三維掃描焊接實驗設(shè)計實踐范文
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摘要:以數(shù)字化、信息化、智能化為主要特征的現(xiàn)代機(jī)械加工制造新技術(shù)，對機(jī)械制造等專業(yè)大學(xué)生的專業(yè)能力提出了新的要求。各高校工科專業(yè)將三維掃描技術(shù)應(yīng)用于焊接的實習(xí)實訓(xùn)過程之中，鍛煉了學(xué)生對加工質(zhì)量精度的檢查操作方法，培養(yǎng)了學(xué)生利用新技術(shù)、新工藝解決實際問題的能力和意識。為進(jìn)一步利用新技術(shù)拓展綜合性及設(shè)計性實驗內(nèi)容，進(jìn)行了有益的探索與實踐。
關(guān)鍵詞:新技術(shù);焊接變形;金工實習(xí);探索與實踐
焊接工藝作為金工實習(xí)的重要內(nèi)容之一，是機(jī)械類專業(yè)必不可少的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是進(jìn)一步加深對“機(jī)械制造基礎(chǔ)”、“材料學(xué)”、“金屬加工工藝學(xué)”等課程理解的重要輔助手段，更是理論與實踐相結(jié)合的紐帶和橋梁。焊接工藝作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中各種金屬構(gòu)件和機(jī)械零件的重要加工方法之一，在汽車、船舶、飛機(jī)、鍋爐、壓力容器、建筑、電子等工業(yè)部門得到日益廣泛應(yīng)用，焊接工藝水平的高低直接制約和影響著高、精、尖儀器設(shè)備的精度，質(zhì)量和壽命。科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，推動了機(jī)械制造業(yè)的技術(shù)革命，促使機(jī)械制造業(yè)不斷轉(zhuǎn)型升級，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化。《中國制造2025》行動綱領(lǐng)的制定和以信息化、數(shù)字化、智能化為主要特征的工業(yè)4．0的實施，使得機(jī)械制造業(yè)的改革與發(fā)展駛?cè)肟燔嚨馈轫槕?yīng)機(jī)械制造業(yè)技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，提高大學(xué)生的創(chuàng)新和實踐能力，將三維掃描及逆向工程技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)的焊接工藝的實驗過程中，一方面通過傳統(tǒng)機(jī)械加工方法與利用現(xiàn)代科技手段和檢測技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，不僅提高產(chǎn)品的質(zhì)量和精度，也對機(jī)械加工操作人員的業(yè)務(wù)能力提出了更高要求。另一方面，將現(xiàn)代科技手段和檢測技術(shù)應(yīng)用于實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，能夠鍛煉學(xué)生對加工質(zhì)量的精度檢查操作方法，培養(yǎng)學(xué)生利用新技術(shù)、新工藝解決實際問題的能力和意識［1－2］。
1傳統(tǒng)實驗中的焊接變形及檢測
焊接是指兩種或兩種以上材質(zhì)(同種或異種)，通過加熱或加壓或兩者并用等工藝，使得加工對象原子間結(jié)合而形成永久性連接的工藝過程，可分為電焊和氣焊以及激光焊、釬焊、摩擦焊等。焊接工藝是機(jī)械加工制造業(yè)中普遍采用的重要加工手段，焊接工藝水平的高低直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量。因此焊接工藝實習(xí)在高校機(jī)械類專業(yè)特別是機(jī)械制造專業(yè)的教學(xué)實踐環(huán)節(jié)中一直占有重要地位。但由于金屬材料特性決定，焊接加工過程中有焊接應(yīng)力存在，當(dāng)焊接應(yīng)力超過材料的屈服應(yīng)力時，極易發(fā)生角、彎曲、波浪、收縮、扭曲變形等形變，焊接應(yīng)力引起的殘余變形不僅影響結(jié)構(gòu)的尺寸精度和外觀，而且有可能降低其承載能力和機(jī)械性能，因此控制和調(diào)整焊接變形十分重要［3］。減少焊縫長度、焊前預(yù)熱、反變形、優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)、應(yīng)力退火等多種方法是預(yù)防和減小焊接變形的有效措施。焊接變形不可避免，焊接后變形的程度如何，需要通過檢測得到具體的形變數(shù)值。對焊接變形進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測量，是評價控制和調(diào)整焊接變形效果的有效手段［4］。因此，科學(xué)有效地減少焊接變形是理論學(xué)習(xí)和實踐技能培訓(xùn)中的重點。盡管目前采用試驗方法和積分估算法都可以獲得焊接接頭的固有變形，但是這兩種方法均有一定的局限性［5］。如何準(zhǔn)確地獲得鋼結(jié)構(gòu)在焊接過程中產(chǎn)生的變形一直是國內(nèi)外焊接工藝領(lǐng)域研究的熱點問題之一［6］。精確預(yù)測該種典型焊接接頭的焊接變形對優(yōu)化焊接工藝、減少或控制焊接變形具有重要的意義［7］。在焊接相關(guān)的焊接教學(xué)實驗中，多采用傳統(tǒng)的檢測方式，即使用平板、百分表等檢測元件對焊接件進(jìn)行平面度的檢測。但因為焊接變形變化微小，學(xué)生操作不熟練，直觀性差等原因，所以實驗數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。針對于焊接變形的定量檢測和分析一直是相關(guān)理論教學(xué)和實驗教學(xué)的難點。隨著高校教學(xué)改革的推進(jìn)，先進(jìn)教學(xué)手段和教學(xué)方法逐漸受到重視以提高教學(xué)質(zhì)量［8］。
2三維掃描及逆向工程技術(shù)的應(yīng)用
三維掃描技術(shù)是光、機(jī)、電一體化技術(shù)，主要用于對物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。現(xiàn)有研究已將數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于焊接變形的動態(tài)全場測量，對測量方法的驗證以及焊接變形規(guī)律做了初步探討［9］。由于焊接過程的復(fù)雜性導(dǎo)致對其進(jìn)行準(zhǔn)確檢測十分困難［10］。薄板焊接變形會嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，目前仍是國內(nèi)外焊接工藝領(lǐng)域的一項技術(shù)難題［11］。傳統(tǒng)的試驗方法研究焊接現(xiàn)象不僅成本高、效率低，而且其應(yīng)用存在一定的局限性，但單純采用理論方法又很難準(zhǔn)確地解決生產(chǎn)中存在的實際問題［12］。減小焊接熱變形的前提是怎么快速科學(xué)地對焊接熱變形進(jìn)行檢測［13］。不同于傳統(tǒng)的單點檢測，三維掃描技術(shù)通過掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，實現(xiàn)非接觸檢測，速度快、精度高，因此被廣泛應(yīng)用于模具制造、農(nóng)產(chǎn)品檢測、空間測繪、工業(yè)產(chǎn)品逆向設(shè)計等領(lǐng)域。在焊接工件檢測過程中，中心使用天遠(yuǎn)科技有限公司的OKIO系列三維掃描儀對焊接件進(jìn)行三維掃描，通過獲取材料表面點云數(shù)據(jù)，將三維掃描儀獲得的大量點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理形成測試樣本，并與參考樣本進(jìn)行比較，最后得到加工工件的誤差分布。與傳統(tǒng)測量方式相比，效率更高，結(jié)果更直觀，數(shù)據(jù)更全面，該產(chǎn)品在汽車、航空、醫(yī)療設(shè)備和消費產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用，在教學(xué)科研等實踐環(huán)節(jié)中正逐漸顯示其獨特優(yōu)勢。
3基于三維掃描技術(shù)焊接變形實驗的實施
3．1實驗樣板設(shè)計
焊接變形主要原因較為復(fù)雜，焊接件的形態(tài)較為多樣［14］。本文以45號鋼為實驗對象，板材尺寸選用150mm×60mm，應(yīng)用手工電弧焊制做對接試樣。選擇2mm、3mm、4mm、5mm四個不同厚度板材。在相同焊接總長度90mm條件下，采用中間焊接和邊緣焊接兩種不同焊接位置進(jìn)行實驗，如圖1所示，共需檢測8個樣件。據(jù)此驗證板材厚度、焊接結(jié)構(gòu)對于焊接變形的影響。3．2三維掃描及精度數(shù)據(jù)的提取對樣板按實驗要求進(jìn)行焊接，等待溫度穩(wěn)定后，噴涂顯像劑。待顯像劑干燥后，粘貼標(biāo)識點，標(biāo)識點粘貼盡量隨意不規(guī)律，如圖2所示。利用三維掃描儀對樣板進(jìn)行掃描如圖3所示。獲取對應(yīng)工件點云數(shù)據(jù)，并對其封裝處理如圖4所示。對模型修改去除毛刺、修正邊緣，填補(bǔ)漏洞，如圖5所示。獲得樣件點云數(shù)據(jù)后，運用逆向工程軟件進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理步驟為:第一步，通過SolidWorks或UG等CAD軟件繪制標(biāo)準(zhǔn)工件的數(shù)字模型，并導(dǎo)入GeomagicQuality11．0中，定義成參考樣本。第二步，使用三維掃描儀采集的實際工件點云數(shù)據(jù)，輸入GeomagicQuality11．0中，進(jìn)行預(yù)處理。第三步，建立多邊形模型并進(jìn)行修補(bǔ)。為了避免焊縫對于檢測數(shù)據(jù)的影響，將焊縫和焊渣刪除。第四步，將處理完成的工件定義為測試樣本。第五步，通過GeomagicQulify11軟件，尋找參考樣本和測試樣本的最佳擬合位置，并進(jìn)行3D比較，輸出測試結(jié)果。實驗中，Geomagic軟件點云處理及數(shù)據(jù)提取操作流程圖，如圖6所示。
3．3焊接樣件檢測結(jié)果
通過GeomagicQualify11．0對焊接樣件進(jìn)行3D檢測，樣件不同焊縫位置即中間焊接和邊緣焊接的應(yīng)變云圖，如圖7所示;通過對應(yīng)變云圖分析可以獲知總體上焊縫位置變形較小，邊緣位置變形較大，成翹起狀態(tài)。焊接變形最大的位置出現(xiàn)在材料邊緣的通過分析數(shù)據(jù)可以得出，材料變形與焊縫結(jié)構(gòu)和材料厚度呈現(xiàn)明顯的關(guān)系。材料越厚焊接變形越小，最大偏差較小。反之，材料越薄，焊接變形越大。焊縫越集中，焊接變形越大。隨樣板厚度在不同焊接結(jié)構(gòu)下，材料變形的最大偏差和標(biāo)準(zhǔn)差如圖8所示。
3．4焊接樣板三坐標(biāo)測試點確定
為了驗證三維掃描技術(shù)在工件焊接變形檢測實驗結(jié)果的正確性，使用三坐標(biāo)測量機(jī)對工件進(jìn)行檢測。首先應(yīng)用鉗工劃線工具，在板材垂直方向和水平依次劃出等距的直線。選擇板材上直線交點，作為三坐標(biāo)測量機(jī)測量校核點。然后將樣板放置在三坐標(biāo)測量機(jī)上，逐點檢測，并記錄數(shù)據(jù)。最后，將三坐標(biāo)測試樣件的平面度與三維掃描儀測試樣件的平面度進(jìn)行對比，若兩者驗證數(shù)據(jù)接近，即證明三維掃描儀測試數(shù)據(jù)的正確性。三坐標(biāo)測量如圖9所示。通過三坐標(biāo)測量機(jī)檢測，證明通過三維掃描儀檢測焊接樣板變形精度較高，方法可行性較高。
4實驗教學(xué)實施
實驗時，因為實驗環(huán)節(jié)較多，可由多名學(xué)生協(xié)同完成。基本的實驗教學(xué)過程如下:(1)選取適合的樣板，使用鉗工劃線工具，按照圖紙要求劃線，并標(biāo)記點;(2)學(xué)習(xí)焊接操作的安全規(guī)程及手工電弧焊接的基本操作技能，按實驗要求焊接實驗樣板;(3)按照標(biāo)準(zhǔn)操作方案使用三坐標(biāo)測量機(jī)測量樣板測試點的坐標(biāo)值并計算平面度，記錄好測量數(shù)據(jù);(4)對樣板噴涂顯像劑，使用三維掃描儀對樣板掃描，獲取樣板的點云數(shù)據(jù);(5)使用逆向工程軟件對點云進(jìn)行處理獲得樣板的數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)位置的截面線;(6)將三維掃描獲取的焊接樣板數(shù)據(jù)與三坐標(biāo)測量機(jī)獲取的焊接樣板數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，校核數(shù)據(jù)的正確性;(7)將焊接變形誤差與板材厚度和焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，并總結(jié)規(guī)律;(8)形成完整的實驗報告。5結(jié)語焊接實驗是機(jī)械制造相關(guān)專業(yè)中重要的組成部分。研究板材焊接變形規(guī)律，明確焊接變形的影響因素，從而采取合適的措施以減少失穩(wěn)變形的發(fā)生，對焊接工藝的應(yīng)用有著非常重要的研究意義及工程應(yīng)用價值。焊接變形是焊接過程中常見的現(xiàn)象，準(zhǔn)確、快速地檢測焊接變形對于消除焊接殘余應(yīng)力，提高焊接產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命等具有重要的理論和實際意義。有效控制和較小焊接變形是焊接實習(xí)實訓(xùn)中非常重要的技術(shù)。傳統(tǒng)焊接實驗中，在實驗室條件下針對焊接變形很難定量描述材料的位移和形變，影響了教學(xué)效果。三維掃描技術(shù)在焊接變形實驗教學(xué)中的應(yīng)用，是對傳統(tǒng)焊接相關(guān)實驗的有效補(bǔ)充。使用三維掃描技術(shù)，一方面可以科學(xué)分析和定量描述焊接過程中產(chǎn)生的位移和形變，為進(jìn)一步改進(jìn)焊接加工工藝方法，提高焊接加工件的加工質(zhì)量，提供定量依據(jù)。另一方面，能夠培養(yǎng)學(xué)生使用新技術(shù)解決實際問題的能力。學(xué)生通過對焊接、測量的基本操作的實踐鍛煉，優(yōu)化了學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，提升了學(xué)生獨立處理實際零件加工過程的能力，彌補(bǔ)了大學(xué)生動手能力差的不足，為學(xué)生從事機(jī)械制造相關(guān)領(lǐng)域工作打下堅實基礎(chǔ)。
作者：束鈺 李光提 尹力 劉樹峰 張磊 單位：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)