(chuàng)建5個(gè)，然后在對(duì)應(yīng)的平面創(chuàng)建注釋?zhuān)O(shè)置上下偏差為0.05 mm，通過(guò)注釋狀態(tài)和顏色可以判斷是否超差，如圖12所示。創(chuàng)建貫穿對(duì)象界面A-F，要求截面需剖切到葉片的橫斷面和縱斷面，然后創(chuàng)建2D尺寸，設(shè)置好上下偏差，可以判斷界面特征加工的精度。如圖13所示。

圖12 比較

圖13 注釋

4）葉輪檢測(cè)分析

按流程完成好檢測(cè)設(shè)置后，我們可以生成檢測(cè)報(bào)告，評(píng)價(jià)葉輪加工的精度，通過(guò)3D比較，如圖14所示。2D比較，關(guān)鍵點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果[4]，如圖15所示綜合分析，本次研究葉輪對(duì)象最大偏差 0.624 mm，平均偏差0.046 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.049 mm，加工精度不合格。主要偏差存在葉片邊緣上部分，超差較大，造成原因?yàn)榧庸こ绦蜻^(guò)切，葉輪流道部分加工精度符合要求。

圖14 3D比較

圖15 關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)比較

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，基于Handscan700手持式激光掃描儀可檢測(cè)精度偏差要求在 0.05μm 以上的葉輪，通過(guò)GeomagicStudio對(duì)掃描數(shù)據(jù)處理，然后使用 GeomagicControl軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)和模型的分析比對(duì)，可實(shí)現(xiàn)精度檢測(cè)的可視化，高效化。其檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果可靠、穩(wěn)定。對(duì)超高精度葉輪的加工，可以在機(jī)掃描葉輪精加工前的尺寸，分析關(guān)鍵部位的加工余量數(shù)據(jù)，為優(yōu)化葉輪刀路編程，提供動(dòng)態(tài)檢測(cè)余量支持，可極大地提高葉輪加工效率和精度。