基于三維模型的結構件高效測量方法

吳群,舒釗

航天科工慣性技術有限公司

1 引言

航天零部件產品的結構復雜、精度高、測量難度大,其檢測效率影響產品質量的提升。高精度的數字化測量技術可提供統一的測量數據集,便于測量數據在閉環數字鏈中的傳遞,對提高制造業的數字化程度起著重要的作用。傳統檢測方法人工干預多、處理程序慢、生成報表固定、自動化程度低且無法批量檢測,耗時長。因此在生產制造中應采用更有效的方法來取代傳統的檢測方法,以提高檢測的有效性。

目前,對于結構件的自動化測量方法有兩種:一是接觸式三坐標測量,二是非接觸光學掃描測量。三坐標測量機的CAD測量模式[1,2]提供了便捷且高效的測量途徑,通過導入CAD模型數據對零件進行實時檢測。非接觸光學掃描測量是三維掃描技術作為逆向工程[3]技術的分支之一,已在工件檢測領域[4]體現了更大的價值?；谌S掃描的工件自動檢測方法[5,6]可以減少傳統檢測中的人工干預,實現工件檢測的數字化、可視化和自動化測量。

2 問題分析

對某結構件產品進行分析可知,三維模型產品比重越來越大,三維模型產品現有生產流程為:①工藝員識別模型,依據產品技術要求制定數控加工方案,完成數控程序編制并完成工藝文件編制;②操作者依據數控程序完成加工;③檢驗員對模型產品進行完整測量。因模型產品的尺寸標注有別于原有的二維圖紙,且一般少于二維圖紙,工藝員在依據產品模型進行數控編程時并不需要識別全部尺寸,因此檢驗員不需要對未標注的尺寸進行重點關注。實際檢測時,往往存在把關不全面以及檢測效率低的問題,尤其是鑄件產品[7],雖然操作員對精度高的尺寸公差和形位公差進行了把關,但在鑄件缺陷尺寸小于0.5mm且無較大光學形變時,僅靠目視的檢測方法難以發現細微的外觀缺陷和小尺寸差異,因此,已交付的鑄件產品中常常發生因毛坯面余量不同而導致裝配時出現毛坯面干涉問題。

基于模型實現結構件的快速測量,并對小尺寸產品的差異實現快速定量測量和評價成為迫切需要解決的關鍵問題,本文針對該問題開展研究,提出了基于模型的結構件高效測量方法。

3 攻關過程

3.1 結構件分析

殼體為慣導產品中的重要零件,材料牌號為ZL114A,圖1為零件俯視圖,其中A、B面為產品的兩個基準面,平面度要求為0.02mm。在六個視圖中,累計有96個PMI標注尺寸,產品精度一般,大部分尺寸公差要求均為±0.1mm。

圖1 結構件俯視圖技術要求

3.2 三坐標測量

以三坐標編程思路、測針配置和確定測量方法為主要依據,對結構件的三維模型進行分析,測量的公差要求包括:測量基準的選擇,測量特征的類型、特點及測量順序確認,測量方式及公差要求,裝配要求,形位公差評價要求。

采用?？怂箍倒镜娜鴺藴y量機,測量軟件為Pcdmis,測量范圍X=700mm,Y=1000mm,Z=700mm。長度測量的示值誤差為:MPEe=(2.2+L/400)μm,探測球精度MPEp=2.5μm。測頭為掃描測頭,旋轉式測座。

檢測基本流程:使用UG軟件將模型.prt文件另存為.iges文件,導入Pcdmis軟件并進行模型轉換,使其坐標系位置與裝夾保持一致(按常規測頭校驗和零件進行裝夾)。根據模型基準在實物上建立零件坐標系進行坐標系擬合,將測頭模式改為“自動模式”,直接在模型基準面上取點并建立坐標系;點擊“CAD=工件”,完成模型坐標系的建立;結合模型選擇模型上的點,完成所有特征的測量。

在該檢驗模式完成全部尺寸的編程后,其工作時間包含測頭校正、模型尺寸消化、模型尺寸構造和產品測量評價,單件耗時約為6h,檢測程序執行過程中受鑄件余量不均影響可能需要手動調整測針和修改檢驗程序,以減少過程觸停。批量產品的自動化測量時間大幅壓縮,多在0.5h左右完成測量,效率較人工測量提升60%。尺寸評價結果能夠實現檢驗數據的數字化跟蹤和存儲,但對于小尺寸差異及外觀缺陷的評價效果不佳,需人工進行目視檢測。

3.3 三維掃描測量

采用蔡司T-SCAN hawk進行產品掃描。掃描方式為標準掃描,激光光源為7對交叉紅色激光線,設備的檢測精度為0.02mm,掃描幅面550mm×600mm。掃描流程見圖2。

圖2 三維掃描流程

設備校準后,分別從測量平面和產品的少量貼點開始掃描。使用GOM軟件進行掃描后,模型和參考模型的擬合對齊,同時根據PMI尺寸進行同步尺寸輸出評價。數據的彩虹圖報告(見圖3和圖4)較三坐標的尺寸評價更加立體直接,能夠直觀地看出產品合格和超差部位。綠色區域為合格區域,其余均為超差區域。其中暖色區域(偏紅色區域)指該區域偏差值為正值(實際工件此位置高于理論模型),冷色區域(偏藍色區域)指該區域偏差值為負值(實際工件此位置低于理論模型)。對比模型發現,藍色區域為產品的鑄件毛坯面,紅色區域表示該處為非毛坯面,是機加后臺階處未清根漏加工導致。

圖3 殼體測量評價1

圖4 殼體測量評價2

采用三維掃描測量方式[8],無需檢驗員進行人工編程,工作時間包含設備校準、產品貼點、模型掃描、擬合和尺寸評價輸出,耗時約2h,測量效率優于三坐標測量。除了對產品尺寸進行評價外,還可以對鑄件毛坯表面的凹凸、產品加工過程中的漏加工、外觀缺陷等進行自動化定量檢測。受設備精度影響,與三坐標測量相比,高精度尺寸評價欠佳。

4 結語

分別采用三坐標接觸測量和激光非接觸測量兩種方式對模型結構件殼體進行測量,兩種方法各有優劣。三坐標基于三維數模的檢測方法,可在脫機狀態下借助三維數模進行編程,同時無需手動輸入幾何元素理論值與實測值進行比較,降低了檢測人員的勞動強度,減少了出錯率,檢測精度高,但編程時間長,產品存在的外觀缺陷和漏加工問題;采用激光掃描的非接觸測量方式,在產品精度與儀器精度相匹配的范圍內,能夠快速實現基于UG模型PMI標注的產品測量和評價,檢測效率高,在結構件(尤其是鑄件)產品檢測中,對外觀缺陷、小尺寸差異和漏加工等質量問題能夠實現自動化定量測量和評價。在實際應用時,結合產品結構特點和技術要求,可分別選擇對應的最優測量方法。