復(fù)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(xué)機電工程學(xué)院 蘭州 730050

渦旋壓縮機是一種節(jié)能、省材的新型回轉(zhuǎn)式壓縮機械，具有結(jié)構(gòu)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(diào)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(guān)鍵零件,而動、靜盤的內(nèi)外渦旋面又是關(guān)鍵中的關(guān)鍵,它們的加工質(zhì)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(jìn)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(jié)果還會過多地受人為主觀因素的影響，檢測結(jié)果難以科學(xué)、直觀地來定量表達(dá)。對于渦旋零件檢測方面的文獻(xiàn)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(zhuǎn)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(jìn)行測量，具有適應(yīng)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(zhì)量提供準(zhǔn)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(shè)備，將渦旋零件表面幾何形狀轉(zhuǎn)換成離散的三維坐標(biāo)點數(shù)據(jù)，它是檢測過程的第一步，也是很關(guān)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(jié)果。因此，得到點云數(shù)據(jù)后，應(yīng)該對點云進(jìn)行適當(dāng)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(guān)軟件的環(huán)境下與參考模型（設(shè)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(jìn)行一定的位置變換操作，使其統(tǒng)一到參考模型的坐標(biāo)系下，并使兩者最大限度地重合。比較分析是在對齊的基礎(chǔ)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(dá)到檢測的目的。其中對齊方式主要有3種：基準(zhǔn)／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(jìn)行尺寸標(biāo)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(jié)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(jié)果以圖文方式直觀顯示出來，有利于檢測結(jié)果的共享。

2 渦旋零件檢測

2.1 檢測步驟

首先將設(shè)計好的渦旋零件三維建模文件導(dǎo)出為iges或stp格式文件，作為目標(biāo)參考文件。其次，將加工好的渦旋零件在三坐標(biāo)測量機上采集點云數(shù)據(jù)作為檢測文件，與目標(biāo)參考文件進(jìn)行比對。最后，在Geomagic Qualify軟件里將檢測文件與目標(biāo)參考文件同時導(dǎo)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(shè)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(dǎo)出為iges或stp文件，作為目標(biāo)參考文件。

（2）生成被檢測工件的點云數(shù)據(jù)。基于三坐標(biāo)測量機的數(shù)據(jù)采集是檢測的關(guān)鍵，精準(zhǔn)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(dá)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(jié)果

▲圖5 剖切截面位置

▲圖6 二維分析比較結(jié)果

▲圖7 形位公差評估結(jié)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(dǎo)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(jìn)行對齊操作，它是利用特征與特征、點與點間的匹配，從而達(dá)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(jié)果/mm

表2 二維偏差分析結(jié)果/mm

2.2 三維分析

完成對齊操作后，進(jìn)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(jié)果，如圖 4（a）和圖 4（b）所示。圖 4（a）和圖 4（b）中標(biāo)識的6處內(nèi)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(shè)定上下偏差為±0.020 mm，三維偏差分析比較結(jié)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(jìn)行檢測。截面的具體位置根據(jù)展開圖所標(biāo)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(jìn)行分析，設(shè)定上下偏差為±0.020 mm，二維偏差分析比較結(jié)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(biāo)注，在掃描數(shù)據(jù)上進(jìn)行擬合，并產(chǎn)生反饋值，如圖7所示，基準(zhǔn)面A為端板下表面，評估結(jié)果見表3。

表3 形位公差評估結(jié)果

3 結(jié)論

利用三坐標(biāo)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(jìn)行檢測，進(jìn)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(jié)果表明，復(fù)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(yīng)性好，可快速、方便地對渦旋盤精度進(jìn)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(shè)計與研究,2010,26（2）:79-81.

［2］ 徐錚.逆向工程中復(fù)雜型面的坐標(biāo)測量及重構(gòu)技術(shù)［D］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2009.

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

［4］ 程新平,李力,張科.逆向工程技術(shù)在水泵葉輪測量和加工中的應(yīng)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(yīng)用 ［J］.機械研究與應(yīng)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(shù),2009（20）:99.

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