代衛(wèi)華，杜 波，周 璐，翟衛(wèi)東，代 超

（1.亞新科國際鑄造（山西）有限公司，山西 運城 043605；2.山西中設(shè)華晉鑄造有限公司，山西 運城 043605；3.青特集團有限公司，山東 青島 266000）

隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進步，三維掃描在鑄造行業(yè)中的應(yīng)用越來越普遍，幾乎成為鑄件檢測的標配。以汽車發(fā)動機缸體、缸蓋鑄件檢測為例，以前的手工劃線檢測由于速度慢、精度低、穩(wěn)定性差、勞動強度高等原因已經(jīng)被逐步淘汰，三坐標檢測和三維掃描檢測正在成為主流。特別是三維掃描檢測以其全面性尤其是對曲面的檢測具有不可替代的優(yōu)勢。本文詳細介紹三維掃描在汽車發(fā)動機缸體缸蓋檢測、加工以及模具制作中的典型應(yīng)用。

1 三維掃描儀的分類和選擇

三維掃描儀可分為接觸式和非接觸式兩大類，像三坐標測量機就屬于接觸式三維掃描儀。人們?nèi)粘９ぷ髦姓f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。結(jié)構(gòu)光包括白光拍照式和藍光拍照式，以藍光拍照式居多；非結(jié)構(gòu)光即激光，分為點式、線式和面式。拍照式掃描的特點是掃描細節(jié)好，精度高，但對顏色有要求（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 所示為藍光拍照掃描儀。激光式掃描的特點是不受工件顏色影響，手持操作方便，但細節(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。一般對于大曲面的數(shù)據(jù)，兩者差別不大，對于特征豐富的工件，藍光拍照式掃描效果更好。所以對于鑄件掃描來說，以藍光拍照式掃描效果最佳，線激光掃描效果也可以，特別是便攜性更好。

圖1 藍光拍照掃描儀

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

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

2.1 采集點云數(shù)據(jù)

藍光掃描儀掃描工件時，工件表面不僅需要噴一層薄薄的顯像劑，而且有時還需要貼標記點。貼標記點時要注意:1）標記點要貼的無序，特別是不能在一條線上，否則會出現(xiàn)無法擬合的情況；2）大型工件在翻轉(zhuǎn)時可能會發(fā)生劇烈震動，這時工件上的標記點可能會脫落或損壞，導(dǎo)致工件翻轉(zhuǎn)后無法接著掃描擬合；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記點，但是標記點本身又阻礙掃描儀采集點云數(shù)據(jù)，導(dǎo)致采集的點云數(shù)據(jù)與真實的曲面偏差變大；4）使用標記點的費用較高，一般在0.2 元～1.0 元/個。所以，一般不貼標記點而是采用手動擬合的方式，這種方式看似麻煩，其實比貼標記點的方式也慢不了多少。掃描的每一幅初始文件需要對齊排列，然后合并，之后得到點云文件如圖3 所示。

圖3 缸體三維掃描點云文件

圖4 缸體三維數(shù)模和RPS 基準點

2.2 點云數(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 格式的點云文件，將此點云文件輸入到Geomagic Control中，與三維數(shù)模（見圖4）進行擬合，然后對比出報告。一般情況，對于汽車發(fā)動機缸體、缸蓋鑄件來說，客戶需要的是RPS 基準擬合報告，因為缸體缸蓋在機加時都是用毛坯的RPS 基準夾緊工件然后加工出機加基準的，所以一般的擬合順序是:手動多點擬合→最佳擬合→在點云文件上創(chuàng)建RPS 基準點→用RPS 基準點擬合點云文件和三維數(shù)模→出報告。當然，首先要根據(jù)客戶給的信息在三維數(shù)模上創(chuàng)建RPS 基準點，如圖4 所示。通過RPS 擬合后出報告，一般需要將各個RPS 基準點的偏差點標出來，如圖5 所示，以便讓閱者確認此報告是RPS基準擬合的，一般的報告形式如圖6 所示。有時候，產(chǎn)品工程師可能還需要最佳擬合報告分析數(shù)據(jù)，所以，最好在進行到最佳擬合時先出一份報告。

圖5 RPS 基準擬合后部分基準點

圖6 RPS 基準擬合報告

2.3 鑄件解剖檢測內(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，所以在進行新產(chǎn)品試制或批量生產(chǎn)較長時間后，都需要對缸體缸蓋進行解剖掃描，以期對鑄件形位尺寸有更全面的了解。掃描的切片點云文件要與未解剖的鑄件外觀的點云文件進行最佳擬合。圖7 為某型缸體解剖后掃描擬合拼接圖，切片掃描報告形式如圖8 所示。解剖鑄件時要注意以下幾點:1）鑄件解剖前必須先掃描外觀；2）比較大（700 mm 以上）的缸蓋應(yīng)該先從最長方向的中間剖開，然后再分層剖切；3）盡量避免剖切出太長、太薄、開環(huán)的切片，否則鑄件的殘余應(yīng)力會讓切片變形。還應(yīng)注意，掃描出的切片點云文件應(yīng)與RPS 基準擬合后的工件外觀點云文件擬合，并應(yīng)根據(jù)情況采用適當?shù)臄M合方式，去掉不相關(guān)的點云，以免擬合時受到干擾。

圖7 缸體切片圖

圖8 缸體切片擬合報告

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

筆者公司有一K19 缸蓋產(chǎn)品，其毛坯基準都在外模上，但是要求進、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，外模與砂芯之間總會出現(xiàn)微小的浮動，也就是說鑄件的氣道位置尺寸存在波動。

如果能夠確認這個波動范圍，就可以通過調(diào)整數(shù)控機床的卡具位置尺寸，來達到最佳的機加工結(jié)果。為確認這種波動范圍，一開始用三坐標檢測確定，因為三坐標非常適合大批量檢測，速度很快。但是由于氣道形狀復(fù)雜，很多曲面上和內(nèi)部的尺寸無法檢測到，而且公差范圍又小，所以確認起來非常困難，經(jīng)常是三坐標檢測尺寸符合，機加后用掃描儀檢測氣道內(nèi)部仍有超差，結(jié)果不僅沒有達到目的，而且造成了很多廢品。

后來決定用掃描儀檢測一定數(shù)量的毛坯，雖然速度比三坐標慢，但是掃描儀掃描的數(shù)據(jù)更全面，曲面也能檢測，而且在擬合時可以通過調(diào)整三維數(shù)模的坐標系使得毛坯點云和三維數(shù)模擬合在標準范圍內(nèi)（±0.76 mm），然后反向調(diào)整數(shù)控機床卡具位置尺寸，就可以加工出合格的產(chǎn)品。圖9 為某K19缸蓋RPS 擬合偏差報告，經(jīng)過逐步調(diào)整三維數(shù)模坐標系，得到如圖10、圖11、圖12 這樣的擬合結(jié)果，然后按照圖12 確定的調(diào)整尺寸調(diào)整數(shù)控機床，即可加工出合格產(chǎn)品。相對于三坐標檢測，這種調(diào)整方式基本不會產(chǎn)生廢品，極大地節(jié)約了成本。

圖9 K19 缸蓋調(diào)整前RPS 基準擬合

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

圖11 K19 缸蓋數(shù)模坐標調(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，就可以找到一個合適的調(diào)整值，相當于氣道位置尺寸波動范圍的中間值，找到這個值后，機加廢品率大幅降低，目前這個產(chǎn)品已是客戶免檢產(chǎn)品。

4 模具修改后掃描點云，逆向三維數(shù)模，做新模具

新模具投入使用后，在生產(chǎn)過程中可能會發(fā)現(xiàn)一些非關(guān)鍵區(qū)域不易澆注等問題，模具需要進行小幅度修改，甚至一些正在使用的模具也可能因為各種原因需要做局部的小修改，這時，由于模具制作費用高昂，一般不會輕易重新購買新模具，而是對有問題的模具修改后繼續(xù)使用。這樣，模具到了使用壽命時，可能模具和剛開始的形狀相比已經(jīng)變了不少，如果再使用剛開始的三維數(shù)模制作新模具，局部形狀偏差就會很大。

通過在模具修改后對模具進行掃描備份，如圖13、圖14 所示，在需要制作新模具時把掃描備份的模具點云逆向成三維數(shù)模，然后用這個三維數(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）三維掃描檢測評定由于比較直觀、全面、科學(xué)，特別是對鑄件曲面、內(nèi)腔等的檢測，具有不可替代的作用，相比于傳統(tǒng)手工劃線或三坐標檢測，具有很大優(yōu)勢，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。

圖12 機加后用機加基準擬合的結(jié)果

圖13 4.5L 缸蓋上芯盒掃描點云文件

圖14 3306 缸蓋進氣道下芯盒掃描點云文件

2）通過調(diào)整坐標系，可以在計算機內(nèi)模擬數(shù)控機床卡具基準，從而指導(dǎo)機加工生產(chǎn)。

3）可以對模具修改進行掃描備份，利用掃描備份的模具點云逆向成三維數(shù)模，然后用這個三維數(shù)模制作新模具可以降低模具制作時間和成本。