曲寶章, 孫可心， 霍東堯, 朱建寧, 盧碧紅

(大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 大連,116028)

引 言

退火是傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架生產(chǎn)過(guò)程中消除殘余應(yīng)力減小變形的一道工序，對(duì)退火工藝的優(yōu)化有助于節(jié)省工時(shí)和降低能耗。文獻(xiàn)[1-3]以控制焊接溫度、焊接質(zhì)量和采用新的加工方法來(lái)控制構(gòu)架變形以及使用焊接工裝來(lái)保證加工精度等方法來(lái)代替退火工藝，但文獻(xiàn)中并沒(méi)有定量分析退火對(duì)變形的影響。在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架制造現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，人們普遍認(rèn)為影響構(gòu)架變形的主要因素是焊接和熱處理工序，而且熱處理工序會(huì)很大程度矯正焊接產(chǎn)生的變形。構(gòu)架變形對(duì)車(chē)輛裝配工序產(chǎn)生很大影響，若變形過(guò)大，可能導(dǎo)致無(wú)法裝配，需要進(jìn)行壓力校正[3]。但是，構(gòu)架的焊接以及熱處理工序變形具體是如何影響變形的最終結(jié)果尚無(wú)文獻(xiàn)和實(shí)證研究結(jié)果發(fā)表。國(guó)內(nèi)制造行業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)本構(gòu)架熱處理時(shí)間在2.5 h左右，嚴(yán)重影響制造成本和生產(chǎn)進(jìn)度，也造成高能耗,而國(guó)外西門(mén)子等廠家的構(gòu)架生產(chǎn)不需要熱處理工序，因此本研究對(duì)構(gòu)架制造工藝改善具有參考價(jià)值。

為了研究分析焊接和退火工藝過(guò)程對(duì)構(gòu)架變形產(chǎn)生的影響，需全面了解構(gòu)架的變形情況。在傳統(tǒng)構(gòu)架試制及量產(chǎn)過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)架變形的主要測(cè)量工具為三坐標(biāo)劃線儀[4]，測(cè)量時(shí)基準(zhǔn)對(duì)齊更多依靠工人經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，效率比較低，且只能在與3個(gè)坐標(biāo)平行的平面內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，難以獲取構(gòu)架全局變形信息，導(dǎo)致虛假加工余量不足，增加生產(chǎn)過(guò)程的補(bǔ)焊工作量。因此，針對(duì)車(chē)間級(jí)快速、精確、實(shí)時(shí)的測(cè)量需求，新型手持式三維激光掃描儀應(yīng)運(yùn)而生。目前，國(guó)內(nèi)外在管道的腐蝕測(cè)量[5]、航天器破壞部位測(cè)量[6]、汽車(chē)零部件快速測(cè)量[7]以及模具變形控制[8-9]都得到了研究和應(yīng)用。

筆者以某機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架制造過(guò)程的變形為研究對(duì)象，以試件的3D平均偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏差和四角高差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究用三維激光掃描儀對(duì)構(gòu)架進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法，用Geomagic-studio處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成零件曲面模型的方法[10]，以及用Geomagic-qualify進(jìn)行變形測(cè)量與分析的方法[11]。通過(guò)誤差數(shù)據(jù)一致性分析、與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證提出的測(cè)量分析與評(píng)價(jià)方法的正確性，為解決生產(chǎn)中的上述問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù)。

1 大型焊接構(gòu)架測(cè)量分析方案設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架長(zhǎng)度近7 m，而手持式激光掃描儀只能測(cè)量長(zhǎng)度不超過(guò)4 m的物體，如果掃描物體超過(guò)4 m，會(huì)產(chǎn)生掃描結(jié)果不準(zhǔn)確等問(wèn)題。

筆者使用MaxShot光學(xué)攝影測(cè)量系統(tǒng)與HandyScan 700三維激光掃描儀相結(jié)合的方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,可提升數(shù)據(jù)采集的精度。首先，使用MaxShot對(duì)構(gòu)架進(jìn)行整體坐標(biāo)系建立，測(cè)量精度為0.025 mm/m；其次，使用HandyScan 700用于構(gòu)架的數(shù)據(jù)采集，在使用整體坐標(biāo)系的前提下測(cè)量精度可達(dá)0.03mm/m；最后，由VXelements 模塊引導(dǎo)的分步操作，加快掃描儀在目標(biāo)部件上的定位速度，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云由局部坐標(biāo)系到整體坐標(biāo)系快速轉(zhuǎn)換，縮短大型部件的測(cè)量時(shí)間。本測(cè)量系統(tǒng)由Studio對(duì)測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，Qualify對(duì)構(gòu)架點(diǎn)云進(jìn)行偏差分析。測(cè)量分析流程如圖1所示。

圖1 方案設(shè)計(jì)Fig.1 Scheme design

1.1 攝影測(cè)量原理

測(cè)量的結(jié)構(gòu)光投射于被測(cè)量試件和MaxShot成三角關(guān)系，構(gòu)成三角測(cè)量，從而遵循攝影測(cè)量學(xué)上的基本原理-共線方程。

MaxShot光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備通過(guò)圖像三角剖分使置于物體上的標(biāo)志點(diǎn)(事先貼于被測(cè)目標(biāo))可以在三維空間中重建。在此測(cè)量范圍內(nèi)使用標(biāo)定桿進(jìn)行模型標(biāo)定，一旦計(jì)算完成，光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備將自動(dòng)使用VXelements生成的高精確度定位模型，從而確定被測(cè)構(gòu)架在整體坐標(biāo)系的位置與姿態(tài)。

1.2 共線方程

共線方程是光學(xué)攝影測(cè)量中最基本的方程，其核心在于像點(diǎn)是物點(diǎn)和光心的連線與圖像平面的交點(diǎn)，即三點(diǎn)共線。攝影測(cè)量中有3個(gè)不同層次的坐標(biāo)系: 物空間坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系，共線方程實(shí)際是通過(guò)相機(jī)坐標(biāo)系作為中間坐標(biāo)系來(lái)建立圖像坐標(biāo)系與物空間坐標(biāo)系之間的關(guān)系。共線方程的齊次坐標(biāo)矩陣表達(dá)式為

(1)

消去ze，式(1)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)線性方程式，即

(2)

相機(jī)與物點(diǎn)之間遵循共線方程。將測(cè)量設(shè)備與被測(cè)物體空間坐標(biāo)面O-xy平行，方程可寫(xiě)為

zw=ai

(3)

其中：ai為常數(shù)，i=1, 2,…,n。

當(dāng)光源沿著z平行移動(dòng)時(shí)，分別對(duì)z=a1，a2，…，an位置進(jìn)行掃描，可認(rèn)為是按固定采樣間隔測(cè)量。將式(3)與式(2)聯(lián)立，求解出被測(cè)物體的空間坐標(biāo)(xw,yw,zw)。

1.3 激光掃描儀自定位原理

圖2 激光掃描儀自定位Fig.2 Self-positioning of laser scanner

便攜式激光掃描儀是一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有自定位功能。測(cè)量時(shí)能夠不依賴(lài)固定坐標(biāo)系，通過(guò)光學(xué)聯(lián)系動(dòng)態(tài)定位儀器與工件的坐標(biāo)關(guān)系實(shí)現(xiàn)車(chē)間級(jí)的工件快速精確的實(shí)時(shí)掃描[12]。激光掃描儀的上下兩個(gè)相機(jī)與布置在工件上的定位靶點(diǎn)構(gòu)成三角關(guān)系，如圖2所示，定位靶點(diǎn)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)成儀器能自動(dòng)識(shí)別的圓形自反光標(biāo)識(shí)物。發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)被測(cè)目標(biāo)物上的靶點(diǎn)反射后傳回到接收器，儀器系統(tǒng)軟件自動(dòng)計(jì)算每幀目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)。掃描過(guò)程中，HandyScan發(fā)出的激光束每幀掃描至少有4個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)與前一幀重合，才能保證內(nèi)部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確完成，實(shí)現(xiàn)掃描儀采集數(shù)據(jù)在工件坐標(biāo)系中的自定位。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

2.1 構(gòu)架整體坐標(biāo)系建立

MaxShot 3D 攝影測(cè)量系統(tǒng)包含 3D 攝影測(cè)量視頻攝像頭和 VXshot 處理軟件,它將攝影測(cè)量的高精度和速度添加到掃描儀中，對(duì)于大型部件效果尤為顯著。其工作流程如下：首先，將一些編碼目標(biāo)點(diǎn)置于被測(cè)量物體上或物體所處的環(huán)境中；其次，拍攝多組照片(能反映物體全貌)，啟動(dòng)圖像三角剖分，將置于物體上的反射目標(biāo)點(diǎn)在 3D 空間中重建。在此測(cè)量范圍內(nèi)用標(biāo)定桿對(duì)模型進(jìn)行縮放。計(jì)算完成后，3D掃描儀將自動(dòng)使用 VXshot 生成的高精確度定位模型以確定其在測(cè)量范圍內(nèi)的位置。

2.2 構(gòu)架點(diǎn)云采集

通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)軟件VXelements將MaxShot建立的整體坐標(biāo)系與HandyScan的局部坐標(biāo)系進(jìn)行連接。使用手持激光掃描儀對(duì)構(gòu)架進(jìn)行全部點(diǎn)云采集后，由VXelements導(dǎo)出STL文件保存?zhèn)溆?。筆者將STL文件導(dǎo)入Geomagic進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。分別將3個(gè)試件命名為構(gòu)架A、構(gòu)架B、構(gòu)架C。采集后的點(diǎn)云如圖3(a)所示。

圖3 構(gòu)架焊接工序點(diǎn)云處理前后對(duì)比Fig.3 Point clouds comparison of the processing

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于存在一定的系統(tǒng)或隨機(jī)誤差，激光掃描儀采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不能直接導(dǎo)入Geomagic-qualify軟件進(jìn)行分析，例如，本研究中的構(gòu)架加工余量或者試件體外標(biāo)識(shí)點(diǎn)誤采等。由于直接使用采集完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)影響最后測(cè)量分析的結(jié)果，因此在測(cè)量分析前需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

3.1 點(diǎn)云全局修復(fù)

由于構(gòu)架本身體積很大，點(diǎn)云數(shù)據(jù)較多，很多較小的瑕疵僅憑人力無(wú)法發(fā)現(xiàn)并且修補(bǔ)，這時(shí)使用網(wǎng)格修改功能，對(duì)“非流行邊”、“自相交”“高度折射邊”“釘狀物”“小組件”“小孔”進(jìn)行修復(fù)。

3.2 特征去除

在構(gòu)架點(diǎn)云采集時(shí)，會(huì)因?yàn)闃?biāo)識(shí)點(diǎn)等原因?qū)⒁恍┎粚儆跇?gòu)架本身的特征采集進(jìn)來(lái)，而這些特征并不會(huì)被網(wǎng)格修改功能修復(fù)，只能進(jìn)行人機(jī)交互去除。軟件的去除特征功能可以刪除模型當(dāng)中意外凸起或者凹下的部分，然后根據(jù)周?chē)那首詣?dòng)進(jìn)行修復(fù)。在操作時(shí)，要選取適宜的去除范圍，避免修復(fù)后存在不規(guī)則的三角面。

3.3 孔填充

由于被測(cè)構(gòu)架本身的幾何原因造成光學(xué)遮擋效應(yīng)導(dǎo)致采集構(gòu)架點(diǎn)云時(shí)會(huì)有一些孔洞等數(shù)據(jù)缺失，評(píng)價(jià)時(shí)會(huì)增大變形測(cè)量中的誤差。為了減小這種效應(yīng)，必須將這一部分的數(shù)據(jù)復(fù)原。利用填充孔功能將缺失的點(diǎn)云數(shù)據(jù)補(bǔ)上，但要注意被填充部位可能與其他部分曲率有差別，選擇“基于曲率的填充”可以保證模型中缺失的點(diǎn)云按照周?chē)c(diǎn)云的曲率自然過(guò)渡填充，以符合工程設(shè)計(jì)理念。

3.4 數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)

處理后的點(diǎn)云使用封裝功能轉(zhuǎn)為三角面片前必須經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)。因?yàn)橛蓲呙鑳x采集的點(diǎn)云經(jīng)處理后也含有百萬(wàn)以上的海量數(shù)據(jù)，在利用軟件對(duì)圖形進(jìn)行后續(xù)運(yùn)算時(shí)，占據(jù)絕大部分計(jì)算機(jī)的內(nèi)存。Geomagic studio軟件提供的點(diǎn)云精簡(jiǎn)最簡(jiǎn)單方法是設(shè)置一個(gè)采樣百分比，將整體數(shù)據(jù)均勻減少，但要注意觀察特征變化大的地方是否被誤精簡(jiǎn),否則需要按特征分塊后再精簡(jiǎn)。精簡(jiǎn)后的數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)的60%。

3.5 余量去除

在生產(chǎn)過(guò)程中，為了確保制造精度會(huì)預(yù)留加工余量，這些余量在最后都會(huì)被去除，比如本研究構(gòu)架上的彈簧座區(qū)域需要機(jī)械加工序找平。由于在焊接和熱處理過(guò)程會(huì)采集到這些數(shù)據(jù)，因此評(píng)價(jià)之前要根據(jù)設(shè)計(jì)模型去除。構(gòu)架焊接工序采集數(shù)據(jù)預(yù)處理后的點(diǎn)云模型如圖3(b)所示。

4 構(gòu)架偏差分析

將構(gòu)架設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入到Geomagic-qualify軟件作為誤差評(píng)價(jià)的參考模型(基準(zhǔn))，分別將構(gòu)架焊接和熱處理兩道工序采集并預(yù)處理后的點(diǎn)云導(dǎo)入上述軟件，作為測(cè)量對(duì)象進(jìn)行偏差分析，進(jìn)而評(píng)價(jià)構(gòu)架在制造過(guò)程中的變形。

4.1 基準(zhǔn)對(duì)齊

由于構(gòu)架在焊接和熱處理后主要的變形集中在兩根側(cè)梁的垂直方向，為了觀察構(gòu)架的彎曲趨勢(shì)以及變形狀況，需要遵循設(shè)計(jì)基準(zhǔn)進(jìn)行模型對(duì)齊。首先，在構(gòu)架點(diǎn)云導(dǎo)入模型兩根側(cè)梁上蓋板表面擬合一個(gè)水平面；其次，測(cè)量出兩根側(cè)梁之間的距離，在中間創(chuàng)建一個(gè)鉛垂面，使用特征對(duì)齊對(duì)兩個(gè)平面創(chuàng)建組進(jìn)行對(duì)齊，兩個(gè)平面共同約束了構(gòu)架的5個(gè)自由度。在構(gòu)架的最后一個(gè)自由度上使用最佳擬合對(duì)齊，軟件不斷計(jì)算調(diào)整點(diǎn)云和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)匹配，直到在最后一個(gè)自由度上的誤差最小[10]。

4.2 構(gòu)架3D誤差比較

利用Qulify軟件的3D比較功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)齊點(diǎn)云的誤差比較，可以全方位了解構(gòu)架的變形狀況。結(jié)果通過(guò)色譜區(qū)分，根據(jù)檢測(cè)精度的要求，自定義顏色的數(shù)量，顏色顯示的越多則結(jié)果越精確。首先，使用構(gòu)架試件焊接工序點(diǎn)云模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比，即設(shè)計(jì)模型作為參考,構(gòu)架試件焊接后的模型作為測(cè)試對(duì)象，評(píng)價(jià)焊接工序的構(gòu)架變形；其次，以焊接后的點(diǎn)云模型作為參考，熱處理后的點(diǎn)云模型作為測(cè)試對(duì)象，評(píng)價(jià)熱處理工序的構(gòu)架變形。筆者采用標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均偏差分析構(gòu)架的變形趨勢(shì)。平均偏差反映了構(gòu)架在不同制造階段變形量的大小，標(biāo)準(zhǔn)偏差反映了誤差數(shù)據(jù)的離散程度。圖4為試件B退火前后的3D誤差比較云圖。構(gòu)架A，B，C焊接和退火后測(cè)量評(píng)價(jià)結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1偏差數(shù)據(jù)對(duì)構(gòu)架不同制造階段的變形進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，焊接工序的平均偏差遠(yuǎn)大于退火工序的平均偏差，表明退火工序?qū)?gòu)架變形改善效果有限，退火后的3D平均偏差改善量小于0.58 mm。

圖4 構(gòu)架B退火前的3D誤差比較Fig.4 3D error comparison of frame B in welding

表1 試件A，B，C 制造過(guò)程中的3D誤差比較Tab.1 3D error comparison for A，B，C in manufacturing processes mm

4.3 標(biāo)準(zhǔn)差與平均偏差一致性檢驗(yàn)

為判斷標(biāo)準(zhǔn)差與平均偏差結(jié)果是否一致，使用F檢驗(yàn)與t檢驗(yàn)

(4)

其中：s1，s2分別為兩樣本的標(biāo)準(zhǔn)差。

(5)

其中：n1，n2分別為兩樣本容量。

用式(4)，(5)分別對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，試件A與試件B退火后的偏差數(shù)據(jù)得出的結(jié)果如表2所示?？梢?jiàn)，在檢驗(yàn)水準(zhǔn)a=0.05時(shí)，不拒絕平均偏差與標(biāo)準(zhǔn)偏差的一致性假設(shè)。

表2標(biāo)準(zhǔn)差與平均偏差一致性分析

Tab.2Consistencyanalysisofstandarddeviationandaveragedeviation

參數(shù)AB平均偏差1．501．67標(biāo)準(zhǔn)差1．921．86自由度3435F值1．0655F臨界值2．1114t值1．3559t臨界值1．676

4.4 構(gòu)架四角高差評(píng)價(jià)

構(gòu)架四角高差是評(píng)價(jià)一個(gè)構(gòu)架變形量是否合格的重要標(biāo)志，四角高差不合格直接影響車(chē)輛裝配工序的基準(zhǔn)。本案除了完成構(gòu)架四角高差評(píng)價(jià)，還將利用此測(cè)量結(jié)果與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本研究方法的正確性。

測(cè)定構(gòu)架四角高差的四點(diǎn)位置定義如圖5所示，即左右側(cè)架中心線分別與牽引梁中心線和支撐梁中心線的4個(gè)交點(diǎn)。熱處理后，評(píng)價(jià)四角高差合格要求：4個(gè)點(diǎn)中的最高點(diǎn)或最低點(diǎn)相對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的差值小于等于4mm，否則就要進(jìn)行壓力校正處理。將圖6右上方的點(diǎn)設(shè)為點(diǎn)1，沿其順時(shí)針?lè)较蚍謩e為點(diǎn)2、點(diǎn)3和點(diǎn)4，利用之前對(duì)齊的坐標(biāo)系關(guān)系，分別在上述4點(diǎn)對(duì)構(gòu)架A，B，C試件進(jìn)行高差測(cè)量。結(jié)果表明，構(gòu)架A四角高差為3.46 mm，構(gòu)架B為3.02 mm均合格，而構(gòu)架C為7.69 mm。超差生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)反饋結(jié)果表明，試件C的四角高差超差，評(píng)價(jià)為不合格，需要壓力校正，與筆者分析結(jié)果一致。

圖5 構(gòu)架四角高差測(cè)定位置Fig.5 Four-angular height difference measuring positions

5 結(jié)束語(yǔ)

提出了由MaxShot光學(xué)攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)大型構(gòu)架進(jìn)行整體坐標(biāo)系建立，用HandyScan 700三維光掃描儀進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速精確采集，以構(gòu)架設(shè)計(jì)基準(zhǔn)進(jìn)行點(diǎn)云對(duì)齊，結(jié)合Geomagic軟件平臺(tái)進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理以及制造誤差分析與評(píng)價(jià)的系統(tǒng)化方法。案例研究表明,此方法在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可方便地對(duì)大型構(gòu)架的變形進(jìn)行快速、全面和精確的實(shí)時(shí)測(cè)量與分析,為該類(lèi)產(chǎn)品制造質(zhì)量的監(jiān)控提供了新手段。分析得出了構(gòu)架在不同制造階段的3D變形信息，四角高差評(píng)價(jià)與生產(chǎn)實(shí)際中的傳統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果一致，證明了這種測(cè)量和分析方法的正確性。構(gòu)架制造過(guò)程各工序的3D誤差信息表明，焊接工序是影響構(gòu)架變形的主要因素，而退火工藝對(duì)構(gòu)架變形的影響有限，3D平均偏差改善量小于0.58mm，遠(yuǎn)不及經(jīng)驗(yàn)描述的顯著。該結(jié)論為縮短退火時(shí)間、降低生產(chǎn)成本與能耗提供了科學(xué)依據(jù)。

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