三維檢測技術在鏟斗頭部機加工中的應用

許昊，朱耀華，仝芮華，張琳偉，汪俊楠

中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471003

1 序言

大型礦用機械式挖掘機廣泛應用在煤炭、礦石等礦山的采掘作業中。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作業過程中的受力情況（作業阻力曲線）和鏟裝效果（滿斗率）。因此，鏟斗頭部的輪廓精度檢測成為保證鏟斗及其襯板的壽命和工作效率的關鍵因素。

為保證鏟斗頭部的輪廓精度，我們選擇用機加工的方式來保證其輪廓度符合設計要求。但鏟斗頭部形狀結構復雜，以往為保證其有足夠的加工余量，鑄造尺寸需要遠大于理論尺寸，然后通過機床加工完成其外形。這種方法會導致大量空刀、過切等情況，且存在加工周期長、毛坯利用率低、刀片損耗大等缺點。

三維檢測技術以其快速將實物轉化為數據的能力，廣泛應用在工業生產中。本文將以本公司自產的鏟斗頭部為例，介紹三維檢測技術在鏟斗頭部機加工中的應用。該應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，從而減少切削量，消除空吃刀量，并為后續鑄造件提供優化鑄造方案的數據基礎，提高生產效率，降低生產成本。

2 鏟斗頭部概況

該型鏟斗頭部（見圖1）長約5m，高約1.5m，是大型挖掘機鏟斗最前端的部分。該部分在安裝襯板后，主要承擔鏟起物料進入鏟斗的任務，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 檢測要求與儀器選用

根據檢測要求，需要向機加工部門提供兩方面數據。①毛坯余量：若余量不足，不予加工，返修后再次檢測。②加工基準：向機床提供可用于工件找正的加工基準。毛坯余量檢測通過測量模型與實體模型的比對得以實現；加工基準通過統一檢測坐標系與數控程序坐標系來實現。根據以上方案，我們決定采用三維掃描檢測方案來滿足上述要求。

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

本方案所使用的儀器為本公司采購的Handy SCAN 700型三維激光掃描儀（見圖2）和辰維MPS/S工業攝影測量系統（見圖3）。HandySCAN 700型三維激光掃描儀是一種便攜式計量級掃描儀，可形成由三角面片組成的等比例實體三維模型，經后續處理可制作NURBS曲面模型，通過NURBS曲面模型可以將其導入編程軟件進行加工編程。辰維MPS/S工業攝影測量系統是一套光學三坐標測量系統，其原理是通過采用高分辨率專用相機，在不同位置和方向獲取目標兩幅或多幅數字圖像，經圖像預處理、標志識別、圖像匹配、空間三角交會及光束平差后，得到待測點三維坐標，形成高精度點云模型。

圖2 HandySCAN 700型三維激光掃描儀

圖3 辰維MPS/S工業攝影測量系統

4 檢測方案

本檢測方案在現場分兩個步驟進行：第一步采用工業攝影測量系統對工件進行攝影測量，得到標志點的點云三維數據；第二步使用攝影測量的點云數據為基準對工件進行三維掃描。

由于HandySCAN 700型三維激光掃描儀最大視場寬度約為200mm，因此若單獨使用三維激光掃描儀，其掃描過程中產生的累積誤差會嚴重影響測量精度。為提高測量精度，降低累積誤差對檢測結果造成的影響，我們采用攝影測量點云數據來消除三維激光掃描儀累計誤差造成的影響。攝影測量系統單幅相片的視場即可覆蓋整個鏟斗頭部，在同一方向上不存在累計誤差，累計誤差僅為鏟斗頭部正反面拼接誤差，其測量誤差可滿足檢測精度要求。

鏟斗頭部屬于異形件，沒有可用于機床找正的基準面。使用檢測結果來指導機床進行機加工，需要在檢測時建立實物基準，使實物基準分別在檢測坐標系與數控程序坐標系下被有效識別，最后再由機床來識別實物基準，完成鏟斗頭部在機床上的找正。

4.1 實物基準與粘貼標志點

實物基準由23個定位點組成，其分布如圖4所示。其中3個分布在鏟齒頂部，4個分布在鏟臂兩側面，12個分前后分布在鏟斗頭部前后兩個主加工面，4個分布在鏟斗頭部豎直接合部。這23個定位點能夠完全限制鏟斗頭部的6個自由度，并可相互參照保證對齊精度。

圖4 23個定位點分布

在23個定位點位置，將標志點貼出十字形狀（見圖5），便于在隨后的攝影測量系統的點云中識別，中心標志點即為定位點。在整個鏟斗頭部所有表面上粘貼標志點，各標志點間距≤150mm，無序粘貼，不可規則排列。

圖5 粘貼標志點

4.2 攝影測量

采用攝影測量系統對鏟斗頭部進行拍攝，攝站位置圍繞整個鏟斗頭部，使軟件能夠有效識別出所有的標志點（見圖6）。由于工件屬于薄板件，正反拼接無法直接在工件上完成，故將部分標志點安置在地面，使用地面進行轉站，以完成正反拼接。

圖6 攝影測量

拍攝完成后，將照片導入攝影測量軟件中，開始對照片進行計算。計算完成后軟件自動形成點云數據（見圖7）。在刪除雜點與無效點、經光束法平差后，得到高精度三維點云數據。在點云數據中找到23個定位點，記錄其坐標值。此時23個定位點及點云均處在攝影測量坐標系中，該坐標系即檢測坐標系。

圖7 點云數據

4.3 三維掃描

將攝影測量系統所計算的點云數據導入三維激光掃描儀軟件中，掃描軟件將以該點云為基礎進行面掃描。將掃描儀分辨率調整至5mm，該分辨率既可保證工件表面的有效識別與精度，也可提高掃描效率，減少數據緩存量，提高軟件運行速度。使用三維激光掃描儀對鏟斗頭部的所有表面進行三維掃描（見圖8），得到由三角面片形成的掃描模型，掃描軟件可導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 統一坐標系

無論是掃描模型還是23個定位點，其坐標均來自于攝影測量系統，即檢測坐標系。根據攝影測量系統的原理，其坐標系X軸與Y軸為攝影測量第一張照片的橫縱軸，原點為照片中心點，故該坐標系位置是隨機的，無法復現且無使用價值，需要將檢測坐標系對齊至數控程序坐標系。

統一坐標系采用的軟件為Geomagic Control，這是一款模型分析軟件，可進行三維模型之間的比對分析。首先將掃描模型導入Geomagic Control軟件中，然后在模型上創建特征點，將23個定位點坐標輸入，使其成為掃描模型的子項目。然后將理論模型導入Geomagic Control軟件中（見圖9），該理論模型的坐標系為數控程序坐標系。使用最佳擬合功能，將兩模型初步對齊后，使用手動對齊，微調掃描模型，使其滿足設計與加工要求。完成調整后，攝影測量坐標系便不存在，掃描模型和23個定位點均統一至數控程序坐標系。

圖9 導入模型

5 檢測結果與數控加工

5.1 毛坯余量分析

在Geomagic Control軟件中，對統一坐標系后的三維模型進行三維分析，可得到三維色譜圖；通過色譜分析，可得到余量分布；通過點擊建立錨點，可得到具體位置余量數值（見圖10）。

圖10 余量分析

5.2 數控編程

由于掃描儀導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，其面片數量可達近千萬，這種模型無法很好地在NX等三維設計軟件中使用，因此需要將掃描模型轉化為NURBS曲面。

將統一坐標后的掃描模型導入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。將制作的模型導入NX等三維編程軟件中，即可進行數控加工編程等工作。

通過對模型進行模擬加工（見圖11），可準確分析全部加工過程，跳過空刀，合理設置進給量，優化加工方案，提高加工效率。

圖11 模擬加工

5.3 機床找正與數控加工

統一坐標系完成后，將23個定位點坐標值導出，便得到23個定位點在數控程序坐標系中的坐標值。加工機床通過尋點刀頭（見圖12）對23個定位點進行定位，將工件準確擺放至機床工作臺上，完成鏟斗頭部在數控程序坐標系下的復現。然后機床即可根據數控程序進行銑削加工（見圖13）。

圖12 尋點刀頭

圖13 銑削加工

6 結束語

該方案成功將三維掃描技術應用于機械加工中，有效解決了鏟斗頭部空刀、過切和無加工基準等問題，使加工過程變得可控且精確。在過去一年中，該型產品已加工20余件，整套流程更加連貫順暢，加工后輪廓度＜1mm。檢測不是目的，如何將檢測技術應用于加工生產才是我們檢測人員的最終追求。