復雜三維曲面渦旋零件的精度檢測*

□ 劉 濤 □ 吳 軍 □ 王霞琴 □ 王永威

蘭州理工大學機電工程學院 蘭州 730050

渦旋壓縮機是一種節(jié)能、省材的新型回轉式壓縮機械，具有結構緊湊、效率高、噪聲低、運行平穩(wěn)、加工精度要求高等特點，是制冷與空調系統(tǒng)的新一代主機，為人類的生產(chǎn)生活帶來了極大的方便。渦旋壓縮機動、靜渦旋盤是組成渦旋壓縮機的兩個關鍵零件,而動、靜盤的內外渦旋面又是關鍵中的關鍵,它們的加工質量將直接影響到渦旋壓縮機的工作效率、性能及使用壽命，因此對于渦旋零件檢測的研究越來越重要。在實際生產(chǎn)中，人們大多采用各種各樣的專用檢具對產(chǎn)品進行檢測，這些工具的制造過程需要花費大量的人力和物力，更加重要的是使用這些專用檢具所得的檢測結果還會過多地受人為主觀因素的影響，檢測結果難以科學、直觀地來定量表達。對于渦旋零件檢測方面的文獻也并不多見，所以，研究渦旋零件型線的精度與檢測對提高渦旋壓縮機的可靠性、運轉性能以及效率有一定的現(xiàn)實意義［1-5］。

本文提出一種全新的檢測方法，它通過Geomagic Qualify軟件對渦旋零件進行測量，具有適應性好、全面、直觀和形象等優(yōu)點，可以快速檢測和分析渦旋零件的加工精度，為渦旋零件的加工質量提供準確的評估［6］。

1 基于3D數(shù)字化模型的檢測方法

1．1 渦旋零件數(shù)字化

數(shù)字化是指利用三維測量設備，將渦旋零件表面幾何形狀轉換成離散的三維坐標點數(shù)據(jù)，它是檢測過程的第一步，也是很關鍵的一步，點云數(shù)據(jù)能否精確地表示實物原型，直接影響到后面的檢測結果。因此，得到點云數(shù)據(jù)后，應該對點云進行適當處理，包括刪除噪點和異常數(shù)據(jù)、點云采樣以及點云拼接等操作，以確保獲得一個比較理想的數(shù)字化模型［7］。

1.2 數(shù)字化模型的檢測

數(shù)字化模型的檢測是指將實物數(shù)字化后得到的模型，在相關軟件的環(huán)境下與參考模型（設計的CAD模型）對齊比較，生成相對理想渦旋零件表面的偏差。具體過程包括模型間的對齊和比較分析操作。

對齊是將數(shù)字化模型進行一定的位置變換操作，使其統(tǒng)一到參考模型的坐標系下，并使兩者最大限度地重合。比較分析是在對齊的基礎上，通過與CAD模型比較，生成數(shù)字模型的具體偏差值，從而達到檢測的目的。其中對齊方式主要有3種：基準／特征對齊、最佳擬合和RPS對齊，分別適用于有規(guī)則外形的零件，由自由曲面組成的零件和具有定位孔、槽等特征的零件。

檢測功能歸納為二維分析、三維分析和誤差評估。二維分析可對模型的指定截面進行尺寸標注或生成偏差圖；三維分析可通過3D比較，生成彩色偏差圖，結果顯示為CAD模型或點云上的偏差；誤差評估包括對零件三維尺寸誤差和形位誤差的評估。檢測結果以圖文方式直觀顯示出來，有利于檢測結果的共享。

2 渦旋零件檢測

2.1 檢測步驟

首先將設計好的渦旋零件三維建模文件導出為iges或stp格式文件，作為目標參考文件。其次，將加工好的渦旋零件在三坐標測量機上采集點云數(shù)據(jù)作為檢測文件，與目標參考文件進行比對。最后，在Geomagic Qualify軟件里將檢測文件與目標參考文件同時導入，通過軟件功能檢測工件的符合度。

（1）三維模型的建立。在Pro/E軟件中建立所設計渦旋零件的三維立體模型，如圖1所示，并將該三維模型文件導出為iges或stp文件，作為目標參考文件。

（2）生成被檢測工件的點云數(shù)據(jù)?；谌鴺藴y量機的數(shù)據(jù)采集是檢測的關鍵，精準的數(shù)據(jù)才能更好地反映出工件的形狀、尺寸精度。檢測渦旋零件時須對工件表面做清潔處理，以確保工件的表面粗糙度達到數(shù)據(jù)采集的要求。生成的渦旋零件點云數(shù)據(jù)見圖2。

▲圖1 渦旋零件實體模型

▲圖2 渦旋零件點云數(shù)據(jù)

▲圖3 數(shù)字化模型與參考模型的對齊效果

▲圖4 三維分析比較結果

▲圖5 剖切截面位置

▲圖6 二維分析比較結果

▲圖7 形位公差評估結果

（3）數(shù)據(jù)文件的對比。將獲得的渦旋零件點云數(shù)據(jù)（數(shù)字化模型）及其CAD模型（參考模型）均導入Geomagic Qualify軟件。由于渦旋零件表面形狀不規(guī)則，選用 “基于特征”和“最佳擬合”的方式進行對齊操作，它是利用特征與特征、點與點間的匹配，從而達到兩個模型的整體對齊，對齊時可增加匹配的點數(shù)，提高對齊精度，對齊后效果如圖3所示。

表1 三維偏差分析結果/mm

表2 二維偏差分析結果/mm

2.2 三維分析

完成對齊操作后，進行兩個模型的三維比較和分析，可以獲得渦旋零件的外形偏差值，生成全面、直觀和形象的檢測結果，如圖 4（a）和圖 4（b）所示。圖 4（a）和圖 4（b）中標識的6處內外壁位置，其偏差的具體數(shù)值可利用“創(chuàng)建注釋”操作得出。設定上下偏差為±0.020 mm，三維偏差分析比較結果見表1。表中狀態(tài)欄的通過狀態(tài)表示為合格，失敗狀態(tài)為不合格。

2.3 二維分析

利用二維比較對渦旋零件任意截面進行檢測。截面的具體位置根據(jù)展開圖所標識的剖切位置確定，如圖5所示。在圖6所示截面上選取6個位置點進行分析，設定上下偏差為±0.020 mm，二維偏差分析比較結果見表2。表中狀態(tài)欄的通過狀態(tài)表示為合格，失敗狀態(tài)為不合格。

2.4 形位公差評估

為了實現(xiàn)動、靜零件的有效嚙合，對渦旋型面的加工精度要求較高，重要參數(shù)有渦旋型面的輪廓度和渦旋齒與端板的垂直度。故在參考模型上創(chuàng)建平面度、平行度、面輪廓度、垂直度形位公差，然后評估GD&T標注，在掃描數(shù)據(jù)上進行擬合，并產(chǎn)生反饋值，如圖7所示，基準面A為端板下表面，評估結果見表3。

表3 形位公差評估結果

3 結論

利用三坐標測量機獲取渦旋盤的表面點云數(shù)據(jù)，并運用Geomagic Qualify三維檢測軟件對獲得的數(shù)據(jù)進行檢測，進行了數(shù)字化模型與參考模型的二維分析、三維分析和形位公差評估。分析結果表明，復雜型面渦旋零件形位公差符合要求，但某些型面上的點存在著缺陷，加工誤差相對較大。該檢測方法適應性好，可快速、方便地對渦旋盤精度進行檢測。

［1］ 鄒付群,成思源,李蘇洋，等.基于geomagicqualify的軟件的沖壓件回彈檢測［J］.機械設計與研究,2010,26（2）:79-81.

［2］ 徐錚.逆向工程中復雜型面的坐標測量及重構技術［D］.蘭州:蘭州理工大學，2009.

［3］ 饒錫新,柳和生,鐘春華，等.基于3D對齊技術的沖壓件質量檢測［J］.機械設計與研究,2007,23（2）:90-94.

［4］ 程新平,李力,張科.逆向工程技術在水泵葉輪測量和加工中的應用［J］.CAD/CAM 與制造業(yè)信息化,2004（12）:50-52.

［5］ 張德海,梁晉,郭成，等.逆向工程的流程研究和基于Geomagic的實例應用 ［J］.機械研究與應用,2008,21（3）:106-108.

［6］ 杰魔（上海）軟件有限公司.三維檢測軟件GeomagicQualify［J］.航空制造技術,2009（20）:99.

［7］ 崔秀梅,馮文杰.逆向工程中的數(shù)據(jù)采集技術［J］.重慶工學院學報（自然科學），2008,22（8）:14-16.