高精度平面檢測技術及在發(fā)動機制造中的應用

張成明，徐正發(fā)，王大明

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

隨著社會的不斷發(fā)展，制造行業(yè)競爭也越來越激烈，產品更新?lián)Q代越來越快，制造精度要求提升到微米級；各類新材料、新工藝、新裝備不斷出現(xiàn)，帶來設計、加工、檢測、控制等方面的巨大沖擊。2008年，美國高校（密西根大學）、主機廠（福特、通用等）、設備供應商（科惠力）在政府和行業(yè)支持下正式啟動了兩微米項目，把微米級形貌掃描測量應用在精密加工過程中，對現(xiàn)有制造能力進行全面的提升。

2010年1月，上汽通用五菱、上海交大以及科惠力成立了兩微米項目，組成產學研團隊，共同探索發(fā)動機制造過程中關鍵尺寸、形位公差對發(fā)動機性能的影響關系，以及發(fā)動機制造精度與性能匹配的關系。兩微米項目采用了高精度平面檢測設備進行數(shù)據(jù)測量分析，其測量原理為光學干涉3D成像技術。

1 光學干涉3D成像測量原理

1.1 光學干涉3D成像的原理

當兩列或幾列光波在空間相遇時相互疊加，在某些區(qū)域始終加強，在另一些區(qū)域則始終削弱，形成穩(wěn)定的強弱分布的現(xiàn)象就是光的干涉現(xiàn)象（如圖1、圖2）。

圖1 平面波紋干涉圖

圖2 立體波紋干涉圖

光產生穩(wěn)定干涉有以下兩個條件：

（1）兩列光波的頻率相同；

（2）位相差恒定，振動方向一致的相干光源。

1.2 光學干涉3D成像的應用

干涉是波獨有的特性，科學家為了驗證光是波，而對光進行了干涉實驗，光學干涉3D成像正是建立在這個基礎上不斷發(fā)展的。目前光學干涉3D成像技術主要應用在：攝影業(yè)，醫(yī)學科內窺檢測，軍工業(yè)，制造業(yè)平面測量等。隨著該技術的發(fā)展，應用越來越廣泛，與日常生活的聯(lián)系也越來越緊密。

在兩微米項目中，科惠力公司提供了一款利用光學干涉成像的設備，簡稱ShaPix，測量零件表面平面度、波紋度等，將光學干涉3D成像技術應用于精密加工制造業(yè)中。

2 設備介紹

2.1 設備特點

高精度平面檢測技術是通過多波長數(shù)字全息技術重建表面的三維形貌來實現(xiàn)的。這種非接觸式的測量過程會生成反映零件表面形貌的三維高精度、高密度點集。相比較于傳統(tǒng)的測量方式（如三坐標測量）具有采點多，精度高，能反應表面所有的信息等優(yōu)點。

2.2 設備的配置

表1 ShaPix設備配置

圖3 ShaPix設備圖

2.3 基本測量原理

該設備利用激光反射后干涉波攜帶有被測表面高度信息，將干涉圖像進行轉換生成3D高度圖來表示被測零件的表面狀態(tài)，具體原理見下（圖4和圖5）

圖4 激光干涉測量原理

圖5 對像素進行傅里葉變化生成三維圖像

2.4 數(shù)據(jù)處理功能

強大的數(shù)據(jù)處理能力，對測量數(shù)據(jù)可以做以下處理：

①3D色彩圖：用色彩、高度形象的反應零件表面狀態(tài)；

②2D色彩圖：用不同色彩反應零件表面狀態(tài)；

③測量、顯示零件局部特征；

④能將數(shù)據(jù)輸出成EXCEl、Q-DAS，方便對數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理。

2.5 高精度平面測量系統(tǒng)與傳統(tǒng)測量技術對比

上汽通用五菱機加工車間配有蔡斯三座標測量儀，可以對零件進行整體平面度及局部平面度的測量。三座標所輸出的報告精度可以達到0.1u，通過設定的較為離散測量路徑來反映出當前零件的狀態(tài)，且每個尺寸均有對應的特征代號（如圖6）。但局限性在于：具體是哪個區(qū)域出現(xiàn)超差不能直觀的從報告中反映出來，對快速、有針對性問題解決帶來一定的難度。

圖6 基于特征代號的傳統(tǒng)三座標測量報告

高精度平面測量系統(tǒng)與傳統(tǒng)三座標測量不同之處在于：測量精度同樣達到0.1u,且擁有高清晰的測量結果，采樣密度達到每平方毫米44個采樣點，測量結果采用三維及二維彩色圖片并使用友好的報表顯示，使得用戶對零件表面形貌的理解變得快速、直觀、準確。ShaPix輸出的整體平面度及局部平面度（如圖7、圖8）。現(xiàn)將兩種測量系統(tǒng)進行對比（如表2）。

當被測表面為曲面、毛坯面或者表面由多種不同材料組成時，激光會發(fā)生散射或者因反射率不同，導致干涉圖紋減少或干涉圖紋不清晰，以致測量精度降低。所以高精度平面檢測設備主要適用于測量已經(jīng)加工過的，且表面材料一致或者幾種光反射率相近的材料組成的表面；而對曲面，或多種材料組成的平面精度較低。

圖7 ShaPix輸出的整體平面度

表2 高精度平面檢測設備與傳統(tǒng)三座標對比表

3 在發(fā)動機制造過程中的應用

在發(fā)動機典型零件上的應用，如缸體襯套，缸蓋墊片的三維檢測報告(如圖9、圖10)。

圖9 3D缸體襯套

圖10 3D缸蓋墊片

案例：解決缸蓋底面毛刷刷不完問題

發(fā)動機缸蓋底面的工藝要求精度較高，平面度要求小于0.05mm、粗糙度小于Ra0.8。在實際生產中，出現(xiàn)過缸蓋底面部分區(qū)域粗糙度超差的現(xiàn)象。超差區(qū)域位于毛刷的接刀部位及缸蓋邊緣（如圖11）。

出現(xiàn)問題的刷子的表面呈圓弧狀，中間較外緣凸起，最高點與周邊較低點高度差約1.5mm（如圖12）。新毛刷不存在磨損，故高度差基本為零；使用過程中，毛刷的邊緣線速度大于中間部分，同樣旋轉一周，外緣比中間的線速度要高很多，外緣毛刷切削的路程比中間部分多，故磨損程度更大，消耗快，產生高度差。

圖11 缸蓋底面粗糙度超差區(qū)域

圖12 毛刷磨損后形成高度差

新毛刷時，程序設定刀具0.5mm的切深，因此外緣的毛刷會受擠壓而外翻，接刀處形成一定寬度的重疊區(qū)域。隨著刀具壽命增加，毛刷逐漸形成高度差，重疊區(qū)域逐漸減小，當?shù)毒邏勖黾拥揭欢ǔ潭纫院螅ㄈ? 000以上），在接刀處，原來的重疊區(qū)域消失，反而出現(xiàn)了三角形的空隙，便會產生毛刷刷不到區(qū)域，導致工件表面凸起（如圖13）。底部區(qū)域凸起原因相似。使用ShaPix測量，中間區(qū)域及底部邊緣區(qū)域存在凸起部位（如圖14）。原走刀路徑，刀具路徑本身沒有重疊區(qū)域（如圖15）。

圖13 刷不完區(qū)域產生過程示意圖

圖14 中間及邊緣刷不完（刀具壽命3238）

圖15 刷子走刀路徑（圓圈部位容易出現(xiàn)刷不到）

對毛刷的走刀路徑進行優(yōu)化，由原來刀具路徑本身沒有重疊，改為刀具路徑本身存在重疊，以彌補毛刷磨損后形成的三角間隙，底部區(qū)域路徑增加了走刀長度，以刷完整個表面，改進后路徑（如圖17）。更改路徑后，追蹤刀具在整個壽命期間的表面形貌及平面度情況，沒有再出現(xiàn)局部區(qū)域刷不到的現(xiàn)象（如圖 16）。

圖16 中間及邊緣刷不完區(qū)域已經(jīng)有較大改善（刀具壽命3120）

圖17 更改后毛刷走刀路徑

4 結論

目前3D成像技術在制造工廠的應用還處于起步階段，從本文的應用實例來看，其直觀的三維測量報告在指導用戶解決質量問題方面的優(yōu)勢已經(jīng)非常顯著。與傳統(tǒng)三座標測量相比，高精度平面檢測設備可將零件表面形貌描繪的更直觀、更準確，利于質量問題的高效解決。隨著設備的制造精度不斷提高，測量設備的要求也隨之提高。高精密平面測量設備為制造企業(yè)提供了良好的檢測方案。

[1]王芳榮，趙丁選，尚濤，李曉天.應用計算機視覺技術進行物體三維重構[J].吉林大學學報(工學版)，2008.

[2]蔡喜平，李惠民，劉劍波，高劭宏.主動式光學三維成像技術概述[J].激光與紅外，2007.

[3]李 翔.三維成像技術及高精度快速三維成像系統(tǒng)研究[J].《現(xiàn)代電子技術》，2006.