關節臂掃描儀在鍛件測量上的應用

文/王俊亮·海克斯康測量技術（青島）有限公司

關節臂掃描儀在鍛件測量上的應用

文/王俊亮·海克斯康測量技術（青島）有限公司

對鍛件的準確測量可以提高鍛件的精度，減少資源浪費，目前我國大多數鍛件生產廠主要采用傳統人工測量的方式，效率低，誤差大。本文論述了利用關節臂三坐標測量機掃描鍛件，提出以中點對齊的方法，該方法操作簡單、快速，適用性廣，測量結果能夠達到實際要求。

鍛件是大型裝備的核心構件，在飛機制造、大型柴油機、船用設備、兵器裝備、電力設備等方面應用廣泛。鍛件加工質量的提高對于國家裝備制造水平的提升具有重大意義。

鍛件外形尺寸是零件生產中必須及時檢測的一項重要指標，檢測后畫出的基準線是后續加工的基準，對鍛件尺寸的測量直接影響到后續加工成品的合格率。對于鍛件的準確測量還有助于分析鍛造過程中零件的變形趨勢，指導工裝人員對鍛造模具進行修整，提升鋼錠利用率。

目前，國內鍛造廠主要利用卡尺、高度尺畫線測量，這種方式在測量鍛件不同方向時需要多次吊裝調平，只能測量到部分點，并提供一維數據，不能全面反映鍛件的狀態，對鍛造過程中零件變形趨勢分析不夠精確。

關節臂三坐標測量機是一種新型的非三軸正交三坐標測量機，其特點是質量輕、攜帶方便，對工作環境要求低，在0～50℃均可以使用，測量精度高，根據鍛件溫度的不同可以選擇硬測頭、激光測頭、管件測頭，可以滿足車間現場測量。在鍛件測量時，一般采用激光掃描測頭掃描鍛件的點云數據，建立好坐標系，分析點云數據，可以直接得到被測量零件任意部分的三維誤差，還可以通過平移坐標實現接量，利用硬測頭在零件上標記基準線，為后續機床精加工提供基準線。

關節臂三坐標測量過程

鍛件測量時需要得到整體偏差情況，對整體變形做出趨勢分析，因此在測量時我們采用關節臂測量加激光掃描測頭。激光掃描測頭利用激光三角測量原理，配合關節臂三坐標測量機可以快速得到被測量零件的點云信息。ROMERRA7325SI關節臂測量機的掃描過程如圖1所示，掃描的點云如圖2所示。

最佳擬合對齊及分析

通過關節臂三坐標測量機和激光掃描測頭得到的被測量零件的點數據在關節臂三坐標的坐標系（或機器坐標系）上保存，零件數模一般以零件坐標系保存。因此需要將機器坐標系轉化為零件坐標系。目前，坐標系的轉化方法以3-2-1建立坐標系法、最佳擬合建立坐標系法、RPS建立坐標系法為主。3-2-1建立坐標系法和RPS建立坐標系法明顯不適用于該類零件，圖3是最佳擬合結果。

圖1 掃描過程

圖2 掃描的點云數據

圖3 最佳擬合對齊結果

從圖4基準截面分析可知，采用最佳擬合法對齊后基準基面上部點云相對于數模高出10mm左右，下部低1～2mm。鍛件在后續加工時先要以基準部分中分線為基準加工，以最佳擬合方式對齊不能達到指導加工的目的，因此在測量時需要找到點云基準部分的中點和數模中基準部分的中點，以點云中點對齊到數模中點。

中點對齊及分析如圖5所示，分別在X、Y、Z三個方向的基準部分選取中點，以中點對齊，如圖6所示。從圖7中可以看出基準基面上下兩個方向基本均分，達到工藝最基本的要求。

對齊坐標系后可以利用色差圖表現不同位置的測量結果，也可以直接點選關注點的偏差值，如圖8所示，如果需要向某個方向借量，則可以通過軟件中平移坐標的方式實現。

圖4 基準截面分析

圖5 Z方向基準部分各中點的選取

圖6 以中點對齊的結果

圖7 中點對齊后截面分析

坐標系調整后可以利用關節臂三坐標中硬測頭中的針式測尖找到三個方向的基準線做出標記、畫出加工基準線，后續機床加工時利用該基準線作為加工基準。

圖8 最終測量結果

圖9 測量時采用的設備

使用畫線測量方式測量一個零件需要8h，誤差大，人為因素影響較大，結果不能復現。利用關節臂三坐標激光掃描設備掃描和處理一個零件僅需要1h，系統可靠性高，結果可以復現，可以向下游傳遞，對于測量數據可以隨時調出查看。

關節臂三坐標的選擇及注意事項

海克斯康測量技術（青島）有限公司目前提供RA7系列和Stinger系列關節臂測量機，激光掃描有RS系列和CMS系列掃描測頭。由于鍛件的精度相對較低，一般采用RA73+SI系列掃描測頭，根據被測量零件的大小選擇不同測量直徑的設備。RA73系列測量范圍從1.5～4.5m不等。RS測頭掃描速度為50000點/s，工作距離為150mm，深度為100mm，利用RS測頭自動曝光功能自動調整曝光系數（測量設備如圖9所示）。在掃描過程中軟件會自動根據被測量面的曲率信息自動過濾。過濾后曲率變化大的區域點數較多，曲率變化小的區域點數較少，如圖10所示。

對于多次掃描可以利用轉站功能拼接，即在零件上布置標準球或標準圓錐，在掃描前先測量出來，然后用測量數據拼接；還可以利用前后兩次掃描公共部分的數據拼接，對于超亮、黑亮零件可以利用CMS108激光掃描測頭掃描，CMS系列測頭獨有的飛點模式可以掃描超亮、黑亮零件。

圖10 按曲率優化后的點云

結束語

本文提出了利用關節臂三坐標掃描儀測量鍛件外形尺寸的方法，利用中點建立坐標系，該方法能夠滿足目前鍛件檢測要求。利用關節臂三坐標掃描儀在檢測鍛件時，具有非接觸、快速、操作簡單等特點。

王俊亮，工程師，主要研究方向為關節臂測量機在機械制造方面的應用。