許昊 仝芮華 張琳偉 劉金倉

(中信重工機(jī)械股份有限公司，河南 洛陽 471000)

立式攪拌磨是目前應(yīng)用廣泛的細(xì)磨和超細(xì)磨設(shè)備。立式攪拌磨也稱塔磨機(jī)，是一種垂直安裝、帶有攪拌裝置的細(xì)磨設(shè)備，主要由研磨筒和螺旋攪拌器兩部分構(gòu)成，通過螺旋攪拌器攪拌帶動研磨介質(zhì)和物料之間互相摩擦進(jìn)行磨礦[1]。螺旋攪拌器是該設(shè)備的關(guān)鍵部件，主要參數(shù)包括螺旋外徑、螺旋升角、螺旋導(dǎo)程和螺旋頭數(shù)，這些參數(shù)直接影響襯板磨損率、介質(zhì)運(yùn)動規(guī)律、能量輸送頻率、設(shè)備穩(wěn)定性、震動及噪音[2]。螺旋攪拌器的螺旋面為異型曲面，其外形尺寸不是通常的圓弧曲面，是具有多維尺寸的空間異性曲面，其外形輪廓的檢測無法依靠常規(guī)量具進(jìn)行檢測。隨著三維檢測設(shè)備的發(fā)展，三維數(shù)據(jù)采集與比對能夠滿足此類異型曲面的檢測工作。

1 項(xiàng)目概況

1.1 螺旋攪拌器與螺旋襯板概況

螺旋攪拌器是雙螺旋結(jié)構(gòu)，由軸本體和鑄件托板(即螺旋葉片)兩部分組成，依據(jù)制造要求托板的型面與設(shè)計(jì)模型偏差應(yīng)小于3 mm[3]。螺旋襯板安裝于托板之上(見圖1)，用以研磨物料以及保護(hù)螺旋攪拌器。螺旋攪拌器的型面由多塊螺旋襯板組合而成，螺旋襯板形狀直接影響螺旋外徑、螺旋升角等參數(shù)，其與托板接觸率也將影響設(shè)備壽命。

圖1 螺旋攪拌器和螺旋襯板結(jié)構(gòu)

1.2 傳統(tǒng)樣箱檢測方法

由于螺旋形屬于異型曲面，對于標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)(如螺距、螺旋角等)可以使用傳統(tǒng)量具進(jìn)行測量，但型面與設(shè)計(jì)模型偏差無法按上述方式測量。在傳統(tǒng)方法中主要使用樣箱進(jìn)行測量型面與設(shè)計(jì)模型偏差，通過測量樣箱與工件型面的貼合程度，判斷工件是否合格，但此種方法有三個弊端：

(1)測量基準(zhǔn)難以對齊，檢測效率低，檢測結(jié)果受檢測人員經(jīng)驗(yàn)影響。樣箱的測量主基準(zhǔn)為螺旋攪拌器的軸本體，而樣箱受自重和焊接坡口的影響，難以與軸全部貼合，這使得測量基準(zhǔn)存在較大偏差。當(dāng)樣箱與工件型面貼合后，型面中心區(qū)域通常因?yàn)橐曇笆芟蓿瑱z測人員難以準(zhǔn)確判斷貼合情況，即使依靠紅丹粉之類的輔助進(jìn)行判斷，也無法得到準(zhǔn)確的數(shù)值。

(2)檢測結(jié)果受樣箱自身精度影響。樣箱需做出型面的正確形狀后方可進(jìn)行檢測，但樣箱型面同樣存在異型曲面檢測的問題，樣箱的自身偏差難以準(zhǔn)確測量。

(3)樣箱檢測方法存在極大局限性。由于樣箱尺寸較小無法覆蓋托板整個螺旋面，只能分段測量，因此該方法無法對螺旋整體偏差情況進(jìn)行檢測，存在一定誤差累積。同時(shí)，樣箱檢測只能測量型面偏差，無法測量螺栓孔的位置度。

1.3 三維檢測技術(shù)優(yōu)勢

針對如上問題，中信重工計(jì)量檢測中心結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場情況，決定采用三維比對的方式進(jìn)行檢測，此種方式有如下優(yōu)勢：

(1)檢測更加全面、效率高。通過整體三維掃描，對螺旋面整體進(jìn)行統(tǒng)一分析，有效避免了累積誤差。檢測人員也由原先至少4人(其中2人控制樣箱位置，1人操作起重設(shè)備，1人檢測)減少至最少1人。

(2)檢測結(jié)果清晰明確。檢測結(jié)果以色譜圖的形式表示變形趨勢，由錨點(diǎn)表示具體偏差量，檢測結(jié)果表示更加直觀。

(3)可以消除樣箱檢測帶來的累積誤差。螺旋攪拌器的整體比對可以在一個坐標(biāo)系下完成整個螺旋的分析，從而消除了每個托板在制造及裝配時(shí)帶來的累積誤差。

(4)可以通過檢測結(jié)果進(jìn)行模擬裝配，分析襯板與托板的實(shí)際裝配情況。通過襯板與托板配合面(稱為“S面”)偏差分析和螺栓孔偏差分析，分析出托板與襯板的配合間隙、襯板間的裝配干涉或縫隙、螺旋攪拌器外圓錯邊、S面錯臺、托板過長超出襯板保護(hù)范圍等裝配時(shí)常見的問題。

2 三維檢測方案的設(shè)計(jì)

2.1 儀器選用

本方案所使用的儀器為MPS/S工業(yè)攝影測量系統(tǒng)和HandySCAN 700型三維激光掃描儀，如圖2所示。

MPS/S工業(yè)攝影測量系統(tǒng)是一套光學(xué)三坐標(biāo)測量系統(tǒng)，主要由高分辨率攝影測量相機(jī)、長度基準(zhǔn)尺、回光反射標(biāo)志、回光編碼標(biāo)志及軟件系統(tǒng)等組成。其標(biāo)稱精度為5 μm+5 μm/m。其原理是通過采用高分辨率專用相機(jī)，在不同位置和方向獲取目標(biāo)兩幅或多幅數(shù)字圖像，經(jīng)圖像預(yù)處理、標(biāo)志識別、圖像匹配、空間三角交會及光束平差后，得到待測點(diǎn)三維坐標(biāo)，形成高精度點(diǎn)云模型[4]。

圖2 攝影測量系統(tǒng)和三維激光掃描儀

HandySCAN 700型三維激光掃描儀是一種便攜式計(jì)量級掃描儀，主要由掃描儀、回光反射標(biāo)志及軟件系統(tǒng)組成。其標(biāo)稱精度為0.02 mm+0.06 mm/m。其原理是利用雙目立體視覺，對照射在物體表面的交叉激光線進(jìn)行識別，形成由三角面片組成的等比例實(shí)體三維模型[5]。

2.2 方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)場檢測方案主要分為兩個步驟：第一步采用攝影測量系統(tǒng)進(jìn)行定位點(diǎn)采集，計(jì)算定位點(diǎn)坐標(biāo)；第二步將上述定位點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入三維激光掃描儀坐標(biāo)系中，由三維激光掃描儀對型面及其他細(xì)節(jié)(如定位孔)進(jìn)行精確掃描，生成與工件相同的實(shí)體模型。

由于HandySCAN 700型三維激光掃描儀最大視野范圍約為200 mm×200 mm的方形區(qū)域，在掃描過程中，三維激光掃描儀產(chǎn)生的誤差會不斷累積，尤其是螺旋攪拌器的螺旋面，具有超長的掃描范圍，三維激光掃描儀所產(chǎn)生的累積誤差將會影響檢測結(jié)果。為了消除累積誤差，我們采用攝影測量系統(tǒng)預(yù)先對掃描定位點(diǎn)進(jìn)行測量定位。攝影測量系統(tǒng)通過其寬大的視野范圍，對托板表面的定位點(diǎn)進(jìn)行精確檢測，隨后將定位點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入三維激光掃描儀中，三維激光掃描儀將直接采用攝影測量系統(tǒng)提供的定位點(diǎn)坐標(biāo)，從而達(dá)到提高工件整體精度的要求。

在掃描儀測量出螺旋托板的數(shù)據(jù)后，我們采取與理論模型進(jìn)行比對的方式得到測量結(jié)果。

3 三維檢測工作的實(shí)施

3.1 襯板檢測

三維檢測需要測量的部位為：“S面”、S面外延面、以及襯板間配合面(見圖3)。檢測項(xiàng)目有：(1)S面偏差；(2)螺栓孔孔位偏差；(3)襯板間配合面偏差；(4)S面外延面偏差；(5)外邊緣面偏差。具體檢測過程如下：

首先在被測件表面粘貼標(biāo)志點(diǎn)，按最大150 mm間距無序粘貼。緊接著鋪設(shè)編碼點(diǎn)，編碼點(diǎn)按矩形陣列間隔約0.5 m排列，同時(shí)在被測件旁穩(wěn)定放置基準(zhǔn)尺。隨后對被測件進(jìn)行攝影測量，最后將測得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維激光掃描儀軟件中進(jìn)行三維掃描工作。

圖3 螺旋襯板

掃描工作結(jié)束后，將掃描模型導(dǎo)入到Geomagic Control軟件中，同時(shí)將理論模型也導(dǎo)入軟件中，使用最佳擬合的對齊方式，完成兩個三維模型的坐標(biāo)對齊。使用3D比較功能，測量掃描模型與理論模型的偏差，得到偏差色譜圖，通過創(chuàng)建錨點(diǎn)，得到某一位置的具體偏差量。

由于襯板重量大，硬度高但脆性大，測量時(shí)考慮安全因素，不對物料研磨面進(jìn)行三維掃描。物料研磨面測量結(jié)果由S面偏差和S面外延面偏差配合超聲測厚儀進(jìn)行計(jì)算后得出。

3.2 托板與螺旋軸裝配檢測

托板與螺旋軸裝配完成后，對其進(jìn)行三維掃描檢測，螺旋攪拌器裝配檢測項(xiàng)目有：(1)S面偏差；(2)螺栓孔孔位偏差；(3)首末托板直邊偏差；(4)外邊緣面偏差。具體檢測過程如下：

首先在螺旋攪拌器S面和螺旋軸上粘貼標(biāo)志點(diǎn)，按最大150 mm間距無序粘貼。隨后鋪設(shè)編碼點(diǎn)，編碼點(diǎn)在S面上間隔約500 mm均勻分布，螺旋軸和托板外邊緣及S面的背面均布置少量編碼點(diǎn)，保證拍攝時(shí)能夠?qū)蓚€螺旋面拍攝完整即可(見圖4)。

距離螺旋攪拌器約2 m，圍繞螺旋攪拌器一周進(jìn)行拍攝，保證照片包含所有S面，且整個螺旋體測量點(diǎn)應(yīng)形成有效拼接。將照片導(dǎo)入攝影測量軟件計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將點(diǎn)云坐標(biāo)導(dǎo)入到三維激光掃描儀軟件中進(jìn)行三維掃描。之后使用三維激光掃描儀分別對S面、螺栓孔、外邊緣面、首末托板直邊及螺旋軸進(jìn)行三維掃描(見圖5)。掃描前將螺旋分別命名為“A螺旋”和“B螺旋”。

圖4 編碼點(diǎn)分布及攝影測量

圖5 螺旋攪拌器三維掃描

掃描完成后，將掃描模型與理論模型同時(shí)導(dǎo)入到Geomagic Control軟件中，由于A螺旋和B螺旋托板分別獨(dú)立進(jìn)行裝配，因此三維數(shù)據(jù)的處理包括坐標(biāo)系的對齊應(yīng)分開進(jìn)行，不可將A螺旋的對齊坐標(biāo)應(yīng)用在B螺旋的測量結(jié)果上。坐標(biāo)對齊方式采用特征對齊，主基準(zhǔn)為螺旋軸，次基準(zhǔn)為螺旋面上第一個螺栓孔(從軸頭方向數(shù)第一個)。首先將掃描模型和設(shè)計(jì)模型的螺旋軸分別建立圓柱特征，將兩圓柱軸線對齊。在保證圓柱軸線不變的情況下，將掃描模型通過沿圓柱軸線方向平移和繞圓柱軸線旋轉(zhuǎn)的方式，將第一個螺栓孔和其孔旁的S面對齊。在對齊第一個螺栓孔的時(shí)候，可能存在繞圓柱軸線方向?qū)R后，沿軸線半徑方向無法對齊，即孔位在螺旋軸半徑方向存在徑向偏差，此時(shí)需優(yōu)先保證螺旋軸對齊，不可改變螺旋軸軸線方向，第一個螺栓孔的徑向偏差為實(shí)際孔位偏差。

對齊完成后，使用3D比較功能，測量掃描模型與理論模型的偏差，得到偏差色譜圖，通過創(chuàng)建錨點(diǎn)，得到某一位置的具體偏差量(見圖6)。

圖6 坐標(biāo)對齊與3D比較

4 三維檢測結(jié)果的分析

以公司某工號螺旋攪拌器為例，各項(xiàng)檢測數(shù)據(jù)如下：

(1)襯板三維掃描結(jié)果(見圖7)：

(a)S面偏差最大±2 mm；

(b)螺栓孔孔心位置偏差最大2 mm；

(c)襯板間配合面偏差最大-2 mm；

(d)S面外延面偏差最大±3 mm；

(e)外邊緣面偏差最大±2 mm。

圖7 襯板三維掃描結(jié)果

(2)螺旋攪拌器三維掃描結(jié)果(見圖8)：

(a)S面偏差最大±2 mm；

(b)相鄰孔心距偏差最大為1 mm，整體螺栓孔孔心位置偏差最大4 mm，出現(xiàn)位置為末端6個孔；

(c)首塊托板直邊偏差最大4 mm，末塊襯板直邊偏差最大3 mm；

(d)外邊緣面偏差最大±1 mm。

通過上述三維檢測可以分析出：

1)襯板與托板配合面S面間隙最大不超過4 mm；

2)襯板與托板對應(yīng)螺栓孔孔心偏差最大不超過2 mm；

3)襯板相互之間縫隙最大不超過5 mm；

4)各襯板間S面高度方向錯臺不超過6 mm；

5)各襯板間外邊緣直徑方向錯邊不超過4 mm；

6)首塊托板沒有超出襯板的保護(hù)范圍，末端托板未與襯板鏟削部分發(fā)生干涉。

圖8 螺旋攪拌器三維掃描結(jié)果

實(shí)際裝配結(jié)果如下：

1)襯板與托板接觸率達(dá)到約80%；

2)各孔螺栓可順利插入，裝配時(shí)無需擴(kuò)孔作業(yè)；

3)襯板相互之間縫隙為4 mm，襯板間未發(fā)生干涉；

4)各襯板間S面高度方向錯臺最大為4 mm；

5)各襯板間外邊緣直徑方向錯邊最大3 mm；

6)首塊托板沒有超出襯板的保護(hù)范圍，末端托板未與襯板鏟削部分發(fā)生干涉。

通過三維檢測數(shù)據(jù)分析與實(shí)際裝配結(jié)果的比較，可以看出三維檢測結(jié)果符合實(shí)際裝配情況，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 檢測要點(diǎn)與測量精度

5.1 檢測要點(diǎn)

測量過程中需注意以下幾個要點(diǎn)：

(1)粘貼標(biāo)志點(diǎn)時(shí)，標(biāo)志點(diǎn)不可粘貼得過于靠近面與面交界處。掃描時(shí)，標(biāo)志點(diǎn)對工件產(chǎn)生遮擋，這部分被遮擋的數(shù)據(jù)由軟件通過周圍表面曲率補(bǔ)償?shù)玫?。假設(shè)將標(biāo)志點(diǎn)粘貼至90°的相交面上，軟件會按兩面的曲率分別對被遮擋的區(qū)域擬合補(bǔ)償，而兩面呈90°夾角，補(bǔ)償結(jié)果會在相交處形成鼓包，而不是90°夾角，從而造成錯誤的檢測結(jié)果。

(2)攝影測量的結(jié)果是后續(xù)所有測量的基礎(chǔ)，其精度會極大的影響測量結(jié)果，測量時(shí)對攝站分布的要求較高，攝影測量人員在拍攝時(shí)需注意圍繞螺旋攪拌器拍攝時(shí)，攝站不可僅在同一高度下圍繞拍攝，最低需在上中下三層進(jìn)行3次圍繞拍攝，上層離地面約2 m接近俯視拍攝，中層離地面約1 m平視拍攝，下層貼近地面仰視拍攝，從而將整個控制場立體化，達(dá)到最高的測量精度。

5.2 測量精度

在測量過程中，采用通過攝影測量系統(tǒng)構(gòu)建實(shí)物框架模型，采用三維激光掃描儀優(yōu)化細(xì)節(jié)的方法，將誤差控制在一個盡可能小的區(qū)間。此方法的測量不確定度來源主要有如下幾方面：

(1)攝影測量系統(tǒng)引入測量不確定度主要由儀器自身決定，儀器廠家提供的儀器標(biāo)稱精度為5 μm+5 μm/m，被測工件最大尺寸為4.5 m，故攝影測量系統(tǒng)引入的測量不確定度為0.03 mm。

(2)三維激光掃描儀引入測量不確定度主要由儀器自身決定，儀器廠家提供的標(biāo)稱精度為0.02 mm+0.06 mm/m，由于掃描過程中使用的標(biāo)志點(diǎn)數(shù)據(jù)來自于攝影測量系統(tǒng)，故三維激光掃描儀引入的不確定度分量僅有儀器單站掃描的測量不確定度，即0.02 mm。

(3)測量時(shí)，由于測量現(xiàn)場不具備恒溫條件，故測量時(shí)環(huán)境溫度、工件溫度均會偏離20℃。在攝影測量結(jié)束后，需用測溫槍等手段對工件溫度進(jìn)行測量，在導(dǎo)入三維激光掃描儀前需對標(biāo)志點(diǎn)點(diǎn)云進(jìn)行溫度補(bǔ)償，然后方可導(dǎo)入三維激光掃描儀測量軟件中。在測溫過程中，溫度的測量精度會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，經(jīng)綜合評定，由測溫精度引入的測量不確定度為0.05 mm。

(4)算法不確定度：在數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要對掃描模型進(jìn)行降噪、刪除釘裝物等處理，該處理不會影響工件整體尺寸，但會對工件表面進(jìn)行優(yōu)化處理，通過歷次試驗(yàn)，其對表面質(zhì)量的優(yōu)化最大為0.2 mm。該不確定度分量評定按平均分布。

(5)由于螺旋攪拌器屬于鉚焊件，螺旋襯板屬于鑄造件，其S面均屬于非加工件，工件表面質(zhì)量較差，這將會對測量結(jié)果造成影響。通過對同一工件進(jìn)行多次測試，再通過統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算得到其重復(fù)性測量不確定度為0.05 mm。

綜合評定本檢測方案的測量不確定度見表1。

6 結(jié)語

通過三維檢測，我們更加高效準(zhǔn)確的掌握了螺旋攪拌器的整體變形情況，在生產(chǎn)制造過程中，避免了很多可能導(dǎo)致裝配超差的可能，比如通過三維掃描數(shù)據(jù)，提前對襯板的S面進(jìn)行修磨，保證襯板S面四邊高于中心，杜絕了因中心區(qū)域高于四邊區(qū)域而導(dǎo)致裝配時(shí)發(fā)生襯板翹邊的情況。

表1 測量不確定度

此方法是基于虛擬裝配的思路，開發(fā)的近似虛擬裝配的方法。它以設(shè)計(jì)模型為公共基準(zhǔn)，將參與裝配的雙方與同一基準(zhǔn)進(jìn)行比較，分別得到各工件裝配到理想基準(zhǔn)時(shí)的偏差情況，最后整合各工件的偏差結(jié)果，綜合分析出真正的裝配偏差量。

此方法的優(yōu)點(diǎn)在于檢測的及時(shí)性，檢測工作及返修工作不必等所有工件都生產(chǎn)完成后再開展。由于各部件生產(chǎn)周期不同，螺旋襯板和螺旋攪拌器完工的時(shí)間間隔通常在一個月左右，若等待雙方都生產(chǎn)完成再進(jìn)行裝配檢測，會大大延長工期，耽誤返修時(shí)間。此方法可大幅提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。同時(shí)此方法的測量不確定度小于設(shè)計(jì)要求精度的1/3，完全滿足檢測需求。

截止發(fā)稿，中信重工計(jì)量檢測中心已對本公司生產(chǎn)的12個工號共計(jì)86件產(chǎn)品進(jìn)行跟蹤檢測。通過大量的數(shù)據(jù)分析與整理，找到了生產(chǎn)工藝中的一些不足，優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，固定了生產(chǎn)流程，為產(chǎn)品一次合格率提供了有效的保證。