作者:中国电子科技集团公司第二十七研究所  杨伟伟 李德宏

刊登于《模具制造》2019年03期


摘 要: 三维扫描仪采用非接触的测量方式获取三维数据并广泛应用于船舶设计、军事分析、灾害评估等诸多领域。壳体是三维扫描仪中的关键零部件之一,通过分析壳体的结构特点,首先提出基准转换的加工工艺方案,并给出测量结果。结果表明,采用此方案加工的壳体未能达到精度要求。通过分析超差的原因,进而提出预留夹头的加工工艺方案,由测量结果可知,采用此方案能够加工出满足设计要求的壳体。

关键词:三维扫描仪;壳体;工艺方案


1. 引言

  三维扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性,采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据,能够对任意物体进行扫描,且没有白天和黑夜的限制,快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。这项技术具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点,可以极大地降低成本,节约时间,而且使用方便。[1]

  三维扫描仪数据采集过程中,旋转扫描头在竖直面内随方位电机360°连续转动,同时光学镜头在水平面内随俯仰电机做旋转及俯仰运动,形成光束在空间上进行扫描,本单位生产的三维扫描仪可在-40°~+60°范围内扫描。三维扫描仪中壳体是该产品的核心部件,壳体底部与方位轴相连,左侧安装俯仰电机,右侧安装光学镜筒。方位轴、俯仰轴及光轴这三者要正交,其正交的程度直接关系三维扫描仪的工作精度,是最重要的指标之一。由此可见,为了保证三维扫描仪的工作精度,必须保证壳体的加工精度满足设计要求。


2. 壳体结构分析

  壳体所用材料是6061-T651铝板,其三维模型如图1所示,壳体外形尺寸为105mm×200mm×218.5mm。图中两圆弧面为Φ200mm的圆柱面,并有沿弧面分布的减重槽。左右两端为异形腔,带有安装其他元器件用的凸台及密封槽等要素。前后两端为安装窗口的台阶方孔,尺寸为   image.png ,四角圆角尺寸为image.png;两个窗口安装面为斜面,并有两个方向的斜度,分别为23.05°、3°。

壳体的关键尺寸、形位公差要求如图2所示,其中image.png圆柱面为壳体与方位轴连接的配合面(图中A基准面),为保证配合精度,要求image.pngimage.pngimage.png圆柱面为俯仰电机安装基准面,image.png圆柱面为光学镜筒安装基准面。如前所述,方位轴、俯仰轴及光轴这三者要正交,精度要求如图2的image.pngimage.png。壳体的形位公差均在3级精度以内,而且壳体为空心结构,加工过程中极易变形,因此加工难度较高。


3. 加工工艺方案及测量结果

3.1 方案一:基准转换加工工艺方案

根据壳体的形位公差要求,结合本单位的设备情况,采用三轴数控铣床粗加工、五轴加工中心精加工的加工方案。其工艺路线为备料→粗铣→热处理→半精铣→热处理→精铣。

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图1壳体的三维模型                   图2 壳体的公差要求


具体加工方案如下:

Ⅰ. 备料即6061-T651铝板料,尺寸为δ120mm×209mm×228mm。

Ⅱ. 粗铣壳体的外形及内腔,各单面留1.5mm余量。

Ⅲ. 热处理温度为180~200℃,保温2h,空冷。

Ⅳ. 半精铣外形时,在A基准所在的一端,端面留1mm余量(图2中218.5mm铣削成219.5mm)。半精铣图2左右两侧的内腔,包括密封槽、凸台、台阶孔、梯形腔等要素,其中有形位公差要求的两个孔表面均留1mm余量。用五轴加工中心铣削外圆弧上的减重腔及两个斜面窗口。为便于装夹,外圆弧面放在最后加工。

Ⅴ.  热处理温度为180~200℃,保温2h,空冷。

Ⅵ.  精铣端面1mm的余量,精铣图2中 A基准,保证image.pngimage.png。用卧式加工中心铣削两个有形位公差要求的内孔,为保证垂直度要求,以除Φ60以外的整个大平面为基准利用压板装夹工件,铣削Φ51孔;然后工作台旋转180°,再铣削Φ52孔,即可保证同轴度要求。其中保证与A面的垂直度时,并不是直接以A面为基准装夹,而是利用Φ60以外大平面,由于该平面是与A面在一次装夹中加工完成的,可以进行基准转换,这样方便装夹工件。


3.2 方案一测量结果

采用方案一加工出的壳体实物如图3所示。利用三坐标测量设备检测其关键尺寸及形位公差如表1所示。实际测量中发现两个孔image.png孔与image.png均出现不同程度的变形,其中image.png还出现尺寸超差的情况,由此引起两个孔同轴度超差,两孔轴线与Φ40孔轴线的垂直度超差。

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图3方案一加工实物

 由上述工艺方案可知,表1中前三项是在一次装夹中加工完成的,其公差由机床精度、刀具、编程参数等保证。后四项加工时,两孔同轴度是由机床精度决定的,但由于使用压板装夹,对工件产生向下的压力,导致孔变形及同轴度超差。而且装夹过程中进行了基准转换,垂直度超差除了受装夹力的影响,还存在二次定位误差。

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3.3 基于基准转换方案ANSYS线性静态结构分析

通过对壳体工件进行ANSYS线性静态结构分析,来分析装夹力对工件变形的影响,其结果如图4所示。由此可见,装夹力对工件精度有直接影响。为了满足工件的精度要求,应考虑尽可能降低装夹力和二次装夹定位对工件精度的影响,因此设计了第二种加工工艺方案。 

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图4 装夹力引起的工件变形

3.4 方案二:预留夹头加工工艺方案

预留夹头加工工艺方案的工艺路线为备料→粗铣→热处理→半精铣→热处理→精铣→割削去夹头→精铣基准面。

该方案中所用到的三轴与五轴数控程序均有CimtronE13编制完成。

具体加工方案如下:

Ⅰ 备料即6061-T651铝板料,尺寸为δ120mm×209mm×328mm。

Ⅱ 粗铣壳体的外形及内腔,各单面留1.5mm余量,在图2底部留100mm夹头。

Ⅲ 热处理温度为180~200℃,保温2h,空冷。


Ⅳ 半精铣有两种方案:

方案1:1-1分两次装夹铣削图2左右两个端面及两端的内腔,包括密封槽、凸台、台阶孔、梯形腔等要素,其中有形位公差要求的两个孔Φ51、Φ52表面均留1mm余量。

1-2铣削A基准所在的一端,端面留1mm余量;铣削外圆弧面。

1-3利用夹头装夹,五轴加工中心变换方位铣削图2前后两侧的斜面窗口及弧面上的减重腔。

此种方案1-2中铣削外圆弧面时,由于刀具伸出长度至少220,铣削时极易造成很大的振动。1-3中利用夹头装夹时工件处在水平位置,由于加工余量较大,不利于夹紧。因此方案1不宜采用。

方案2:2-1同方案1-1。

2-2铣削A基准所在一端,同方案1-2留余量。

2-3分两次装夹,用五轴加工中心铣削两侧窗口及弧面上的减重腔。此时外圆弧还未加工,有利于找正。

2-4分两次装夹,铣削外圆弧面。铣削第一个圆弧面时,工件底部是平面,便于找正。但铣削第二个圆弧面时,工件底部是圆弧面,而100mm夹头部分为平面,导致工件很难找正,为此在2-2中铣削出宽160mm的凸台,凸台下部用垫铁与夹头部分垫平以便找正工件。

    此处半精铣选用方案2。

Ⅴ 热处理温度为180~200℃,保温2h,空冷。

Ⅵ 利用夹头装夹,采用五轴加工中心,精铣1mm的余量,铣削A基准及此端面的其他元素,保证image.pngimage.png。变换方位,铣削image.png孔,保证image.png。再变换方位,铣削image.png孔,保证image.png。由此可见,所有关键元素均在一次装夹中加工完成,其形位公差由机床的精度保证,有效消除了二次装夹引起的定位误差。

Ⅶ 用线切割去掉图2底部的夹头,保证工件长度220mm。

Ⅷ 铣削图2底部面至218.5mm,铣削此面上各凸台及钻孔等。


3.5 方案二测量结果

采用方案二加工出的壳体实物如图5所示。利用三坐标测量设备检测其关键尺寸及形位公差如表2所示。由表可见,所有设计指标均未出现超差项,全部测量结果均符合工件的设计要求,即采用预留夹头的加工工艺方案可以加工出满足设计要求的壳体。

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图5 方案二加工实物


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表2方案二测量结果


4. 结论 

 壳体为三维扫描仪中关键的零部件之一,文中分析了壳体的结构特点,并拟定了基准转换的加工工艺方案,加工工件实际测量结果表明尺寸、形位公差均有超差情况。后续通过对壳体工件进行ANSYS线性静态结构分析,该方案变形较大达不到设计要求。针对实际测量结果进行了认真、详细的分析,在详实的分析结论下重新提出预留夹头的加工工艺方案,实测采用该方案加工的壳体工件,各项技术指标均优于设计要求。实际生产验证了此方案的高效性与合理性。此种工艺方案可推广至其他类似高精度零件的加工,具有一定的借鉴意义。

 

参考文献

[1]徐祖舰,王滋政,阳锋.机载激光雷达测量技术及工程应用实践[M].武汉大学出版社,2009:1~2.