基于Geomagic Control的整体叶轮精度检测研究*

何 苗

(四川信息职业技术学院 机电工程系 四川广元 628017)

整体叶轮作为增压传递能量的关键构件，广泛应用于汽车，航天等领域。其结构复杂，整体叶轮由前缘、叶片、流道、叶根等构成，叶片多为扭曲的指纹面，且大多叶片较薄，曲面矢量变化大，这造成其加工难，检测难。传统的检测方式使用检测板，三坐标检测等[1]。检测板检测精度较低，三坐标检测精度较高，但叶轮复杂扭曲的叶片易造成检测干涉，测量轨迹的高效生成，检测干涉的有效避让，对检测人员要求极高，且全尺寸检测效率低，现有开发的专用叶轮检测系统，效率高、精度高，但成本高，对于一些中小企业无法承受，由此探讨基于Handscan700手持激光扫描仪的非接触叶轮检测方法。

1 非接触扫描仪的选择

非接触扫描仪的选择首先要考虑产品加工检测精度的范围，设备的检测精度必须要高于检测要求，才能实现有效检测，然后考虑检测设备的稳定性，可靠性，实用性，综合考虑确定扫描仪的选择。Handscan700是 3D 测量技术和工程服务领域的领导企业加拿大 Creaform公司推出的便携式激光扫描仪检测设备主要参数如表1所示，其特点具有扫描自定位能力，无需外部定位系统，采集数据时可移动部件，表面采集实时渲染，算法先进，扫描效率高、稳定性好、精度高。

表1 设备参数表

2 叶轮的数据采集

1）叶轮对象的表面处理

本次扫描叶轮加工材料为2A12，切削性能好，主要制作各种高负荷的零构件，加工后有金属光泽，为了更好的保证检测质量，对其表面进行处理，去除加工中产生的毛刺，清理工件表面，切削液、切屑，有条件可在无尘环境中采用白色显像剂DPT-5在工件表面喷涂，在工件表面形成对比度增强层，形成良好的漫反射，以获得高质量的点云数据。使用前将显像剂摇匀，对被检工件保持距离200 mm～300 mm处均匀喷涂，表面喷涂时需要注意喷涂均匀，在工件表面形成均匀薄层，防止在工件表面形成显像剂的堆叠，影响检测。喷涂表面如图1所示。

2）扫描仪的校准配置

为确保良好的数据质量，在项目开始前对扫描仪进行校准，设备连接好后，启动 VXelements软件，将校准板放置好，进入扫描仪校准菜单，校准时首先在垂直方向不同高度测量，然后左右倾斜角度测量，前后倾斜角度测量，校准时扫描仪必须指向校准板中心，即圆圈所示的位置，并应将红线扫描仪的高度和方向对齐到绿色矩形内[2]，如图2所示。然后配置参数，根据待扫描表面的类型配置传感器快门时间。配置时可采用自动调节和手动调节模式，确保传感器与扫描表面垂直，激光线完全平铺在要扫描的表面上，直至“优化参数”消息消失，单击“应用”，然后单击“确定”完成扫描配置。

图1 叶轮表面处理

图2 校准界面

3）标点的贴放

为了准确的采集叶轮流道的数据，防止标点拟合产生的误差，通过轮廓的分析，将标点贴放在工件周围和顶平面，在扫描过程中必须确保工件和外部标点不发生移动，为此采用了黑色圆盘形的底座，将工件放置在中间位置，标记点呈现三角状均匀分布，确保采集时标点定位的连续性。标点贴放的时候注意不在曲率高的地方贴放标点，不在边缘处，或特征密集处贴放标点，标点间距20 mm～100 mm，不要成组堆放，不要线性贴放，考虑以上因素，标记点贴放如图3所示。

图3 标记点贴放

4）叶轮数据的采集

新建会话，建立项目，首先扫描定位标点，标点类型为黑色周圈，使用扫描仪扫描贴放好标点的黑色圆盘形底座，定位标点的位置，红色为关联的标点，蓝色标点为不相关联，要整体扫描构件，需合理添加标点，使所有标点关联。采用优化定位模式，可获得更精确的模型。可将定位标点另存为txt格式文件，在没有更改标点的情况下可重复调用。扫描时保证光线在绿色区域，确保每个区域同时有4个可见标点。定位标点如图4所示。然后开始扫描叶轮，将喷涂好的叶轮居中放到黑色圆盘底座上，使标点均布其四周。放置好后，因为扫描采用的外部标点，所以扫描时不能移动叶轮和底座，确保其放置位置不发生任何改变。开始扫描部件，设置好扫描参数，分辨率0.2，分辨率是指传感器可以采集的细节详尽水平，分辨率数值越低，细节越详尽，存储点数据越大，耗时越长，根据产品检测要求合理设置分辨率数值，扫描时采集时只移动检测设备，在扫描时首先采用在 7 束激光十字线扫描主体部分，同时扫描距离保持在30 cm，扫描仪顶部LED灯呈绿色，软件界面距离指针在绿色区域居中最佳，扫描仪必须尽量与表面垂直，扫描入射角越大，定位模型的精确度越高。同时对齐扫描摄像头，使这两个摄像头都能够拍摄到同一束激光线，对叶片细节部分的扫描可使用单束激光采集，单束激光功率高，扫描得到更好的细节数据，最后通过软件可视化的扫描呈现，对缺陷处重复扫描，补足细节处，完成整个叶轮扫描，导出叶轮的扫描点云数据，如图5所示。

图4 定位标点

图5 叶轮点云数据

3 叶轮的数据处理

将扫描的数据导入到Geomagic Studio软件中进行处理。采样比率 100%，点云进行着色点，创建标记点所在平面1和叶轮圆柱面轴1，使用对齐到全局命令，平面1配对XY面，轴1配对Z轴，将坐标系摆正，使用椭圆选择工具选中叶轮点云，反转选区，删除选中红色区域点云，如图6所示。选择断开组件连接。分割设置 5，非连接项的点数低于模型点数的 5% 以下，才会被选中，删除选中点云。选择体外孤点，敏感度 100，使用三次达到最佳效果。使用减少噪音命令，选择棱柱形（保守），迭代3次，保留叶轮边缘细节的准确度。采用色谱分析减少噪音发生的偏差，平均距离0.057 mm，标准偏差0.0053 mm，符合要求，然后使用统一采样命令，绝对间距0.04 mm，保持边界，曲率适中，稀释点云，保存点云数据，如图7所示。

图6 点云数据处理

图7 叶轮处理后点云数据

4 叶轮模型的比对

1）扫描数据与参考模型对齐

将Geomagic Control软件打开，分别导入处理好的扫描叶轮点云，并着色，导入原始叶轮模型iges格式，然后对齐模型。参考模型和扫描模型对齐的精度对检测有极大的影响，为了提高对齐的精度，采用复合对齐的方法，首先在参考模型 CAD上根据叶轮的特点创建参考圆柱A、圆柱B、平面C,然后选择扫描模型数据，自动创建特征，选择进行一致性对齐，高精度拟合。完成特征创建后，采用基于特征的对齐方式进行粗对齐，对齐时选择创建的特征进行配对，观察统计结果，部分约束，偏差在允许范围内，确定退出，如图8所示。再进行精确对齐，采用最佳拟合方式，选择检查对称性，高精度拟合，自动消除偏差选项，分析统计结果，平均错误0.035 mm左右，完成扫描数据与参考模型的对齐，如图9所示。

图8 基于特征对齐

图9 最佳拟合对齐

2）3D分析

进入分析界面，选择3D比较，以结果对象的形式创建出叶轮三维彩色偏差图量化两者的偏差[3]，选择颜色参考，颜色偏差选项，显示偏差点，应用后根据需求调整色谱。再创建注释，为了更精确的检测，首先在UG中打开叶轮原始模型，匹配好叶轮检测坐标系，通过创建点的方法创建检测关键点，如叶片根部，顶部，曲面过度点等位置，如图10所示。执行GRIP文件，选中创建的点，得到关键点云的坐标文件，将其用记事本打开，复制后存为位置集01.loc文件。在Control软件中工具界面，位置集选项中加载创建的01.loc文件，创建注释，注释类型为位置，选择加载的位置集，自动放置生成注释视图，打开生成的注释视图，根据检测需求设置好偏差范围，研究对象叶轮偏差0.05 mm，手动调节检测点的放置位置，保存，结果如图11所示。可发现检测点中超差点为蓝色，状态显示失败，在公差范围内的点为绿色，状态为通过。

图10 创建关键点

图11 关键点3D注释

3）2D分析

2D分析主要通过创建叶轮的2D比较，创建关键的贯穿叶轮对象截面，注释等流程分析检测叶轮的加工精度。2D比较，选择系统对象平面XY面，水平间距依次递增10 mm的平面创建5个，然后在对应的平面创建注释，设置上下偏差为0.05 mm，通过注释状态和颜色可以判断是否超差，如图12所示。创建贯穿对象界面A-F，要求截面需剖切到叶片的横断面和纵断面，然后创建2D尺寸，设置好上下偏差，可以判断界面特征加工的精度。如图13所示。

图12 比较

图13 注释

4）叶轮检测分析

按流程完成好检测设置后，我们可以生成检测报告，评价叶轮加工的精度，通过3D比较，如图14所示。2D比较，关键点的测量结果[4]，如图15所示综合分析，本次研究叶轮对象最大偏差 0.624 mm，平均偏差0.046 mm，标准偏差0.049 mm，加工精度不合格。主要偏差存在叶片边缘上部分，超差较大，造成原因为加工程序过切，叶轮流道部分加工精度符合要求。

图14 3D比较

图15 关键点数据比较

5 结语

通过项目的实施，基于Handscan700手持式激光扫描仪可检测精度偏差要求在 0.05μm 以上的叶轮，通过GeomagicStudio对扫描数据处理，然后使用 GeomagicControl软件进行数据和模型的分析比对，可实现精度检测的可视化，高效化。其检测数据结果可靠、稳定。对超高精度叶轮的加工，可以在机扫描叶轮精加工前的尺寸，分析关键部位的加工余量数据，为优化叶轮刀路编程，提供动态检测余量支持，可极大地提高叶轮加工效率和精度。