CN112548032B - 一种基于三维扫描的铸件铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维扫描的铸件铸造方法，属于铸件铸造技术领域，解决了现有技术中铸件尺寸精度控制难的问题。上述方法为依据理论铸件三维模型的经验变形偏差值，对理论铸件三维模型赋予经验逆反偏差值获得一次铸件修正模型；对一次铸型修正模型进行仿真分析，依据仿真铸件三维模型与理论铸件三维模型的仿真变形偏差值，对一次铸型修正模型赋予仿真逆反偏差值获得二次铸件修正模型；制备砂型和实际铸件；获得实际铸件三维模型，依据实际铸件三维模型和理论铸件三维模型的真实变形偏差值，对二次铸件修正模型赋予更正逆反偏差值获得更正铸型修正模型，将更正铸型修正模型作为二次铸件修正模型。上述方法可用于铸件铸造。

Description

一种基于三维扫描的铸件铸造方法

技术领域

本发明属于铸件铸造技术领域，具体涉及一种基于三维扫描的铸件铸造方法。

背景技术

在铸件铸造领域中，尺寸精度对于铸件产品至关重要。

目前，解决铸件尺寸精度问题主要有以下两个方面：一方面是提高铸型尺寸精度，特别是提高砂型的一致性；另一方面是需要解决铸件在铸造、热处理等过程的变形控制问题，通过工艺设计减少变形带来的影响。对于复杂曲面铸件产品而言，其铸件变形规律复杂，各个成型面的变形量存在较大差异。采用传统的工艺设计来控制变形，需要进行多次重复试验与试错，过程复杂，尺寸精度控制难度大。

发明内容

鉴于上述分析，本发明旨在提供一种基于三维扫描的铸件铸造方法，解决了现有技术中铸件尺寸精度控制难的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种基于三维扫描的铸件铸造方法，包括如下步骤：

步骤1：绘制理论铸件三维模型，建立理论铸件三维模型的尺寸精度控制基准坐标系；

步骤2：预先判断理论铸件三维模型变形产生的经验变形偏差值，获得理论铸件三维模型的经验逆反偏差值，对理论铸件三维模型赋予经验逆反偏差值进行一次预先反变形设计，获得一次铸件修正模型；

步骤3：对一次铸型修正模型进行仿真分析，生成仿真铸件三维模型，以尺寸精度控制基准坐标系为基准，比较仿真铸件三维模型与理论铸件三维模型的仿真变形偏差值，获得仿真铸件三维模型与理论铸件三维模型的仿真逆反偏差值，对一次铸型修正模型赋予仿真逆反偏差值进行二次预先反变形设计，获得二次铸件修正模型；

步骤4：基于二次铸件修正模型，在尺寸精度控制基准坐标系中绘制砂型理论三维模型，制备砂型；

步骤5：采用砂型进行铸件铸造，得到实际铸件；

步骤6：对实际铸件进行三维扫描，获得实际铸件的三维扫描点云数据模型，以尺寸精度控制基准坐标系为基准，比较实际铸件三维扫描点云数据模型和理论铸件三维模型的真实变形偏差值，获得实际铸件三维扫描点云数据模型和理论铸件三维模型的更正逆反偏差值，对上述步骤3中的二次铸件修正模型赋予更正逆反偏差值进行一次逆向反变形设计，获得更正铸型修正模型，将上述更正铸型修正模型作为步骤4中的二次铸件修正模型，重复步骤4和步骤5；

其中，变形偏差值与逆反偏差值的数值相等、正负相反。

进一步地，上述步骤4与步骤5之间还包括如下步骤：

采用三维扫描仪对砂型进行三维扫描，三维扫描仪分析比较砂型的点云数据模型与砂型理论三维模型的精度偏差值；

如果砂型的点云数据模型与砂型理论三维模型的精度偏差值超过阈值，说明制备砂型的设备误差较大，则对制备砂型的设备进行校正。

进一步地，上述步骤6中，对上述步骤3中的二次铸件修正模型赋予更正逆反偏差值与砂型的点云数据模型与砂型理论三维模型的精度偏差值之差进行一次逆向反变形设计。

进一步地，步骤1中，理论铸件三维模型的尺寸精度控制基准坐标系选取绘制理论铸件三维模型的原始坐标系，要求铸件的主要部件的中心或者圆心落在尺寸精度控制基准坐标系的原点上，铸件的主要对称线与尺寸精度控制基准坐标系的坐标轴重合。

进一步地，对于铸件具有特定重要尺寸控制部件时，将尺寸精度控制基准坐标系的原点和/或坐标轴移动至铸件重要尺寸控制部件上。

进一步地，在一次预先反变形设计、二次预先反变形设计和/或一次逆向反变形设计中，沿尺寸精度控制基准坐标系的X轴、Y轴和Z轴分别赋予不同的铸造收缩率，使得变形偏差值趋近于零。

进一步地，对于无法通过赋予不同的铸造收缩率使得变形偏差值趋近于零的局部部位，对上述局部部位对应的部分进行增量或者减量的型面补偿设计。

进一步地，上述步骤4中，采用3D打印技术或无模数控加工技术制备砂型。

进一步地，上述步骤6中，采用等高线控制绘制法或网点控制绘制法根据三维扫描的点云数据进行逆向建模。

进一步地，等高线绘制法包括如下步骤：

将更正逆反偏差值区间等分为5～10份，在具有相同更正逆反偏差值的边界上绘制样条曲线，形成更正逆反偏差值等高线，更正铸型修正模型通过变形量等高线。

进一步地，网点控制绘制法包括如下步骤：

在实际铸件的变形区域设置等间距的网格，网格数一般为5×5至10×10不等，形成网格横纵交叉的变形量网格控制节点，按照更正逆反偏差值调整各控制节点，更正铸型修正模型型通过网格控制节点。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

a)本发明提供的基于三维扫描的铸件铸造方法，采用了全流程三维模型建模、数值模拟仿真模型修正、铸型与铸件三维扫描检验以及三维扫描数据逆向建模反馈等对理论铸件三维模型进行多次修正，从而能够提高铸件铸造的尺寸精度，减小铸件尺寸精度控制难度，缩短铸件铸造的研制周期，实现铸件尺寸精度控制的快速化、精确化和数字化。

b)本发明提供的基于三维扫描的铸件铸造方法，实际铸件铸造之前进行一次预先反变形设计和二次预先反变形设计。其中，一次预先反变形设计主要针对设计人员根据铸造经验和受力理论分析对理论铸件三维模型变形产生的经验偏差值进行地粗略修正，获得粗略修正后的一次铸件修正模型；二次预先反变形设计主要针对一次铸型修正模型仿真分析生成的仿真铸件三维模型的仿真变形偏差值有针对性地精确修正，获得的二次铸件修正模型所浇注的实际铸件能够大致上能够接近理论铸件三维模型。这样，通过在实际铸件铸造之前的两次预先反变形设计，对提前预判铸件变形进行两次修正，能够大大减少实际铸件的试验次数，提高铸件铸造效率。

c)本发明提供的基于三维扫描的铸件铸造方法，实际铸件铸造之后进行逆向反变形设计，采用三维扫描检验技术进行全尺寸数据检查，实现过程数据准确掌握，通过对实际铸件进行三维扫描，获得实际铸件的三维扫描点云数据模型。比较实际铸件的三维扫描点云数据模型和理论铸件三维模型的真实变形偏差值，通过逆向建模技术对步骤3中的二次铸件修正模型进行进一步反变形设计，对铸件模型的精确修正，获得更正铸型修正模型，采用更正铸型修正模型进行砂型设计，能够进一步提高上述铸件铸造的尺寸控制精度。

d)本发明提供的基于三维扫描的铸件铸造方法，通过扣除砂型的点云数据与砂型理论三维模型的精度偏差值，能够消除制备砂型的设备误差对实际铸件三维模型的影响，实际铸件三维模型和理论铸件三维模型的逆反偏差值与砂型的点云数据与砂型理论三维模型的精度偏差值之差即为实际应该对上述步骤6中的二次铸件修正模型赋予的逆反偏差值，从而进一步提高上述基于三维扫描的铸件铸造方法的控制精度。

e)本发明提供的基于三维扫描的铸件铸造方法，3D打印技术或无模数控加工技术的加工精度较高，采用3D打印技术或无模数控加工技术制备砂型，能够实现砂型的精确制备，避免砂型制备产生较大误差，减少操作过程影响，从而进一步提高上述基于三维扫描的铸件铸造方法的精度控制。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体发明的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例一提供的基于三维扫描的铸件铸造方法的各个三维模型修正过程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选发明，其中，附图构成本发明的一部分，并与本发明的发明一起用于阐释本发明的原理。

本发明提供了一种基于三维扫描的铸件铸造方法，包括如下步骤：

步骤1：根据零件结构特点，绘制理论铸件三维模型，建立理论铸件三维模型的尺寸精度控制基准坐标系；

步骤2：依据铸造经验和受力理论分析，通过理论分析、经验预判和/或模拟仿真等，预先判断理论铸件三维模型变形产生的经验变形偏差值，获得理论铸件三维模型的经验逆反偏差值，对理论铸件三维模型赋予经验逆反偏差值进行一次预先反变形设计，获得一次铸件修正模型，使得采用一次铸件修正模型浇注或模拟获得的一次预判铸件三维模型与理论铸件三维模型的变形偏差值趋近于零；

步骤3：采用数值模拟软件对一次铸型修正模型进行仿真分析，生成仿真铸件三维模型，以尺寸精度控制基准坐标系为基准，比较仿真铸件三维模型与理论铸件三维模型的仿真变形偏差值，获得仿真铸件三维模型与理论铸件三维模型的仿真逆反偏差值，对一次铸型修正模型赋予仿真逆反偏差值进行二次预先反变形设计，获得二次铸件修正模型，使得采用二次铸件修正模型浇注或模拟获得的二次预判铸件三维模型与理论铸件三维模型的变形偏差值趋近于零；

步骤4：基于二次铸件修正模型，在尺寸精度控制基准坐标系中绘制砂型理论三维模型，制备砂型；

步骤5：采用砂型进行铸件铸造，得到实际铸件；

步骤6：采用三维扫描仪对实际铸件进行三维扫描，获得实际铸件的三维扫描点云数据模型，以尺寸精度控制基准坐标系为基准，比较实际铸件三维扫描点云数据模型和理论铸件三维模型的真实变形偏差值，获得实际铸件三维扫描点云数据模型和理论铸件三维模型的更正逆反偏差值，对上述步骤3中的二次铸件修正模型赋予更正逆反偏差值进行一次逆向反变形设计，获得更正铸型修正模型，将上述更正铸型修正模型作为步骤4中的二次铸件修正模型，重复步骤4和步骤5。

需要说明的是，变形偏差值是指模型型面(仿真铸件三维模型、实际铸件三维模型)远离理论铸件三维模型型面的值。

另外，需要说明的是，变形偏差值与逆反偏差值的数值相等、正负相反，举例来说，当变形偏差值为-2时，则与该变形偏差值对应的逆反偏差值为+2；同样地，当变形为+1时，则与该变形对应的逆反偏差值为-1；当变形为0时，则与该变形对应的逆反偏差值为0。

与现有技术相比，本发明提供的基于三维扫描的铸件铸造方法，采用了全流程三维模型建模、数值模拟仿真模型修正、铸型与铸件三维扫描检验以及三维扫描数据逆向建模反馈等对理论铸件三维模型在一次铸造过程中进行多次修正，从而能够提高铸件铸造的尺寸精度，减小铸件尺寸精度控制难度，缩短铸件铸造的研制周期，实现铸件尺寸精度控制的快速化、精确化和数字化。

具体来说，实际铸件铸造之前进行一次预先反变形设计和二次预先反变形设计。其中，一次预先反变形设计主要针对设计人员根据铸造经验和受力理论分析对理论铸件三维模型变形产生的经验偏差值进行地粗略修正，获得粗略修正后的一次铸件修正模型；二次预先反变形设计主要针对一次铸型修正模型仿真分析生成的仿真铸件三维模型的仿真变形偏差值有针对性地精确修正，获得的二次铸件修正模型所浇注出的铸件能够大致上能够接近理论铸件三维模型。这样，通过在实际铸件铸造之前的两次预先反变形设计，对提前预判铸件变形进行两次修正，能够大大减少实际铸件的试验次数，提高铸件铸造效率。

实际铸件铸造之后进行逆向反变形设计，采用三维扫描检验技术进行全尺寸数据检查，实现过程数据准确掌握，通过对实际铸件进行三维扫描，获得实际铸件的三维扫描点云数据模型。比较实际铸件的三维扫描点云数据模型和理论铸件三维模型的真实变形偏差值，通过逆向建模技术对步骤3中的二次铸件修正模型进行进一步反变形设计，对铸件模型的精确修正，获得更正铸型修正模型，采用更正铸型修正模型进行砂型设计，能够进一步提高上述铸件铸造的尺寸控制精度。

考虑到在铸件铸造过程中，对于铸件尺寸精度不仅会受到铸件三维模型(例如，理论铸件三维模型、一次铸件修正模型、二次铸件修正模型和更正铸型修正模型)的影响，还会受到砂型尺寸精度的影响，由于砂型尺寸精度偏差主要出现在砂型制备过程中，因此，上述步骤4与步骤5之间还包括如下步骤：

采用三维扫描仪对砂型进行三维扫描，三维扫描仪分析比较砂型的点云数据模型与砂型理论三维模型的精度偏差值；

如果砂型的点云数据模型与砂型理论三维模型的精度偏差值超过阈值，说明制备砂型的设备误差较大，则对制备砂型的设备进行校正。

值得注意的是，上述制备砂型的设备误差与铸件三维模型(例如，理论铸件三维模型、一次铸件修正模型、二次铸件修正模型和更正铸型修正模型)的误差关系不大，因此，上述步骤6中，对上述步骤3中的二次铸件修正模型赋予更正逆反偏差值与砂型的点云数据与砂型理论三维模型的精度偏差值之差进行一次逆向反变形设计。这样，通过扣除砂型的点云数据与砂型理论三维模型的精度偏差值，能够消除制备砂型的设备误差对实际铸件三维模型的影响，实际铸件三维模型和理论铸件三维模型的更正逆反偏差值与砂型的点云数据与砂型理论三维模型的精度偏差值之差即为实际应该对上述步骤6中的二次铸件修正模型赋予的逆反偏差值，从而进一步提高上述基于三维扫描的铸件铸造方法的控制精度。

在本发明的实施例中，对于步骤1中，理论铸件三维模型的尺寸精度控制基准坐标系选取绘制理论铸件三维模型的原始坐标系，要求铸件的主要部件的中心或者圆心落在尺寸精度控制基准坐标系的原点上，铸件的主要对称线与尺寸精度控制基准坐标系的坐标轴重合。需要说明的是，主要部件是指在铸件中尺寸最大部件或者具有主要功能的部件，举例来说，金属筒包括筒体和把手，主要部件是指筒体，次要部件指把手，那么，要求筒体的轴线通过尺寸精度控制基准坐标系的原点；或者，发动机缸体包括矩形的缸体以及设于缸体上的燃油进液口，主要部件是指缸体，次要部件指燃油进液口，那么，要求缸体的中心为尺寸精度控制基准坐标系的原点。

对于铸件具有特定重要尺寸控制部件时，例如，对壁厚需精确控制的薄壁部位，也可以根据需要，将尺寸精度控制基准坐标系的原点和/或坐标轴移动至铸件重要尺寸控制部件上。

可以理解的是，在一次预先反变形设计、二次预先反变形设计和/或一次逆向反变形设计中，在一次预先反变形设计中，可以根据铸件结构特点沿尺寸精度控制基准坐标系的X轴、Y轴和Z轴分别赋予理论铸件三维模型不同的铸造收缩率，使得变形偏差值趋近于零。

对于于无法通过赋予不同的铸造收缩率使得变形偏差值趋近于零的局部部位，对上述局部部位对应的部分进行增量或者减量的型面补偿设计。例如，截面为月牙形的壳体类铸件，外圆弧与内圆弧型面的偏差值方向是相反的，只依靠调整铸造收缩率很难实现理想效果，还需配合型面补偿设计。

为了实现砂型的精确制备，上述步骤4中，可以采用3D打印技术或无模数控加工技术制备砂型。这是因为，3D打印技术或无模数控加工技术的加工精度较高，采用采用3D打印技术或无模数控加工技术制备砂型，能够实现砂型的精确制备，避免砂型制备产生较大误差，减少操作过程影响，从而进一步提高上述基于三维扫描的铸件铸造方法的精度控制。

示例性地，上述步骤6中，可以采用等高线控制绘制法或网点控制绘制法根据三维扫描的点云数据进行逆向建模。

其中，等高线绘制法包括如下步骤：

将更正逆反偏差值区间等分为5～10份，在具有相同更正逆反偏差值的边界上绘制样条曲线，形成更正逆反偏差值等高线，更正铸型修正模型通过变形量等高线。

网点控制绘制法包括如下步骤：

在实际铸件的变形区域设置等间距的网格，网格数一般为5×5至10×10不等，形成网格横纵交叉的变形量网格控制节点，按照更正逆反偏差值调整各控制节点，更正铸型修正模型通过网格控制节点。

实施例一

步骤1：如图1所示，铸件为带有筋格的薄壁壳体类铸件的局部示意图。根据零件结构特点，绘制铸件三维模型图，同时将铸件的对称中心作为铸件三维模型图的尺寸精度控制基准坐标系；该坐标系用于计算铸件实际型面相对于铸件三维模型的变形偏差值；

步骤2：依据铸造经验和受力理论分析，预先判断铸件可能发生的变形，进行预先反变形设计。通过设置合理的收缩率，使得铸件主要型面的变形偏差值趋近于零。同时对无法通过收缩率减小变形偏差值的部位，即图1中中间筋格部位进行补贴2mm。由此，获得一次铸件修正模型；

步骤3：采用数值模拟软件对一次铸型修正模型进行仿真分析，根据模拟仿真结果，分析铸件变形趋势，对图1中的两侧筋格进行补贴1mm，获得二次铸件修正模型；

步骤4：利用二次铸件修正模型，设计砂型铸造铸型三维模型，用于指导3D打印砂型或者无模数控加工砂型的制备；

步骤5：采用三维扫描仪对采用数字化砂型制备技术制备的砂型进行检验，并与铸型三维模型进行比对，记录型面偏差值，发现尺寸精度可控制在±0.3mm以内，符合控制要求。

步骤6：铸件浇注完成后，对铸件进行三维扫描检验，并与铸件三维模型进行比对。以尺寸精度控制基准坐标系作为对齐基准，通过比对铸件实际的曲面和铸件三维模型的偏差，获得真实变形偏差值如图1中虚线所示。可以看出，中部筋格真实变形偏差值从中间向两侧由-2向0变化；两侧筋格真实变形偏差值从中间向两侧由0向1变化。

步骤7：利用特定的软件采用等高线控制阀或网格控制法进行逆向建模，对二次修正模型进行反变形修正，更正逆反偏差值设置为从中间向两侧由2向0变化，两侧筋格真实变形偏差值从中间向两侧由0向-1变化。如图1所示，获得一个更为精细更正铸型修正模型。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于三维扫描的铸件铸造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：绘制理论铸件三维模型，建立理论铸件三维模型的尺寸精度控制基准坐标系；

步骤2：预先判断理论铸件三维模型变形产生的经验变形偏差值，获得理论铸件三维模型的经验逆反偏差值，对理论铸件三维模型赋予经验逆反偏差值进行一次预先反变形设计，获得一次铸件修正模型；

步骤3：对一次铸型修正模型进行仿真分析，生成仿真铸件三维模型，以尺寸精度控制基准坐标系为基准，比较仿真铸件三维模型与理论铸件三维模型的仿真变形偏差值，获得仿真铸件三维模型与理论铸件三维模型的仿真逆反偏差值，对一次铸型修正模型赋予仿真逆反偏差值进行二次预先反变形设计，获得二次铸件修正模型；

步骤4：基于二次铸件修正模型，在尺寸精度控制基准坐标系中绘制砂型理论三维模型，制备砂型；

步骤5：采用砂型进行铸件铸造，得到实际铸件；

步骤6：对实际铸件进行三维扫描，获得实际铸件的三维扫描点云数据模型，以尺寸精度控制基准坐标系为基准，比较实际铸件三维扫描点云数据模型和理论铸件三维模型的真实变形偏差值，获得实际铸件三维扫描点云数据模型和理论铸件三维模型的更正逆反偏差值，对所述步骤3中的二次铸件修正模型赋予更正逆反偏差值进行一次逆向反变形设计，获得更正铸型修正模型，将所述更正铸型修正模型作为步骤4中的二次铸件修正模型，重复步骤4和步骤5；

所述步骤4与步骤5之间还包括如下步骤：

对砂型进行三维扫描，分析比较砂型的点云数据模型与砂型理论三维模型的精度偏差值；

砂型的点云数据模型与砂型理论三维模型的精度偏差值超过阈值，则对制备砂型的设备进行校正；

所述步骤6中，对所述步骤3中的二次铸件修正模型赋予更正逆反偏差值与砂型的点云数据模型与砂型理论三维模型的精度偏差值之差进行一次逆向反变形设计；

所述步骤6中，采用等高线控制绘制法或网点控制绘制法根据三维扫描的点云数据进行逆向建模；

所述等高线控制绘制法包括如下步骤：

将更正逆反偏差值区间等分为5～10份，在具有相同更正逆反偏差值的边界上绘制样条曲线，形成更正逆反偏差值等高线，更正铸型修正模型通过变形量等高线；

所述网点控制绘制法包括如下步骤：

在实际铸件的变形区域设置等间距的网格，形成网格横纵交叉的变形量网格控制节点，按照更正逆反偏差值调整各控制节点，更正铸型修正模型通过网格控制节点。

2.根据权利要求1所述的基于三维扫描的铸件铸造方法，其特征在于，所述步骤1中，所述理论铸件三维模型的尺寸精度控制基准坐标系选取绘制理论铸件三维模型的原始坐标系，要求铸件的主要部件的中心或者圆心落在尺寸精度控制基准坐标系的原点上，铸件的主要对称线与尺寸精度控制基准坐标系的坐标轴重合。

3.根据权利要求1所述的基于三维扫描的铸件铸造方法，其特征在于，在一次预先反变形设计、二次预先反变形设计和/或一次逆向反变形设计中，沿尺寸精度控制基准坐标系的X轴、Y轴和Z轴分别赋予不同的铸造收缩率，使得变形偏差值趋近于零。

4.根据权利要求3所述的基于三维扫描的铸件铸造方法，其特征在于，对于无法通过赋予不同的铸造收缩率使得变形偏差值趋近于零的局部部位，对所述局部部位对应的部分进行增量或者减量的型面补偿设计。

5.根据权利要求1所述的基于三维扫描的铸件铸造方法，其特征在于，所述步骤4中，采用3D打印技术或无模数控加工技术制备砂型。

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