謝雪冬

(黑龍江科技大學(xué) 現(xiàn)代制造工程中心, 哈爾濱 150022)

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渦輪逆向工程的三維掃描檢測技術(shù)

謝雪冬

(黑龍江科技大學(xué) 現(xiàn)代制造工程中心, 哈爾濱 150022)

為提高渦輪的三維掃描檢測技術(shù)水平,采用三維掃描的相位測量技術(shù)獲取渦輪增壓器三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)重構(gòu)渦輪檢測模型,并應(yīng)用GEOMAGIC QUALIFY軟件對其進(jìn)行3D誤差分析和尺寸標(biāo)注。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:渦輪70%左右的數(shù)據(jù)點(diǎn)云與實(shí)物模型之間的偏差在-0.2～0.2 mm之間,能夠滿足渦輪檢測質(zhì)量要求。

逆向工程; 測量; 檢測; 質(zhì)量評價

近年來, 我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日趨尖銳,節(jié)能減排成為國家宏觀調(diào)控政策的工作重點(diǎn)。汽車排放的尾氣已經(jīng)成為我國大中城市的主要污染源。渦輪增壓器可以提升汽車動力、節(jié)約燃油和降低排放。因此,渦輪增壓器的發(fā)展成為汽車廠商們不斷追求的目標(biāo)。

筆者通過現(xiàn)有的某渦輪增壓器進(jìn)行三維掃描,進(jìn)而獲得它的點(diǎn)云數(shù)據(jù),對其進(jìn)行產(chǎn)品的質(zhì)量檢測與評價。

1　渦輪型面三維掃描

三維掃描技術(shù)是非接觸測量,具有速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)。三維掃描儀根據(jù)傳感方式的不同,分為接觸式和非接觸式。接觸式掃描儀采用探測頭直接接觸物體表面,通過探測頭反饋回來的光電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字型面信息,從而實(shí)現(xiàn)對物體型面的掃描,主要以三坐標(biāo)測量機(jī)為代表。接觸式掃描儀具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性,但其費(fèi)用較高、探頭易磨損、測量速度慢,需要對探測頭半徑加以補(bǔ)償。非接觸式測量可以對各類表面進(jìn)行高速三維掃描,對物體表面不會有損傷,同時相比接觸式掃描儀具有速度快,容易操作等特征。

三維掃描主要采用相位測量技術(shù)。相位測量技術(shù)是一種重要的三維傳感方法,具有較高的測量精度,可精確地獲取待測面的相位[1-4]。它基于正弦光柵投影,以白光為光源,將正弦光柵投射到被測物體表面,受物體表面影響,產(chǎn)生變形光柵條紋圖,利用離散相移技術(shù)獲取N幅(N>3)光柵圖像,再根據(jù)N步相移算法計算出全場相位分布。最后,利用空間幾何關(guān)系求得物體外表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖1為典型的交叉光軸測量系統(tǒng)原理。

圖1　典型的交叉光軸測量系統(tǒng)

(1)

式(1)經(jīng)物體表面調(diào)制后為

A(x,y)——物體的背景光強(qiáng);

B(x,y)——光柵條紋對比度;

λ——光柵的柵距;

φ(x,y)——包含有物體型面信息的相位解調(diào)函數(shù)。

φ(x,y)可以通過多種相移方案獲得其相位值,最常用的是四步相移法。每步光柵相差90°相位,則其相位的計算公式為

利用三維掃描提取實(shí)物外表面數(shù)據(jù)是三維掃描的重要環(huán)節(jié)。其獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量將直接影響后續(xù)的質(zhì)量評價。ATOS三維光學(xué)掃描儀是目前技術(shù)最先進(jìn)的非接觸式三維掃描設(shè)備之一。文中采用ATOS設(shè)備測量。圖2為使用ATOS掃描得到的渦輪的高質(zhì)量三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖。

圖2　渦輪的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2　渦輪型面三維重構(gòu)

曲面重構(gòu)是逆向工程中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)[5-7]。將渦輪曲面分割,可對渦輪點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)。重構(gòu)過程如圖3所示。通過曲面的曲率變化對渦輪曲面進(jìn)行光順,圖4所示為由點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理得到的渦輪的三維數(shù)字化模型圖。

圖3　曲面重構(gòu)過程

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

渦輪點(diǎn)云數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)之間的重合度是評價產(chǎn)品合格與否的主要標(biāo)準(zhǔn)。為了直觀清晰的表示重合度,采用GEOMAGICQUALIFY軟件在點(diǎn)云數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)之間進(jìn)行了3D誤差分析與尺寸標(biāo)注。

GEOMAGICQUALIFY是GEOMAGIC公司出品的一款逆向校核軟件。它可以迅速檢測產(chǎn)品的數(shù)模和產(chǎn)品的制造件之間的差異,以直觀易懂的圖形比較顯示兩者的差異,可用于產(chǎn)品的首件檢驗(yàn)、生產(chǎn)線上或是車間內(nèi)檢驗(yàn)、趨勢分析、二維和三維幾何形狀尺寸標(biāo)注及自動生成格式化的報告。

如圖5所示,圖中左側(cè)的灰度變化范圍通過不同的區(qū)間值來表示,即通過灰度可以看到模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的區(qū)間值。如偏差在0.050～0.208mm之間時,灰度顏色基本為白色,由分析模塊中的創(chuàng)建注釋可以得出點(diǎn)云上的點(diǎn)相對于CAD模型上的3D偏差值和x、y、z的偏差,將比對結(jié)果量化,而不是一個區(qū)間值。此結(jié)果可輸出EXCELE格式的表格,生成的報告直觀明了。圖5為模型和點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的偏差分布圖,橫軸為偏差值,縱軸為偏差值所占的百分比。由此數(shù)據(jù),便于進(jìn)行確認(rèn)整改及內(nèi)部信息傳遞。

圖5　渦輪的點(diǎn)云和建模模型之間的3D偏差

由于渦輪表面污漬較多,經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)。由圖5和圖6可見, 約70%的數(shù)據(jù)點(diǎn)云與實(shí)物模型之間的偏差分布在-0.2～0.2mm,滿足要求。

圖6　渦輪的點(diǎn)云和建模模型之間的偏差分布

4　結(jié)束語

應(yīng)用GEOMAGICQUALIFY軟件可以快速檢測分析渦輪產(chǎn)品的加工誤差,其中70%左右的數(shù)據(jù)點(diǎn)云與實(shí)物模型之間的偏差在-0.2～0.2mm之間,該方法能夠準(zhǔn)確、快速地分析產(chǎn)品質(zhì)量,對提高渦輪產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)周期有重要的意義。

[1]姚奇志, 劉勇. 三維掃描儀在產(chǎn)品設(shè)計中運(yùn)用研究[J]. 中國科技信息, 2010, 24(14): 126-128.

[2]牛小兵, 林玉池, 趙美蓉, 等. 光柵投影三維測量的原理及關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 儀器儀表學(xué)報, 2001, 16(2): 203-205.

[3]金觀昌. 計算機(jī)輔助光學(xué)測量[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2007.

[4]柯映林, 單東. 基于邊特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)區(qū)域分割[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報, 2005, 39(3): 377-380.

[5]RICARDO L, BOTHE T, BIPTNER W P. Accurate procedure for the calibration of astructured light system[J]. Optical Engineering, 2004, 43(2): 464-471.

[6]王孟陽, 耿國華, 周明全, 等. 基于層間聯(lián)系的三維掃描盲區(qū)填充方法[J]. 計算機(jī)應(yīng)用研究， 2010, 27(7): 2776-2779.

[7]羅先波, 鐘約先, 李仁舉. 三維掃描系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)技術(shù)[J]. 清華大學(xué)學(xué)報， 2004, 44(8): 1104-1106.

(編輯晁曉筠)

3D scanning detection technology of turbine reverse engineering

XIEXuedong

(Modern Manufacture Engineering Center, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

Aimed at improving the 3D scanning measurement technology of turbine, this paper discusses the achievement of the 3D point cloud data of the turbocharger by the phase measurement technology of 3D scanning, the reconstruction turbo detection model using the 3D point cloud data, and the realization of the 3D error analysis and dimension marking using the GEOMAGIC QUALIFY software. The experimental results show that the deviation in the range of the -0.2～0.2 mm between around 70% of the data point cloud and physical model is adequate for the purpose of the quality detection.

reverse engineering; measurement; testing; quality evaluation

2013-06-01

國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2020ZX04016-012);博士后研究人員落戶黑龍江科研啟動資助金項(xiàng)目(LBH-Q12019)

謝雪冬(1979-)，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布人，講師，碩士，研究方向：逆向工程、圖像處理，E-mail：xiexuedong0@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.018

TP274.5

1671-0118(2013)05-0479-03

A