拍照式三維掃描儀在檢測航天曲面薄壁工件中的應用

劉延平 郭 國 朱亞蓉 韓 晉 孫 振

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拍照式三維掃描儀在檢測航天曲面薄壁工件中的應用

劉延平 郭 國 朱亞蓉 韓 晉 孫 振

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

以某薄壁曲面零件為例，介紹了應用拍照式三維掃描儀檢測工件曲面輪廓偏差及厚度。通過引入特制工裝，無需在產品上粘貼標記點，即可使用三維拍照測量機獲取產品工程模型，避免了多余物的產生。將工程模型與理論模型進行最佳擬合，通過數模對比，最終實現復雜自由曲面誤差評定及厚度檢測。結果證明，該方法準確有效，為工程測量人員解決同類問題提供有利依據。

三維掃描儀；曲面輪廓偏差；厚度

1 引言

某曲面薄壁工件是構成火箭貯箱的重要組成部分，該工件的曲面輪廓度和厚度具有較高的精度要求，因而在經過滾彎及化銑加工后，需要檢測其壁厚及曲面輪廓偏差。目前檢測厚度的方法為：超生測厚儀點測法，即人工手持超生測厚儀在工件上抽樣取點檢測，該測量方法精度較高，但是存在漏檢風險，即使增加取點密度也無法完全避免漏檢風險，反而降低檢測效率。目前檢測輪廓誤差的方法為：將工件與模胎貼合，通過塞尺及手敲的方法檢測，該檢測方法精度較差，過多的依賴人工經驗，無法將測量結果量化。綜上所述，現有的壁厚及曲面輪廓檢測的一致性、全面性及可靠性較差，使運載火箭存在較大的質量隱患。

本文擬采用拍照式三維掃描測量技術解決上述問題。因拍照式三維掃描儀必須使用標記點，將標記粘貼在被測工件上輔助測量增加了多余物風險，與航天產品控制多余物的準則相悖。通過引入特制工裝，有效避免了多余物的產生，并提高了檢測效率。

2 掃描獲取工件模型

白光拍照式高精度三維掃描儀精度參數為0.02mm/m。為了確保測量的準確性，對測量環境進行了控制。在整個測量過程中，測量條件均滿足：測量室內氣溫為20～22℃，濕度為45%～55%，且現場無風、無振動、無強光干擾。

2.1 引入輔助工裝

根據被測量工件的輪廓形狀，將剛性較好的桁條通過膠結制作輔助工裝，如圖1所示。將標記點粘貼在輔助工裝上，該工裝猶如“衣服”，在測量產品前，將輔助工裝套在產品上。在測量過程中確保工裝與產品之間不產生相對位移，即可滿足測量要求，保證數據的準確性。

圖1 輔助工裝

2.2 三維掃描儀獲取曲面工程模型

將輔助工裝套在工件上，確保牢固。將工件以豎立的姿態放置并固定，操作拍照式三維掃描儀環繞工件，通過拍照掃描獲取產品的點云數據，掃描過程如圖2所示。值得注意的是，因為需要評價產品的厚度，因此工件的正反面均需要掃描。

圖2 拍照掃描獲得工程模型

將拍照掃描所得數據，通過對齊、合并等步驟，最終得到工件的工程模型（三角化模型）如圖3所示。因工裝遮擋原因，局部小范圍區域沒有掃描數據，不會影響整體的測量結果。

圖3 掃描所得工程模型

3 評價測量結果

3.1 評價曲面輪廓偏差

使用Polyworks軟件，將掃描得到的工程模型與理論模型最佳擬合，生成色差圖，以色差圖形式給出工件凹面的輪廓偏差值，如圖4所示。由色差圖可知，曲面輪廓偏差值在±0.3mm以內，小于允許公差值±1mm，滿足設計要求。

圖4 曲面輪廓偏差色差圖

3.2 評價產品厚度

工件凸面的邊緣區域存在臺階，故厚度分為薄區（中間區域）和厚區（邊緣區域），需要評價兩個區域的厚度。在Polyworks軟件中，設置延曲面法線方向評價產品厚度，并以色差圖形式顯示測量結果，薄區厚度顯示如圖5所示。由色插圖及厚度數據可知，厚度值范圍為1.6～1.9mm。在薄區選擇10個位置進行厚度抽查，并同超聲測厚儀的檢測結果對比，二者檢測結果偏差均小于0.02mm，符合設計要求。

圖5 薄區厚度色差圖

圖6 厚區厚度色差圖

厚區（邊緣區域）顯示如圖6所示。由色差圖及厚度數據點可知，厚度值范圍為3.5～3.9mm。在厚區選擇10個位置抽查，并同超聲測厚儀的檢測結果對比，二者檢測結果偏差均小于0.02mm，符合設計要求。

4 結束語

本文采用拍照式三維掃描儀，通過引入自制輔助工裝，成功獲取工件的工程模型，有效避免了多余物產生。通過數據處理和計算，成功評價工件的厚度及曲面輪廓偏差值，并驗證了測量結果的有效性。

本文所采用的檢測方法與傳統的檢測方法相比，檢測的全面性、一致性及可靠性較高，為工程檢測人員檢測同類產品提供了一種有效的解決方案。

1 潘淑清.幾何精度規范學[M]. 北京：北京理工大學出版社，2003. 4～32

2 孫路.復雜型面非接觸式三維掃描與建模研究[D]. 上海：華東理工大學，2012

3 李洪全. 實用坐標測量技術[M]. 北京：化學工業出版社，2007. 51～72

4 劉繼明. 葉片型面測量技術研究及其誤差分析[D]. 吉林：吉林大學，2015

5 費業泰. 誤差理論與數據處理[M]. 北京：機械工業出版社，2015. 84～100

Application of Three-dimensional Scanner in Detecting Aerospace Curved Thin-wall Parts

Liu Yanping Guo Guo Zhu Yarong Han Jin Sun Zhen

(Tianjin Long March Rocket Aerospace Manufacturing Co., Ltd., Tianjin 300462)

This article takes a curved thin-wall part as an example, and introduces the 3d scanner for detecting the surface profile error and thicknesses of part. The special tooling is introduced to eliminate the need to paste marks on products, so the product engineering model can be obtained by using a 3d camera measuring machine, which avoids the production of reminders. The engineering model is best fitted with the theoretical model, and the error evaluation and thickness detection of the complex free surface are finally realized through mathematical model comparison. The results show that this method is effective and provides a favorable basis for engineering surveying personnel to solve similar problems.

three-dimensional scanner；surface profile error；thickness

劉延平（1968），工程師，機械工程專業；研究方向：航天產品精密檢測技術。

2018-02-26