三維檢測(cè)技術(shù)在鏟斗頭部機(jī)加工中的應(yīng)用

許昊，朱耀華，仝芮華，張琳偉，汪俊楠

中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽(yáng) 471003

1 序言

大型礦用機(jī)械式挖掘機(jī)廣泛應(yīng)用在煤炭、礦石等礦山的采掘作業(yè)中。由于鏟斗是直接接觸物料的工作部件，所以其面臨的損耗和沖擊也是最大的，尤其是鏟斗頭部，其外形直接影響鏟斗在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中的受力情況（作業(yè)阻力曲線）和鏟裝效果（滿(mǎn)斗率）。因此，鏟斗頭部的輪廓精度檢測(cè)成為保證鏟斗及其襯板的壽命和工作效率的關(guān)鍵因素。

為保證鏟斗頭部的輪廓精度，我們選擇用機(jī)加工的方式來(lái)保證其輪廓度符合設(shè)計(jì)要求。但鏟斗頭部形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以往為保證其有足夠的加工余量，鑄造尺寸需要遠(yuǎn)大于理論尺寸，然后通過(guò)機(jī)床加工完成其外形。這種方法會(huì)導(dǎo)致大量空刀、過(guò)切等情況，且存在加工周期長(zhǎng)、毛坯利用率低、刀片損耗大等缺點(diǎn)。

三維檢測(cè)技術(shù)以其快速將實(shí)物轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)的能力，廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。本文將以本公司自產(chǎn)的鏟斗頭部為例，介紹三維檢測(cè)技術(shù)在鏟斗頭部機(jī)加工中的應(yīng)用。該應(yīng)用能充分掌握鏟斗頭部的余量分布，并為加工提供高精度的找正定位點(diǎn)，從而減少切削量，消除空吃刀量，并為后續(xù)鑄造件提供優(yōu)化鑄造方案的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

2 鏟斗頭部概況

該型鏟斗頭部（見(jiàn)圖1）長(zhǎng)約5m，高約1.5m，是大型挖掘機(jī)鏟斗最前端的部分。該部分在安裝襯板后，主要承擔(dān)鏟起物料進(jìn)入鏟斗的任務(wù)，成品要求表面輪廓度≤2mm。需要加工的表面為異形面，用于安裝鏟齒襯板。

圖1 鏟斗頭部

3 檢測(cè)要求與儀器選用

根據(jù)檢測(cè)要求，需要向機(jī)加工部門(mén)提供兩方面數(shù)據(jù)。①毛坯余量：若余量不足，不予加工，返修后再次檢測(cè)。②加工基準(zhǔn)：向機(jī)床提供可用于工件找正的加工基準(zhǔn)。毛坯余量檢測(cè)通過(guò)測(cè)量模型與實(shí)體模型的比對(duì)得以實(shí)現(xiàn)；加工基準(zhǔn)通過(guò)統(tǒng)一檢測(cè)坐標(biāo)系與數(shù)控程序坐標(biāo)系來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)以上方案，我們決定采用三維掃描檢測(cè)方案來(lái)滿(mǎn)足上述要求。

可進(jìn)行三維掃描的掃描儀多種多樣，如使用三腳架進(jìn)行空間采集的地面三維掃描儀、搭配雙相機(jī)的手持掃描儀等。鏟斗頭部需要對(duì)其前、后、側(cè)、底所有面進(jìn)行掃描，根據(jù)本次被檢測(cè)工件的特點(diǎn)，我們決定采用攝影測(cè)量系統(tǒng)配合手持式三維激光掃描儀進(jìn)行檢測(cè)。

本方案所使用的儀器為本公司采購(gòu)的Handy SCAN 700型三維激光掃描儀（見(jiàn)圖2）和辰維MPS/S工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）。HandySCAN 700型三維激光掃描儀是一種便攜式計(jì)量級(jí)掃描儀，可形成由三角面片組成的等比例實(shí)體三維模型，經(jīng)后續(xù)處理可制作NURBS曲面模型，通過(guò)NURBS曲面模型可以將其導(dǎo)入編程軟件進(jìn)行加工編程。辰維MPS/S工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)是一套光學(xué)三坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，其原理是通過(guò)采用高分辨率專(zhuān)用相機(jī)，在不同位置和方向獲取目標(biāo)兩幅或多幅數(shù)字圖像，經(jīng)圖像預(yù)處理、標(biāo)志識(shí)別、圖像匹配、空間三角交會(huì)及光束平差后，得到待測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，形成高精度點(diǎn)云模型。

圖2 HandySCAN 700型三維激光掃描儀

圖3 辰維MPS/S工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)

4 檢測(cè)方案

本檢測(cè)方案在現(xiàn)場(chǎng)分兩個(gè)步驟進(jìn)行：第一步采用工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)工件進(jìn)行攝影測(cè)量，得到標(biāo)志點(diǎn)的點(diǎn)云三維數(shù)據(jù)；第二步使用攝影測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)對(duì)工件進(jìn)行三維掃描。

由于HandySCAN 700型三維激光掃描儀最大視場(chǎng)寬度約為200mm，因此若單獨(dú)使用三維激光掃描儀，其掃描過(guò)程中產(chǎn)生的累積誤差會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精度。為提高測(cè)量精度，降低累積誤差對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成的影響，我們采用攝影測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)消除三維激光掃描儀累計(jì)誤差造成的影響。攝影測(cè)量系統(tǒng)單幅相片的視場(chǎng)即可覆蓋整個(gè)鏟斗頭部，在同一方向上不存在累計(jì)誤差，累計(jì)誤差僅為鏟斗頭部正反面拼接誤差，其測(cè)量誤差可滿(mǎn)足檢測(cè)精度要求。

鏟斗頭部屬于異形件，沒(méi)有可用于機(jī)床找正的基準(zhǔn)面。使用檢測(cè)結(jié)果來(lái)指導(dǎo)機(jī)床進(jìn)行機(jī)加工，需要在檢測(cè)時(shí)建立實(shí)物基準(zhǔn)，使實(shí)物基準(zhǔn)分別在檢測(cè)坐標(biāo)系與數(shù)控程序坐標(biāo)系下被有效識(shí)別，最后再由機(jī)床來(lái)識(shí)別實(shí)物基準(zhǔn)，完成鏟斗頭部在機(jī)床上的找正。

4.1 實(shí)物基準(zhǔn)與粘貼標(biāo)志點(diǎn)

實(shí)物基準(zhǔn)由23個(gè)定位點(diǎn)組成，其分布如圖4所示。其中3個(gè)分布在鏟齒頂部，4個(gè)分布在鏟臂兩側(cè)面，12個(gè)分前后分布在鏟斗頭部前后兩個(gè)主加工面，4個(gè)分布在鏟斗頭部豎直接合部。這23個(gè)定位點(diǎn)能夠完全限制鏟斗頭部的6個(gè)自由度，并可相互參照保證對(duì)齊精度。

圖4 23個(gè)定位點(diǎn)分布

在23個(gè)定位點(diǎn)位置，將標(biāo)志點(diǎn)貼出十字形狀（見(jiàn)圖5），便于在隨后的攝影測(cè)量系統(tǒng)的點(diǎn)云中識(shí)別，中心標(biāo)志點(diǎn)即為定位點(diǎn)。在整個(gè)鏟斗頭部所有表面上粘貼標(biāo)志點(diǎn)，各標(biāo)志點(diǎn)間距≤150mm，無(wú)序粘貼，不可規(guī)則排列。

圖5 粘貼標(biāo)志點(diǎn)

4.2 攝影測(cè)量

采用攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)鏟斗頭部進(jìn)行拍攝，攝站位置圍繞整個(gè)鏟斗頭部，使軟件能夠有效識(shí)別出所有的標(biāo)志點(diǎn)（見(jiàn)圖6）。由于工件屬于薄板件，正反拼接無(wú)法直接在工件上完成，故將部分標(biāo)志點(diǎn)安置在地面，使用地面進(jìn)行轉(zhuǎn)站，以完成正反拼接。

圖6 攝影測(cè)量

拍攝完成后，將照片導(dǎo)入攝影測(cè)量軟件中，開(kāi)始對(duì)照片進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算完成后軟件自動(dòng)形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖7）。在刪除雜點(diǎn)與無(wú)效點(diǎn)、經(jīng)光束法平差后，得到高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中找到23個(gè)定位點(diǎn)，記錄其坐標(biāo)值。此時(shí)23個(gè)定位點(diǎn)及點(diǎn)云均處在攝影測(cè)量坐標(biāo)系中，該坐標(biāo)系即檢測(cè)坐標(biāo)系。

圖7 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4.3 三維掃描

將攝影測(cè)量系統(tǒng)所計(jì)算的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維激光掃描儀軟件中，掃描軟件將以該點(diǎn)云為基礎(chǔ)進(jìn)行面掃描。將掃描儀分辨率調(diào)整至5mm，該分辨率既可保證工件表面的有效識(shí)別與精度，也可提高掃描效率，減少數(shù)據(jù)緩存量，提高軟件運(yùn)行速度。使用三維激光掃描儀對(duì)鏟斗頭部的所有表面進(jìn)行三維掃描（見(jiàn)圖8），得到由三角面片形成的掃描模型，掃描軟件可導(dǎo)出可用于三維分析和三維建模的.stl格式文件。

圖8 三維掃描

4.4 統(tǒng)一坐標(biāo)系

無(wú)論是掃描模型還是23個(gè)定位點(diǎn)，其坐標(biāo)均來(lái)自于攝影測(cè)量系統(tǒng)，即檢測(cè)坐標(biāo)系。根據(jù)攝影測(cè)量系統(tǒng)的原理，其坐標(biāo)系X軸與Y軸為攝影測(cè)量第一張照片的橫縱軸，原點(diǎn)為照片中心點(diǎn)，故該坐標(biāo)系位置是隨機(jī)的，無(wú)法復(fù)現(xiàn)且無(wú)使用價(jià)值，需要將檢測(cè)坐標(biāo)系對(duì)齊至數(shù)控程序坐標(biāo)系。

統(tǒng)一坐標(biāo)系采用的軟件為Geomagic Control，這是一款模型分析軟件，可進(jìn)行三維模型之間的比對(duì)分析。首先將掃描模型導(dǎo)入Geomagic Control軟件中，然后在模型上創(chuàng)建特征點(diǎn)，將23個(gè)定位點(diǎn)坐標(biāo)輸入，使其成為掃描模型的子項(xiàng)目。然后將理論模型導(dǎo)入Geomagic Control軟件中（見(jiàn)圖9），該理論模型的坐標(biāo)系為數(shù)控程序坐標(biāo)系。使用最佳擬合功能，將兩模型初步對(duì)齊后，使用手動(dòng)對(duì)齊，微調(diào)掃描模型，使其滿(mǎn)足設(shè)計(jì)與加工要求。完成調(diào)整后，攝影測(cè)量坐標(biāo)系便不存在，掃描模型和23個(gè)定位點(diǎn)均統(tǒng)一至數(shù)控程序坐標(biāo)系。

圖9 導(dǎo)入模型

5 檢測(cè)結(jié)果與數(shù)控加工

5.1 毛坯余量分析

在Geomagic Control軟件中，對(duì)統(tǒng)一坐標(biāo)系后的三維模型進(jìn)行三維分析，可得到三維色譜圖；通過(guò)色譜分析，可得到余量分布；通過(guò)點(diǎn)擊建立錨點(diǎn)，可得到具體位置余量數(shù)值（見(jiàn)圖10）。

圖10 余量分析

5.2 數(shù)控編程

由于掃描儀導(dǎo)出的格式是由三角面片組成的.stl格式的模型，該模型屬于碎片化表面模型，在本案例中，其面片數(shù)量可達(dá)近千萬(wàn)，這種模型無(wú)法很好地在NX等三維設(shè)計(jì)軟件中使用，因此需要將掃描模型轉(zhuǎn)化為NURBS曲面。

將統(tǒng)一坐標(biāo)后的掃描模型導(dǎo)入Geomagic Studio中，利用精確曲面功能，將掃描模型制作成.stp等格式的NURBS曲面模型。將制作的模型導(dǎo)入NX等三維編程軟件中，即可進(jìn)行數(shù)控加工編程等工作。

通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行模擬加工（見(jiàn)圖11），可準(zhǔn)確分析全部加工過(guò)程，跳過(guò)空刀，合理設(shè)置進(jìn)給量，優(yōu)化加工方案，提高加工效率。

圖11 模擬加工

5.3 機(jī)床找正與數(shù)控加工

統(tǒng)一坐標(biāo)系完成后，將23個(gè)定位點(diǎn)坐標(biāo)值導(dǎo)出，便得到23個(gè)定位點(diǎn)在數(shù)控程序坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。加工機(jī)床通過(guò)尋點(diǎn)刀頭（見(jiàn)圖12）對(duì)23個(gè)定位點(diǎn)進(jìn)行定位，將工件準(zhǔn)確擺放至機(jī)床工作臺(tái)上，完成鏟斗頭部在數(shù)控程序坐標(biāo)系下的復(fù)現(xiàn)。然后機(jī)床即可根據(jù)數(shù)控程序進(jìn)行銑削加工（見(jiàn)圖13）。

圖12 尋點(diǎn)刀頭

圖13 銑削加工

6 結(jié)束語(yǔ)

該方案成功將三維掃描技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械加工中，有效解決了鏟斗頭部空刀、過(guò)切和無(wú)加工基準(zhǔn)等問(wèn)題，使加工過(guò)程變得可控且精確。在過(guò)去一年中，該型產(chǎn)品已加工20余件，整套流程更加連貫順暢，加工后輪廓度＜1mm。檢測(cè)不是目的，如何將檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于加工生產(chǎn)才是我們檢測(cè)人員的最終追求。