涡轮逆向工程的三维扫描检测技术

谢雪冬

(黑龙江科技大学 现代制造工程中心, 哈尔滨 150022)



涡轮逆向工程的三维扫描检测技术

谢雪冬

(黑龙江科技大学 现代制造工程中心, 哈尔滨 150022)

为提高涡轮的三维扫描检测技术水平,采用三维扫描的相位测量技术获取涡轮增压器三维点云数据。利用三维点云数据重构涡轮检测模型,并应用GEOMAGIC QUALIFY软件对其进行3D误差分析和尺寸标注。实验结果表明:涡轮70%左右的数据点云与实物模型之间的偏差在-0.2～0.2 mm之间,能够满足涡轮检测质量要求。

逆向工程; 测量; 检测; 质量评价

近年来, 我国经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐,节能减排成为国家宏观调控政策的工作重点。汽车排放的尾气已经成为我国大中城市的主要污染源。涡轮增压器可以提升汽车动力、节约燃油和降低排放。因此,涡轮增压器的发展成为汽车厂商们不断追求的目标。

笔者通过现有的某涡轮增压器进行三维扫描,进而获得它的点云数据,对其进行产品的质量检测与评价。

1　涡轮型面三维扫描

三维扫描技术是非接触测量,具有速度快、精度高的优点。三维扫描仪根据传感方式的不同,分为接触式和非接触式。接触式扫描仪采用探测头直接接触物体表面,通过探测头反馈回来的光电信号转换为数字型面信息,从而实现对物体型面的扫描,主要以三坐标测量机为代表。接触式扫描仪具有较高的准确性和可靠性,但其费用较高、探头易磨损、测量速度慢,需要对探测头半径加以补偿。非接触式测量可以对各类表面进行高速三维扫描,对物体表面不会有损伤,同时相比接触式扫描仪具有速度快,容易操作等特征。

三维扫描主要采用相位测量技术。相位测量技术是一种重要的三维传感方法,具有较高的测量精度,可精确地获取待测面的相位[1-4]。它基于正弦光栅投影,以白光为光源,将正弦光栅投射到被测物体表面,受物体表面影响,产生变形光栅条纹图,利用离散相移技术获取N幅(N>3)光栅图像,再根据N步相移算法计算出全场相位分布。最后,利用空间几何关系求得物体外表面的三维点云数据。图1为典型的交叉光轴测量系统原理。

图1　典型的交叉光轴测量系统

(1)

式(1)经物体表面调制后为

A(x,y)——物体的背景光强;

B(x,y)——光栅条纹对比度;

λ——光栅的栅距;

φ(x,y)——包含有物体型面信息的相位解调函数。

φ(x,y)可以通过多种相移方案获得其相位值,最常用的是四步相移法。每步光栅相差90°相位,则其相位的计算公式为

利用三维扫描提取实物外表面数据是三维扫描的重要环节。其获得的点云数据的质量将直接影响后续的质量评价。ATOS三维光学扫描仪是目前技术最先进的非接触式三维扫描设备之一。文中采用ATOS设备测量。图2为使用ATOS扫描得到的涡轮的高质量三维点云数据图。

图2　涡轮的三维点云数据

2　涡轮型面三维重构

曲面重构是逆向工程中的一个关键环节[5-7]。将涡轮曲面分割,可对涡轮点云数据进行重构。重构过程如图3所示。通过曲面的曲率变化对涡轮曲面进行光顺,图4所示为由点云数据处理得到的涡轮的三维数字化模型图。

图3　曲面重构过程

3　实验结果分析

涡轮点云数据与模型数据之间的重合度是评价产品合格与否的主要标准。为了直观清晰的表示重合度,采用GEOMAGICQUALIFY软件在点云数据和模型数据之间进行了3D误差分析与尺寸标注。

GEOMAGICQUALIFY是GEOMAGIC公司出品的一款逆向校核软件。它可以迅速检测产品的数模和产品的制造件之间的差异,以直观易懂的图形比较显示两者的差异,可用于产品的首件检验、生产线上或是车间内检验、趋势分析、二维和三维几何形状尺寸标注及自动生成格式化的报告。

如图5所示,图中左侧的灰度变化范围通过不同的区间值来表示,即通过灰度可以看到模型和点云数据的区间值。如偏差在0.050～0.208mm之间时,灰度颜色基本为白色,由分析模块中的创建注释可以得出点云上的点相对于CAD模型上的3D偏差值和x、y、z的偏差,将比对结果量化,而不是一个区间值。此结果可输出EXCELE格式的表格,生成的报告直观明了。图5为模型和点云数据之间的偏差分布图,横轴为偏差值,纵轴为偏差值所占的百分比。由此数据,便于进行确认整改及内部信息传递。

图5　涡轮的点云和建模模型之间的3D偏差

由于涡轮表面污渍较多,经过多次实验。由图5和图6可见, 约70%的数据点云与实物模型之间的偏差分布在-0.2～0.2mm,满足要求。

图6　涡轮的点云和建模模型之间的偏差分布

4　结束语

应用GEOMAGICQUALIFY软件可以快速检测分析涡轮产品的加工误差,其中70%左右的数据点云与实物模型之间的偏差在-0.2～0.2mm之间,该方法能够准确、快速地分析产品质量,对提高涡轮产品的质量与生产周期有重要的意义。

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(编辑晁晓筠)

3D scanning detection technology of turbine reverse engineering

XIEXuedong

(Modern Manufacture Engineering Center, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

Aimed at improving the 3D scanning measurement technology of turbine, this paper discusses the achievement of the 3D point cloud data of the turbocharger by the phase measurement technology of 3D scanning, the reconstruction turbo detection model using the 3D point cloud data, and the realization of the 3D error analysis and dimension marking using the GEOMAGIC QUALIFY software. The experimental results show that the deviation in the range of the -0.2～0.2 mm between around 70% of the data point cloud and physical model is adequate for the purpose of the quality detection.

reverse engineering; measurement; testing; quality evaluation

2013-06-01

国家科技重大专项项目(2020ZX04016-012);博士后研究人员落户黑龙江科研启动资助金项目(LBH-Q12019)

谢雪冬(1979-)，男，内蒙古自治区乌兰察布人，讲师，硕士，研究方向：逆向工程、图像处理，E-mail：xiexuedong0@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.018

TP274.5

1671-0118(2013)05-0479-03

A