數(shù)模比對(duì)在復(fù)雜模具曲面檢測(cè)中的應(yīng)用研究*

劉亞丹 謝煌生 吳 燁

(①龍巖學(xué)院，福建 龍巖 364012;②福建威而特汽車動(dòng)力部件有限公司，福建 龍巖 364000)

模具表面質(zhì)量檢測(cè)涵蓋從模具設(shè)計(jì)初期的模型測(cè)繪，到模具加工質(zhì)量測(cè)量，到模具驗(yàn)收和后期的磨損修復(fù)檢測(cè)等。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于復(fù)雜模具表面的檢測(cè)，通常需要采用專用的檢測(cè)儀或者檢測(cè)器具，如輪廓儀、量規(guī)、樣板檢具等［1］。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法存在著諸多弊端，往往造成較復(fù)雜特征的不能完全精確檢測(cè)或者檢測(cè)誤差大，不能夠完整準(zhǔn)確地反映模具加工質(zhì)量，同時(shí)專用量具的加工制造復(fù)雜，而且在使用中不具備通用性［2］。目前，如何對(duì)具有復(fù)雜曲面等特征的零件提供一個(gè)方便、全面以及精確的檢測(cè)，已成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展面臨的一個(gè)重要課題。

隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了接觸式檢測(cè)和非接觸式檢測(cè)兩種新型的檢測(cè)辦法。接觸式測(cè)量使用設(shè)備主要有三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、便攜式測(cè)量臂和工件在線測(cè)量系統(tǒng)等。這類檢測(cè)設(shè)備具有精度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是接觸式檢測(cè)速度慢，會(huì)磨損測(cè)量表面，檢測(cè)過(guò)程須對(duì)探頭做半徑補(bǔ)償，也無(wú)法對(duì)軟物質(zhì)表面進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)存在檢測(cè)盲區(qū)。非接觸式檢測(cè)使用到的儀器設(shè)備主要有激光掃描儀、白光測(cè)量系統(tǒng)和激光跟蹤儀等。這類檢測(cè)設(shè)備具有對(duì)工件無(wú)磨損、易裝夾、易操作等特點(diǎn)，適用于復(fù)雜曲面的測(cè)量，可以快速準(zhǔn)確地獲取工件的外形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而后利用獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的檢測(cè)比對(duì)等。本文以帶復(fù)雜滾花特征的車用皮帶輪模具檢測(cè)為例，使用手持式激光掃描儀進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，在Geomagic Qualify 軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)模比對(duì)。

圖1 所示的車用皮帶輪的滾花特征為復(fù)雜的曲面，目前一般采用沖壓工藝生產(chǎn)。隨著近年來(lái)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，市面上對(duì)應(yīng)此類零件需求量巨大，目前基本上由國(guó)外廠家生產(chǎn)供貨，主要原因是國(guó)內(nèi)廠家在模具和產(chǎn)品表面的滾花特征質(zhì)量檢測(cè)存在以下難點(diǎn):

(1)此類沖壓工藝產(chǎn)品形狀復(fù)雜、特征眾多，傳統(tǒng)測(cè)量方法檢測(cè)繁瑣或者根本無(wú)法完成測(cè)量要求;

(2)質(zhì)量要求嚴(yán)格，檢測(cè)精度要求高，生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)品經(jīng)常要求全檢，對(duì)測(cè)量效率提出了很高的要求;

(3)模具要求定期管控，為不影響正常生產(chǎn)，需要實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)水平較高的汽車動(dòng)力部件生產(chǎn)廠家也一直在探索研究適用于此類零件的生產(chǎn)檢測(cè)辦法，希望取得突破。筆者結(jié)合此類零件的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工要求等，提出了結(jié)合非接觸式掃描儀和Geomagic Qualify 相關(guān)軟件，應(yīng)用數(shù)模比對(duì)方法進(jìn)行精度檢測(cè)。

1 檢測(cè)方法概述

對(duì)此模具曲面的檢測(cè)具體流程如圖2 所示。實(shí)物模型的數(shù)字化是指通過(guò)三維掃描設(shè)備，將物體表面的輪廓信息離散為大量的三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。它是檢測(cè)過(guò)程中最初一步也是關(guān)鍵的一步，點(diǎn)云數(shù)據(jù)能否精確地表示實(shí)物原型，直接影響到后續(xù)檢測(cè)的結(jié)果。對(duì)齊模型是指將實(shí)物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型和原始CAD 模型(原始CAD 模型指的是設(shè)計(jì)和加工模具所用的三維模型)在同一坐標(biāo)系統(tǒng)下進(jìn)行匹配，才可以進(jìn)行后續(xù)的對(duì)齊比較工作。分析比較是在對(duì)齊的基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)試對(duì)象(點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型)與參考對(duì)象(原始CAD 模型)進(jìn)行分析比對(duì)。根據(jù)實(shí)際公差要求，可對(duì)具體部分進(jìn)行3D比較、2D 比較、邊界比較、特征比較、評(píng)估GD＆T 項(xiàng)目、評(píng)估回彈、裁剪誤差和執(zhí)行壁厚分析等，并將分析結(jié)果生成檢測(cè)報(bào)告。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本次檢測(cè)采用的掃描儀是如圖3 所示的Creaform公司Handyscan 3D 自定位掃描儀系列之一REV scan手持式三維激光掃描儀，此設(shè)備采用激光三角法測(cè)量。掃描儀的技術(shù)參數(shù)如表1 所示，配套掃描軟件為三維掃描軟件VXscan。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和數(shù)模比對(duì)采用的軟件分別是Geomagic Studio 軟件和Geomagic Qualify 軟件。

表1 REV scan 技術(shù)參數(shù)

在對(duì)模具進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集之前，我們先進(jìn)行模型幾何結(jié)構(gòu)分析，圖4 為本次檢測(cè)的沖壓模具，模具的滾花特征是檢測(cè)的主要區(qū)域。滾花特征主要由平面和花槽組成，平面位于花槽頂部，而花槽位于平面中部，而且花槽靠近軸心處有一內(nèi)部通孔，花槽由圓錐面、圓弧曲面與平面構(gòu)成，各單位花槽都有共同的特征，呈周圈均勻分布。在分析模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及檢測(cè)要求后，確定點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描時(shí)應(yīng)側(cè)重于花槽部位。通過(guò)激光掃描儀采集的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖5 所示，點(diǎn)云模型存在的大量噪點(diǎn)和與檢測(cè)無(wú)關(guān)的特征點(diǎn)。在進(jìn)行數(shù)模比對(duì)之前，必須對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行處理。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描過(guò)程中不可避免地會(huì)引入數(shù)據(jù)誤差，尤其是類銳邊和產(chǎn)品邊界附近的測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)中的壞點(diǎn)，可能使該點(diǎn)及其周圍的曲面片偏離原曲面。同時(shí)由于實(shí)物幾何和測(cè)量手段的制約，在數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，會(huì)存在部分測(cè)量盲區(qū)和缺口，給后續(xù)的造型帶來(lái)影響［3-4］。在保證不影響工件誤差的前提下，在Geomagic Studio 軟件中對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖6 為經(jīng)過(guò)處理的工件點(diǎn)云數(shù)據(jù)。處理前點(diǎn)云數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)為946865，處理后點(diǎn)云數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)為169402。

4 數(shù)模比對(duì)

4.1 模型對(duì)齊

如圖7 所示在Geomagic Qualify 軟件中分別導(dǎo)入工件點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型和原始CAD 模型，分別設(shè)置為測(cè)試模型和參考模型。

Geomagic Qualify 軟件的對(duì)齊方式主要有3 種:基準(zhǔn)/特征對(duì)齊、最佳擬合和RPS 對(duì)齊，它們分別適用于有規(guī)則外形的零件、由自由曲面組成的零件和具有定位孔、槽等定位特征的零件。分析此次檢測(cè)模具表面的幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)更加精確的3D 對(duì)齊，本次檢測(cè)采用基于特征對(duì)齊。在原始CAD 模型創(chuàng)建如圖8所示的平面特征、圓錐體特征。通過(guò)自動(dòng)創(chuàng)建特征命令，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型中產(chǎn)生映射特征。通過(guò)特征對(duì)齊命令可完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型與原始CAD 模型對(duì)齊，并且如圖9 所示在“統(tǒng)計(jì)”欄中可查看特征對(duì)齊偏差值。此偏差符合本次檢測(cè)要求。

4.2 3D 比較

通過(guò)3D 比較，可以獲得整個(gè)滾花特征的偏差值，生成全面、直觀和形象的檢測(cè)結(jié)果。本次3D 比較結(jié)果如圖10 中所示，偏差色譜圖反映出滾花特征的整體偏差情況，可直觀判斷出滿足要求或需要修改的地方。圖10 色譜顯示上偏差為0.7927 mm，下偏差為-0.7814 mm，軟件統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到平均偏差為0.0438～-0.0327 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0671mm。從表2 的3D 偏差的百分比可以看出，誤差在0.0396 mm 范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)占所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的68.2792%。

表2 整體模型點(diǎn)云偏差分布

4.3 2D 比較

利用2D 比較對(duì)截面偏差進(jìn)行檢測(cè)，得到圖11 花槽頂和圖12 花槽底截面2D 比較結(jié)果。結(jié)果顯示，花槽頂上偏差為0.0635mm，花槽頂下偏差為-0.6268 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0925 mm。從表3 看出，誤差在-0.1652 mm～-0.0396 mm 范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)占所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的63.7717%。

表3 花槽頂部2D 比較偏差分布

圖12 花槽底截面2D 比較結(jié)果顯示花槽底上偏差為0.6273 mm，花槽底下偏差為-0.0595 mm，計(jì)算得標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0818 mm。從表4 看出，誤差在0.0396～0.1652 mm 范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)占所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的58.6667%。

表4 花槽底部2D 比較偏差分布

4.4 尺寸精度標(biāo)定

通過(guò)貫穿對(duì)象截面對(duì)圖紙中要求的夾角、直徑等尺寸公差進(jìn)行校驗(yàn)。此沖壓模具圖紙要求如圖13 和圖14 所示有:花槽兩截面相應(yīng)位置處的圓弧半徑公差、模具中部?jī)?nèi)孔直徑公差、花槽錐形斜面夾角以及相鄰花槽底圓弧軸線間角度公差等。

檢測(cè)所得模具花槽槽底圓弧半徑測(cè)量值如圖15所示為0.5631 mm，偏差為-0.0369 mm，滿足公差為±0.1 mm 的公差要求。

檢測(cè)所得模具花槽槽頂圓弧半徑測(cè)量值如圖16所示為0.7559 mm，偏差為0.0559 mm，滿足公差為±0.1 mm 的公差要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用激光掃描儀和數(shù)模比對(duì)方法對(duì)帶滾花復(fù)雜曲面特征的皮帶輪模具進(jìn)行檢測(cè)。此方法應(yīng)用于復(fù)雜模具表面檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)主要有:

(1)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)檢測(cè)方法無(wú)法完成的復(fù)雜不規(guī)則曲面或者特征的檢測(cè)，3D 比較結(jié)果直觀地表示了零件在多維空間方向上的偏差，實(shí)現(xiàn)整體量化地判斷產(chǎn)品質(zhì)量。

(2)該方法檢測(cè)相對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)方法效率高。首先是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取快速準(zhǔn)確，其次是后續(xù)的3D 比較、2D 比較、尺寸檢測(cè)等可通過(guò)軟件的宏程序進(jìn)行快速批量自動(dòng)處理，最后是可按要求自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告。該方法可滿足產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的抽檢或者全檢。

(3)激光掃描儀設(shè)備為便攜式，完全可實(shí)現(xiàn)模具和產(chǎn)品的在線檢測(cè)。

隨著產(chǎn)品的幾何復(fù)雜程度的不斷增加以及產(chǎn)品精度的檢測(cè)要求的逐步提高，高效適用的檢測(cè)方法會(huì)逐步替代傳統(tǒng)檢測(cè)手段，激光掃描儀和數(shù)模比對(duì)方法在高精密生產(chǎn)中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

［1］饒錫新，柳和生，鐘春華，等.基于3D 對(duì)齊技術(shù)的沖壓件質(zhì)量檢測(cè)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2007，2(23):90 -93.

［2］時(shí)旭光，于春徑.水輪機(jī)零部件形位誤差檢測(cè)探討［J］.大電機(jī)技術(shù)，2000(4):43 -46.

［3］TCWoo，R Liang.Dimensional measuremen to surfaces and their sampling［J］.Computer-Aided Design，1993，25(34):233 -239.

［4］Hosni Yasser.Laser based system for reverse engineering［J］.Computers Ind，1994，26(2):387 -394.