关节臂扫描仪在锻件测量上的应用

文/王俊亮·海克斯康测量技术（青岛）有限公司

关节臂扫描仪在锻件测量上的应用

文/王俊亮·海克斯康测量技术（青岛）有限公司

对锻件的准确测量可以提高锻件的精度，减少资源浪费，目前我国大多数锻件生产厂主要采用传统人工测量的方式，效率低，误差大。本文论述了利用关节臂三坐标测量机扫描锻件，提出以中点对齐的方法，该方法操作简单、快速，适用性广，测量结果能够达到实际要求。

锻件是大型装备的核心构件，在飞机制造、大型柴油机、船用设备、兵器装备、电力设备等方面应用广泛。锻件加工质量的提高对于国家装备制造水平的提升具有重大意义。

锻件外形尺寸是零件生产中必须及时检测的一项重要指标，检测后画出的基准线是后续加工的基准，对锻件尺寸的测量直接影响到后续加工成品的合格率。对于锻件的准确测量还有助于分析锻造过程中零件的变形趋势，指导工装人员对锻造模具进行修整，提升钢锭利用率。

目前，国内锻造厂主要利用卡尺、高度尺画线测量，这种方式在测量锻件不同方向时需要多次吊装调平，只能测量到部分点，并提供一维数据，不能全面反映锻件的状态，对锻造过程中零件变形趋势分析不够精确。

关节臂三坐标测量机是一种新型的非三轴正交三坐标测量机，其特点是质量轻、携带方便，对工作环境要求低，在0～50℃均可以使用，测量精度高，根据锻件温度的不同可以选择硬测头、激光测头、管件测头，可以满足车间现场测量。在锻件测量时，一般采用激光扫描测头扫描锻件的点云数据，建立好坐标系，分析点云数据，可以直接得到被测量零件任意部分的三维误差，还可以通过平移坐标实现接量，利用硬测头在零件上标记基准线，为后续机床精加工提供基准线。

关节臂三坐标测量过程

锻件测量时需要得到整体偏差情况，对整体变形做出趋势分析，因此在测量时我们采用关节臂测量加激光扫描测头。激光扫描测头利用激光三角测量原理，配合关节臂三坐标测量机可以快速得到被测量零件的点云信息。ROMERRA7325SI关节臂测量机的扫描过程如图1所示，扫描的点云如图2所示。

最佳拟合对齐及分析

通过关节臂三坐标测量机和激光扫描测头得到的被测量零件的点数据在关节臂三坐标的坐标系（或机器坐标系）上保存，零件数模一般以零件坐标系保存。因此需要将机器坐标系转化为零件坐标系。目前，坐标系的转化方法以3-2-1建立坐标系法、最佳拟合建立坐标系法、RPS建立坐标系法为主。3-2-1建立坐标系法和RPS建立坐标系法明显不适用于该类零件，图3是最佳拟合结果。

图1 扫描过程

图2 扫描的点云数据

图3 最佳拟合对齐结果

从图4基准截面分析可知，采用最佳拟合法对齐后基准基面上部点云相对于数模高出10mm左右，下部低1～2mm。锻件在后续加工时先要以基准部分中分线为基准加工，以最佳拟合方式对齐不能达到指导加工的目的，因此在测量时需要找到点云基准部分的中点和数模中基准部分的中点，以点云中点对齐到数模中点。

中点对齐及分析如图5所示，分别在X、Y、Z三个方向的基准部分选取中点，以中点对齐，如图6所示。从图7中可以看出基准基面上下两个方向基本均分，达到工艺最基本的要求。

对齐坐标系后可以利用色差图表现不同位置的测量结果，也可以直接点选关注点的偏差值，如图8所示，如果需要向某个方向借量，则可以通过软件中平移坐标的方式实现。

图4 基准截面分析

图5 Z方向基准部分各中点的选取

图6 以中点对齐的结果

图7 中点对齐后截面分析

坐标系调整后可以利用关节臂三坐标中硬测头中的针式测尖找到三个方向的基准线做出标记、画出加工基准线，后续机床加工时利用该基准线作为加工基准。

图8 最终测量结果

图9 测量时采用的设备

使用画线测量方式测量一个零件需要8h，误差大，人为因素影响较大，结果不能复现。利用关节臂三坐标激光扫描设备扫描和处理一个零件仅需要1h，系统可靠性高，结果可以复现，可以向下游传递，对于测量数据可以随时调出查看。

关节臂三坐标的选择及注意事项

海克斯康测量技术（青岛）有限公司目前提供RA7系列和Stinger系列关节臂测量机，激光扫描有RS系列和CMS系列扫描测头。由于锻件的精度相对较低，一般采用RA73+SI系列扫描测头，根据被测量零件的大小选择不同测量直径的设备。RA73系列测量范围从1.5～4.5m不等。RS测头扫描速度为50000点/s，工作距离为150mm，深度为100mm，利用RS测头自动曝光功能自动调整曝光系数（测量设备如图9所示）。在扫描过程中软件会自动根据被测量面的曲率信息自动过滤。过滤后曲率变化大的区域点数较多，曲率变化小的区域点数较少，如图10所示。

对于多次扫描可以利用转站功能拼接，即在零件上布置标准球或标准圆锥，在扫描前先测量出来，然后用测量数据拼接；还可以利用前后两次扫描公共部分的数据拼接，对于超亮、黑亮零件可以利用CMS108激光扫描测头扫描，CMS系列测头独有的飞点模式可以扫描超亮、黑亮零件。

图10 按曲率优化后的点云

结束语

本文提出了利用关节臂三坐标扫描仪测量锻件外形尺寸的方法，利用中点建立坐标系，该方法能够满足目前锻件检测要求。利用关节臂三坐标扫描仪在检测锻件时，具有非接触、快速、操作简单等特点。

王俊亮，工程师，主要研究方向为关节臂测量机在机械制造方面的应用。