高精度平面檢測技術及在發動機制造中的應用

張成明，徐正發，王大明

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

隨著社會的不斷發展，制造行業競爭也越來越激烈，產品更新換代越來越快，制造精度要求提升到微米級；各類新材料、新工藝、新裝備不斷出現，帶來設計、加工、檢測、控制等方面的巨大沖擊。2008年，美國高校（密西根大學）、主機廠（福特、通用等）、設備供應商（科惠力）在政府和行業支持下正式啟動了兩微米項目，把微米級形貌掃描測量應用在精密加工過程中，對現有制造能力進行全面的提升。

2010年1月，上汽通用五菱、上海交大以及科惠力成立了兩微米項目，組成產學研團隊，共同探索發動機制造過程中關鍵尺寸、形位公差對發動機性能的影響關系，以及發動機制造精度與性能匹配的關系。兩微米項目采用了高精度平面檢測設備進行數據測量分析，其測量原理為光學干涉3D成像技術。

1 光學干涉3D成像測量原理

1.1 光學干涉3D成像的原理

當兩列或幾列光波在空間相遇時相互疊加，在某些區域始終加強，在另一些區域則始終削弱，形成穩定的強弱分布的現象就是光的干涉現象（如圖1、圖2）。

圖1 平面波紋干涉圖

圖2 立體波紋干涉圖

光產生穩定干涉有以下兩個條件：

（1）兩列光波的頻率相同；

（2）位相差恒定，振動方向一致的相干光源。

1.2 光學干涉3D成像的應用

干涉是波獨有的特性，科學家為了驗證光是波，而對光進行了干涉實驗，光學干涉3D成像正是建立在這個基礎上不斷發展的。目前光學干涉3D成像技術主要應用在：攝影業，醫學科內窺檢測，軍工業，制造業平面測量等。隨著該技術的發展，應用越來越廣泛，與日常生活的聯系也越來越緊密。

在兩微米項目中，科惠力公司提供了一款利用光學干涉成像的設備，簡稱ShaPix，測量零件表面平面度、波紋度等，將光學干涉3D成像技術應用于精密加工制造業中。

2 設備介紹

2.1 設備特點

高精度平面檢測技術是通過多波長數字全息技術重建表面的三維形貌來實現的。這種非接觸式的測量過程會生成反映零件表面形貌的三維高精度、高密度點集。相比較于傳統的測量方式（如三坐標測量）具有采點多，精度高，能反應表面所有的信息等優點。

2.2 設備的配置

表1 ShaPix設備配置

圖3 ShaPix設備圖

2.3 基本測量原理

該設備利用激光反射后干涉波攜帶有被測表面高度信息，將干涉圖像進行轉換生成3D高度圖來表示被測零件的表面狀態，具體原理見下（圖4和圖5）

圖4 激光干涉測量原理

圖5 對像素進行傅里葉變化生成三維圖像

2.4 數據處理功能

強大的數據處理能力，對測量數據可以做以下處理：

①3D色彩圖：用色彩、高度形象的反應零件表面狀態；

②2D色彩圖：用不同色彩反應零件表面狀態；

③測量、顯示零件局部特征；

④能將數據輸出成EXCEl、Q-DAS，方便對數據進行后續處理。

2.5 高精度平面測量系統與傳統測量技術對比

上汽通用五菱機加工車間配有蔡斯三座標測量儀，可以對零件進行整體平面度及局部平面度的測量。三座標所輸出的報告精度可以達到0.1u，通過設定的較為離散測量路徑來反映出當前零件的狀態，且每個尺寸均有對應的特征代號（如圖6）。但局限性在于：具體是哪個區域出現超差不能直觀的從報告中反映出來，對快速、有針對性問題解決帶來一定的難度。

圖6 基于特征代號的傳統三座標測量報告

高精度平面測量系統與傳統三座標測量不同之處在于：測量精度同樣達到0.1u,且擁有高清晰的測量結果，采樣密度達到每平方毫米44個采樣點，測量結果采用三維及二維彩色圖片并使用友好的報表顯示，使得用戶對零件表面形貌的理解變得快速、直觀、準確。ShaPix輸出的整體平面度及局部平面度（如圖7、圖8）?，F將兩種測量系統進行對比（如表2）。

當被測表面為曲面、毛坯面或者表面由多種不同材料組成時，激光會發生散射或者因反射率不同，導致干涉圖紋減少或干涉圖紋不清晰，以致測量精度降低。所以高精度平面檢測設備主要適用于測量已經加工過的，且表面材料一致或者幾種光反射率相近的材料組成的表面；而對曲面，或多種材料組成的平面精度較低。

圖7 ShaPix輸出的整體平面度

表2 高精度平面檢測設備與傳統三座標對比表

3 在發動機制造過程中的應用

在發動機典型零件上的應用，如缸體襯套，缸蓋墊片的三維檢測報告(如圖9、圖10)。

圖9 3D缸體襯套

圖10 3D缸蓋墊片

案例：解決缸蓋底面毛刷刷不完問題

發動機缸蓋底面的工藝要求精度較高，平面度要求小于0.05mm、粗糙度小于Ra0.8。在實際生產中，出現過缸蓋底面部分區域粗糙度超差的現象。超差區域位于毛刷的接刀部位及缸蓋邊緣（如圖11）。

出現問題的刷子的表面呈圓弧狀，中間較外緣凸起，最高點與周邊較低點高度差約1.5mm（如圖12）。新毛刷不存在磨損，故高度差基本為零；使用過程中，毛刷的邊緣線速度大于中間部分，同樣旋轉一周，外緣比中間的線速度要高很多，外緣毛刷切削的路程比中間部分多，故磨損程度更大，消耗快，產生高度差。

圖11 缸蓋底面粗糙度超差區域

圖12 毛刷磨損后形成高度差

新毛刷時，程序設定刀具0.5mm的切深，因此外緣的毛刷會受擠壓而外翻，接刀處形成一定寬度的重疊區域。隨著刀具壽命增加，毛刷逐漸形成高度差，重疊區域逐漸減小，當刀具壽命增加到一定程度以后（如3 000以上），在接刀處，原來的重疊區域消失，反而出現了三角形的空隙，便會產生毛刷刷不到區域，導致工件表面凸起（如圖13）。底部區域凸起原因相似。使用ShaPix測量，中間區域及底部邊緣區域存在凸起部位（如圖14）。原走刀路徑，刀具路徑本身沒有重疊區域（如圖15）。

圖13 刷不完區域產生過程示意圖

圖14 中間及邊緣刷不完（刀具壽命3238）

圖15 刷子走刀路徑（圓圈部位容易出現刷不到）

對毛刷的走刀路徑進行優化，由原來刀具路徑本身沒有重疊，改為刀具路徑本身存在重疊，以彌補毛刷磨損后形成的三角間隙，底部區域路徑增加了走刀長度，以刷完整個表面，改進后路徑（如圖17）。更改路徑后，追蹤刀具在整個壽命期間的表面形貌及平面度情況，沒有再出現局部區域刷不到的現象（如圖 16）。

圖16 中間及邊緣刷不完區域已經有較大改善（刀具壽命3120）

圖17 更改后毛刷走刀路徑

4 結論

目前3D成像技術在制造工廠的應用還處于起步階段，從本文的應用實例來看，其直觀的三維測量報告在指導用戶解決質量問題方面的優勢已經非常顯著。與傳統三座標測量相比，高精度平面檢測設備可將零件表面形貌描繪的更直觀、更準確，利于質量問題的高效解決。隨著設備的制造精度不斷提高，測量設備的要求也隨之提高。高精密平面測量設備為制造企業提供了良好的檢測方案。

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