劉延平 郭 國 朱亞蓉 韓 晉 孫 振

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拍照式三維掃描儀在檢測航天曲面薄壁工件中的應(yīng)用

劉延平 郭 國 朱亞蓉 韓 晉 孫 振

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

以某薄壁曲面零件為例，介紹了應(yīng)用拍照式三維掃描儀檢測工件曲面輪廓偏差及厚度。通過引入特制工裝，無需在產(chǎn)品上粘貼標(biāo)記點(diǎn)，即可使用三維拍照測量機(jī)獲取產(chǎn)品工程模型，避免了多余物的產(chǎn)生。將工程模型與理論模型進(jìn)行最佳擬合，通過數(shù)模對比，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜自由曲面誤差評定及厚度檢測。結(jié)果證明，該方法準(zhǔn)確有效，為工程測量人員解決同類問題提供有利依據(jù)。

三維掃描儀；曲面輪廓偏差；厚度

1 引言

某曲面薄壁工件是構(gòu)成火箭貯箱的重要組成部分，該工件的曲面輪廓度和厚度具有較高的精度要求，因而在經(jīng)過滾彎及化銑加工后，需要檢測其壁厚及曲面輪廓偏差。目前檢測厚度的方法為：超生測厚儀點(diǎn)測法，即人工手持超生測厚儀在工件上抽樣取點(diǎn)檢測，該測量方法精度較高，但是存在漏檢風(fēng)險(xiǎn)，即使增加取點(diǎn)密度也無法完全避免漏檢風(fēng)險(xiǎn)，反而降低檢測效率。目前檢測輪廓誤差的方法為：將工件與模胎貼合，通過塞尺及手敲的方法檢測，該檢測方法精度較差，過多的依賴人工經(jīng)驗(yàn)，無法將測量結(jié)果量化。綜上所述，現(xiàn)有的壁厚及曲面輪廓檢測的一致性、全面性及可靠性較差，使運(yùn)載火箭存在較大的質(zhì)量隱患。

本文擬采用拍照式三維掃描測量技術(shù)解決上述問題。因拍照式三維掃描儀必須使用標(biāo)記點(diǎn)，將標(biāo)記粘貼在被測工件上輔助測量增加了多余物風(fēng)險(xiǎn)，與航天產(chǎn)品控制多余物的準(zhǔn)則相悖。通過引入特制工裝，有效避免了多余物的產(chǎn)生，并提高了檢測效率。

2 掃描獲取工件模型

白光拍照式高精度三維掃描儀精度參數(shù)為0.02mm/m。為了確保測量的準(zhǔn)確性，對測量環(huán)境進(jìn)行了控制。在整個(gè)測量過程中，測量條件均滿足：測量室內(nèi)氣溫為20～22℃，濕度為45%～55%，且現(xiàn)場無風(fēng)、無振動、無強(qiáng)光干擾。

2.1 引入輔助工裝

根據(jù)被測量工件的輪廓形狀，將剛性較好的桁條通過膠結(jié)制作輔助工裝，如圖1所示。將標(biāo)記點(diǎn)粘貼在輔助工裝上，該工裝猶如“衣服”，在測量產(chǎn)品前，將輔助工裝套在產(chǎn)品上。在測量過程中確保工裝與產(chǎn)品之間不產(chǎn)生相對位移，即可滿足測量要求，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖1 輔助工裝

2.2 三維掃描儀獲取曲面工程模型

將輔助工裝套在工件上，確保牢固。將工件以豎立的姿態(tài)放置并固定，操作拍照式三維掃描儀環(huán)繞工件，通過拍照掃描獲取產(chǎn)品的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃描過程如圖2所示。值得注意的是，因?yàn)樾枰u價(jià)產(chǎn)品的厚度，因此工件的正反面均需要掃描。

圖2 拍照掃描獲得工程模型

將拍照掃描所得數(shù)據(jù)，通過對齊、合并等步驟，最終得到工件的工程模型（三角化模型）如圖3所示。因工裝遮擋原因，局部小范圍區(qū)域沒有掃描數(shù)據(jù)，不會影響整體的測量結(jié)果。

圖3 掃描所得工程模型

3 評價(jià)測量結(jié)果

3.1 評價(jià)曲面輪廓偏差

使用Polyworks軟件，將掃描得到的工程模型與理論模型最佳擬合，生成色差圖，以色差圖形式給出工件凹面的輪廓偏差值，如圖4所示。由色差圖可知，曲面輪廓偏差值在±0.3mm以內(nèi)，小于允許公差值±1mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 曲面輪廓偏差色差圖

3.2 評價(jià)產(chǎn)品厚度

工件凸面的邊緣區(qū)域存在臺階，故厚度分為薄區(qū)（中間區(qū)域）和厚區(qū)（邊緣區(qū)域），需要評價(jià)兩個(gè)區(qū)域的厚度。在Polyworks軟件中，設(shè)置延曲面法線方向評價(jià)產(chǎn)品厚度，并以色差圖形式顯示測量結(jié)果，薄區(qū)厚度顯示如圖5所示。由色插圖及厚度數(shù)據(jù)可知，厚度值范圍為1.6～1.9mm。在薄區(qū)選擇10個(gè)位置進(jìn)行厚度抽查，并同超聲測厚儀的檢測結(jié)果對比，二者檢測結(jié)果偏差均小于0.02mm，符合設(shè)計(jì)要求。

圖5 薄區(qū)厚度色差圖

圖6 厚區(qū)厚度色差圖

厚區(qū)（邊緣區(qū)域）顯示如圖6所示。由色差圖及厚度數(shù)據(jù)點(diǎn)可知，厚度值范圍為3.5～3.9mm。在厚區(qū)選擇10個(gè)位置抽查，并同超聲測厚儀的檢測結(jié)果對比，二者檢測結(jié)果偏差均小于0.02mm，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本文采用拍照式三維掃描儀，通過引入自制輔助工裝，成功獲取工件的工程模型，有效避免了多余物產(chǎn)生。通過數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，成功評價(jià)工件的厚度及曲面輪廓偏差值，并驗(yàn)證了測量結(jié)果的有效性。

本文所采用的檢測方法與傳統(tǒng)的檢測方法相比，檢測的全面性、一致性及可靠性較高，為工程檢測人員檢測同類產(chǎn)品提供了一種有效的解決方案。

1 潘淑清.幾何精度規(guī)范學(xué)[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2003. 4～32

2 孫路.復(fù)雜型面非接觸式三維掃描與建模研究[D]. 上海：華東理工大學(xué)，2012

3 李洪全. 實(shí)用坐標(biāo)測量技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007. 51～72

4 劉繼明. 葉片型面測量技術(shù)研究及其誤差分析[D]. 吉林：吉林大學(xué)，2015

5 費(fèi)業(yè)泰. 誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015. 84～100

Application of Three-dimensional Scanner in Detecting Aerospace Curved Thin-wall Parts

Liu Yanping Guo Guo Zhu Yarong Han Jin Sun Zhen

(Tianjin Long March Rocket Aerospace Manufacturing Co., Ltd., Tianjin 300462)

This article takes a curved thin-wall part as an example, and introduces the 3d scanner for detecting the surface profile error and thicknesses of part. The special tooling is introduced to eliminate the need to paste marks on products, so the product engineering model can be obtained by using a 3d camera measuring machine, which avoids the production of reminders. The engineering model is best fitted with the theoretical model, and the error evaluation and thickness detection of the complex free surface are finally realized through mathematical model comparison. The results show that this method is effective and provides a favorable basis for engineering surveying personnel to solve similar problems.

three-dimensional scanner；surface profile error；thickness

劉延平（1968），工程師，機(jī)械工程專業(yè)；研究方向：航天產(chǎn)品精密檢測技術(shù)。

2018-02-26