汽車冷卻風扇葉片曲面的三坐標檢測研究

張俊鳳 王 真 田 波

（1.沙洲職業工學院，江蘇 蘇州215600；2.張家港中天精密模塑有限公司，江蘇 蘇州215600）

1 三坐標檢測流程

在汽車制造領域，汽車發動機占據了至關重要的位置。汽車發動機運轉達到一定溫度時必須進行適當的冷卻，以保證發動機的正常使用，從而確保發動機工作性能良好。而發動機冷卻系統的技術品質，主要取決于冷卻風扇的生產控制技術。汽車冷卻風扇的扇葉角度與形狀對發動機冷卻效果、氣流流場、風量、風壓、噪音有著直接影響，因此對冷卻風扇扇葉品質的檢測也要較其他產品嚴格復雜。

在現有條件下，采用高精度接觸式三坐標測量機（HEXAGON，分辨率＜0.001 mm，測量重復性＜0.002 mm）進行測量，采集能夠反映風扇葉片曲面的特征點，其工作流程如下：將汽車風扇3D數模導入三坐標軟件，依據風扇2D圖（圖1）分析測量基準，建立坐標系（粗基準、精基準），根據被測要素編寫測量程序；接下來對風扇實物在三坐標測量儀上進行定位裝夾，在風扇實物上采點，確定粗基準，將手柄切換到自動模式，進入自動測量；如果不能進行自動順利測量，還要再重新根據2D圖紙編寫測量程序；最后輸出數據報告。

圖1 冷卻風扇的2D圖

2 冷卻風扇葉片曲面的測量

2.1 工件的裝夾定位

由于冷卻風扇較輕，靠自身重量不能抵抗接觸式測頭沖擊力，需要用較重的夾具夾持風扇。風扇基體內外表面不能在一次裝夾下完成測量，一般需要二次定位，即重定位。每次定位都要放置成水平狀態，如圖2所示，將風扇擺放在帶有螺絲孔的通用工裝上，用2個彈性壓片夾緊固定。

由于冷卻風扇扇葉本身是一個扭曲的空間曲面，這就給準確測量曲面形狀帶來了很大的困難。所以，國內外都規定在某一截面上測量幾個點來代替。由于2D特征點反映的是同一平面內的輪廓線，而同一平面內的輪廓線可以用圓弧、直線進行擬合，所以在扇葉曲面上的2D點是沿著風扇的輪廓邊緣取點，在直線段上取2～4點，在圓弧段上取3～5點，對不容易判別的曲線一般取較密的點。

圖2 風扇的裝夾定位

2.2 測量基準 A、B、C的建立

選擇一個正確的基準對于測量來講非常重要，如果選擇不當，那么測量結果就會失真，會對判斷產品的合格與否帶來影響，同時對于模具也會判斷失誤，使得模具維修迷失方向，嚴重的話會造成模具報廢，損失嚴重。在對冷卻風扇基體與葉片邊界2D特征點進行三坐標測量之前，一定要對風扇結構特征進行認真分析。根據2D圖紙，在產品鑲件內孔取4點，粗定坐標系中心，從圓心出發在鑲件表面16 mm處均勻（每隔45°，半徑R＝8 mm）取8點形成A基準面，圓1（嵌件內孔）均勻取8點，圓2均勻取8點。圓1指向圓2為B基準，圓1為C基準，如圖3所示。

圖3 測量基準的建立及理論測量點

2.3 冷卻風扇的三坐標檢測

根據冷卻風扇的2D圖可知被測尺寸：21＃尺寸為（16.2±0.5）mm，22＃尺寸為（28.8±0.5）mm。根據圖紙意圖，理論測量方法如下：在ABC極坐標系下，自動測量點PT10，極坐標為（154.5，104.4，16.2），即在極坐標下，探針（球形針1.0 mm）走極徑R＝154.5 mm，極角＝104.4°，深度H＝16.2 mm；自動測量點PT1，極坐標為（154.5，91.4，28.8），即在極坐標下，探針走極徑R＝154.5 mm，極角＝91.4°，深度H＝28.8 mm；其余PT2、PT4、PT6、PT8按照PT10的測量方法進行測量，PT3、PT5、PT7、PT9按照PT1的測量方法進行測量，如圖4所示。

圖4 風扇的三坐標檢測

模具加工誤差以及注塑成型產品變形，會導致扇葉與扇葉之間的角度累計誤差，實際測量時采用以下測量方法：導入產品3D數模，在一片扇葉側邊處觸測1點，使得這個點的極徑為R＝154.5 mm（觸測的這一點要求選用柱形針測量，因為扇葉是不規則的曲面以及其厚度較薄，選用普通的球形針不能準確地觸測到該點），重新建立坐標系。將圓1與點1擬合直線1，將坐標系X軸圍繞Z旋轉到直線1，探頭自動更換球形探針，自動測量點2（在極坐標下，極徑R＝154.5 mm，極角＝－2.5°，深度H＝28.8 mm），自動測量點3（在極坐標下，極徑R＝154.5 mm，極角＝－15.5°，深度H＝16.2 mm）。

其余葉片上的點按照上述測量方法，必須要在每一片扇葉上建立一個坐標系進行測量，這樣可以避免扇葉與扇葉之間的角度累計誤差使得測量結果失真。

通過以上檢測方法，順利完成了對汽車冷卻風扇曲面的檢測。實踐證明，用本文的2D、3D特征點設計方法來檢測其他類型的汽車冷卻風扇，均取得了良好效果。

2.4 優化測量程序

為了保證整個測量過程及測量結果的穩定性，測量數據的可靠性以及操作的簡單化，我們對整個測量程序進行優化設計，由于扇葉片數有5個，為了避免數據統計錯誤，必須要在程序中插入注釋語句，讓其在輸出報告時清晰地顯示是第幾片扇葉的尺寸，以達到減輕勞動強度，提高工作效率，實現測量、計算、報告輸出一體化的目的。

3 結語

三坐標測量機的高精度、三坐標測量方案的可靠性，保證了汽車冷卻風扇三維數據點的精度。運用三坐標測量扇葉曲面形狀，解決了扇葉加工過程中曲面形狀測量的困難，實現了對扇葉質量的準確、快速檢測，保證了產品出貨的合格率。同時，為下一步生產現場推廣使用三坐標測量機進行扇葉曲面形狀測量和相關工藝尺寸檢測，建立三坐標測量體系打下了堅實的基礎和強有力的技術保障。

［1］徐開明，黃治國，鄭興林.渦輪導向器葉片喉道面積值的三坐標測量［J］.硅谷，2011（2）.

［2］郭成操.葉片型面三坐標測量的自適應采樣規劃及算法研究［J］.工具技術，2010（10）.