數模比對在復雜模具曲面檢測中的應用研究*

劉亞丹 謝煌生 吳 燁

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

模具表面質量檢測涵蓋從模具設計初期的模型測繪，到模具加工質量測量，到模具驗收和后期的磨損修復檢測等。在實際生產過程中，對于復雜模具表面的檢測，通常需要采用專用的檢測儀或者檢測器具，如輪廓儀、量規、樣板檢具等［1］。傳統的檢測方法存在著諸多弊端，往往造成較復雜特征的不能完全精確檢測或者檢測誤差大，不能夠完整準確地反映模具加工質量，同時專用量具的加工制造復雜，而且在使用中不具備通用性［2］。目前，如何對具有復雜曲面等特征的零件提供一個方便、全面以及精確的檢測，已成為現代工業發展面臨的一個重要課題。

隨著科技的發展，出現了接觸式檢測和非接觸式檢測兩種新型的檢測辦法。接觸式測量使用設備主要有三坐標測量儀、便攜式測量臂和工件在線測量系統等。這類檢測設備具有精度高、可靠性強等優點，但是接觸式檢測速度慢，會磨損測量表面，檢測過程須對探頭做半徑補償，也無法對軟物質表面進行測量，同時存在檢測盲區。非接觸式檢測使用到的儀器設備主要有激光掃描儀、白光測量系統和激光跟蹤儀等。這類檢測設備具有對工件無磨損、易裝夾、易操作等特點，適用于復雜曲面的測量，可以快速準確地獲取工件的外形點云數據，而后利用獲取的點云數據進行相關的檢測比對等。本文以帶復雜滾花特征的車用皮帶輪模具檢測為例，使用手持式激光掃描儀進行點云數據采集，在Geomagic Qualify 軟件平臺進行數模比對。

圖1 所示的車用皮帶輪的滾花特征為復雜的曲面，目前一般采用沖壓工藝生產。隨著近年來汽車工業的快速發展，市面上對應此類零件需求量巨大，目前基本上由國外廠家生產供貨，主要原因是國內廠家在模具和產品表面的滾花特征質量檢測存在以下難點:

(1)此類沖壓工藝產品形狀復雜、特征眾多，傳統測量方法檢測繁瑣或者根本無法完成測量要求;

(2)質量要求嚴格，檢測精度要求高，生產過程產品經常要求全檢，對測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，需要實現在線檢測。

近年來，國內生產水平較高的汽車動力部件生產廠家也一直在探索研究適用于此類零件的生產檢測辦法，希望取得突破。筆者結合此類零件的幾何結構特點和加工要求等，提出了結合非接觸式掃描儀和Geomagic Qualify 相關軟件，應用數模比對方法進行精度檢測。

1 檢測方法概述

對此模具曲面的檢測具體流程如圖2 所示。實物模型的數字化是指通過三維掃描設備，將物體表面的輪廓信息離散為大量的三維坐標點云數據。它是檢測過程中最初一步也是關鍵的一步，點云數據能否精確地表示實物原型，直接影響到后續檢測的結果。對齊模型是指將實物的點云數據模型和原始CAD 模型(原始CAD 模型指的是設計和加工模具所用的三維模型)在同一坐標系統下進行匹配，才可以進行后續的對齊比較工作。分析比較是在對齊的基礎上對測試對象(點云數據模型)與參考對象(原始CAD 模型)進行分析比對。根據實際公差要求，可對具體部分進行3D比較、2D 比較、邊界比較、特征比較、評估GD＆T 項目、評估回彈、裁剪誤差和執行壁厚分析等，并將分析結果生成檢測報告。

2 點云數據采集

本次檢測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，此設備采用激光三角法測量。掃描儀的技術參數如表1 所示，配套掃描軟件為三維掃描軟件VXscan。點云數據處理和數模比對采用的軟件分別是Geomagic Studio 軟件和Geomagic Qualify 軟件。

表1 REV scan 技術參數

在對模具進行點云數據采集之前，我們先進行模型幾何結構分析，圖4 為本次檢測的沖壓模具，模具的滾花特征是檢測的主要區域。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部通孔，花槽由圓錐面、圓弧曲面與平面構成，各單位花槽都有共同的特征，呈周圈均勻分布。在分析模具結構特點以及檢測要求后，確定點云數據掃描時應側重于花槽部位。通過激光掃描儀采集的原始點云數據如圖5 所示，點云模型存在的大量噪點和與檢測無關的特征點。在進行數模比對之前，必須對點云模型進行處理。

3 點云數據處理

在點云數據的掃描過程中不可避免地會引入數據誤差，尤其是類銳邊和產品邊界附近的測量數據，測量數據中的壞點，可能使該點及其周圍的曲面片偏離原曲面。同時由于實物幾何和測量手段的制約，在數據測量時，會存在部分測量盲區和缺口，給后續的造型帶來影響［3-4］。在保證不影響工件誤差的前提下，在Geomagic Studio 軟件中對點云數據進行處理。圖6 為經過處理的工件點云數據。處理前點云數據中數據點個數為946865，處理后點云數據中數據點個數為169402。

4 數模比對

4.1 模型對齊

如圖7 所示在Geomagic Qualify 軟件中分別導入工件點云數據模型和原始CAD 模型，分別設置為測試模型和參考模型。

Geomagic Qualify 軟件的對齊方式主要有3 種:基準/特征對齊、最佳擬合和RPS 對齊，它們分別適用于有規則外形的零件、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。分析此次檢測模具表面的幾何結構特點，為實現更加精確的3D 對齊，本次檢測采用基于特征對齊。在原始CAD 模型創建如圖8所示的平面特征、圓錐體特征。通過自動創建特征命令，在點云數據模型中產生映射特征。通過特征對齊命令可完成點云數據模型與原始CAD 模型對齊，并且如圖9 所示在“統計”欄中可查看特征對齊偏差值。此偏差符合本次檢測要求。

4.2 3D 比較

通過3D 比較，可以獲得整個滾花特征的偏差值，生成全面、直觀和形象的檢測結果。本次3D 比較結果如圖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，軟件統計計算得到平均偏差為0.0438～-0.0327 mm，標準偏差為0.0671mm。從表2 的3D 偏差的百分比可以看出，誤差在0.0396 mm 范圍內的數據點占所有數據點的68.2792%。

表2 整體模型點云偏差分布

4.3 2D 比較

利用2D 比較對截面偏差進行檢測，得到圖11 花槽頂和圖12 花槽底截面2D 比較結果。結果顯示，花槽頂上偏差為0.0635mm，花槽頂下偏差為-0.6268 mm，標準偏差為0.0925 mm。從表3 看出，誤差在-0.1652 mm～-0.0396 mm 范圍內的數據點占所有數據點的63.7717%。

表3 花槽頂部2D 比較偏差分布

圖12 花槽底截面2D 比較結果顯示花槽底上偏差為0.6273 mm，花槽底下偏差為-0.0595 mm，計算得標準偏差為0.0818 mm。從表4 看出，誤差在0.0396～0.1652 mm 范圍內的數據點占所有數據點的58.6667%。

表4 花槽底部2D 比較偏差分布

4.4 尺寸精度標定

通過貫穿對象截面對圖紙中要求的夾角、直徑等尺寸公差進行校驗。此沖壓模具圖紙要求如圖13 和圖14 所示有:花槽兩截面相應位置處的圓弧半徑公差、模具中部內孔直徑公差、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。

檢測所得模具花槽槽底圓弧半徑測量值如圖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。

檢測所得模具花槽槽頂圓弧半徑測量值如圖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 結語

本文應用激光掃描儀和數模比對方法對帶滾花復雜曲面特征的皮帶輪模具進行檢測。此方法應用于復雜模具表面檢測的優勢主要有:

(1)實現傳統檢測方法無法完成的復雜不規則曲面或者特征的檢測，3D 比較結果直觀地表示了零件在多維空間方向上的偏差，實現整體量化地判斷產品質量。

(2)該方法檢測相對傳統檢測方法效率高。首先是點云數據的獲取快速準確，其次是后續的3D 比較、2D 比較、尺寸檢測等可通過軟件的宏程序進行快速批量自動處理，最后是可按要求自動生成檢測報告。該方法可滿足產品生產過程的抽檢或者全檢。

(3)激光掃描儀設備為便攜式，完全可實現模具和產品的在線檢測。

隨著產品的幾何復雜程度的不斷增加以及產品精度的檢測要求的逐步提高，高效適用的檢測方法會逐步替代傳統檢測手段，激光掃描儀和數模比對方法在高精密生產中的應用會越來越廣泛。

［1］饒錫新，柳和生，鐘春華，等.基于3D 對齊技術的沖壓件質量檢測［J］.機械設計與研究，2007，2(23):90 -93.

［2］時旭光，于春徑.水輪機零部件形位誤差檢測探討［J］.大電機技術，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.