三維掃描技術(shù)在鍛造工廠的應(yīng)用

文/田鵬·許昌中興鍛造有限公司

三維掃描技術(shù)在鍛造工廠的應(yīng)用

文/田鵬·許昌中興鍛造有限公司

田鵬，助理工程師，技術(shù)研發(fā)部技術(shù)員，主要工作利用3D掃描軟件對(duì)模具和鍛件檢測(cè)，參加完成的傳動(dòng)軸端面齒突緣叉鍛造工藝技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目獲得許昌市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)。

在對(duì)鍛件與模具檢測(cè)時(shí),傳統(tǒng)的方法存在檢驗(yàn)難度大、時(shí)間長(zhǎng)、誤差大等難題。因此在生產(chǎn)中采取什么方法對(duì)鍛件及模具快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)，是行業(yè)人士一直探索的課題。

本文主要介紹了利用三維光學(xué)掃描儀對(duì)鍛件和模具的檢測(cè)及應(yīng)用。實(shí)踐證明這種方法具有準(zhǔn)確度高、速度快、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，具備數(shù)字化、可視化、自動(dòng)化的特點(diǎn)。同時(shí)可有效的控制產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)模具壽命，對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。是替代傳統(tǒng)檢測(cè)方法的手段之一。

傳統(tǒng)的檢測(cè)方式

熱模鍛件通常采用游標(biāo)卡尺、卡鉗、高度尺、方箱、專用檢具、專用樣板等傳統(tǒng)方法進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于模具的檢驗(yàn),大多采用灌鉛樣、壓橡皮泥、樣板等方式來檢驗(yàn)。由于在起樣時(shí)存在變形、收縮等問題，檢測(cè)的模具尺寸存在測(cè)量誤差大、數(shù)據(jù)失真等問題；曲面及過渡位置無法檢測(cè)等難題。因此新產(chǎn)品檢測(cè)大多要等鍛件樣件生產(chǎn)完畢后，采用三坐標(biāo)測(cè)量或試加工的方法驗(yàn)證是否滿足需求，該方法存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、工作量大、反復(fù)試制等問題。

三維光學(xué)掃描儀的基本原理

三維光學(xué)掃描儀是采用一種結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測(cè)量技術(shù)。測(cè)量時(shí)，光柵投影裝置投影特定編碼的光柵條紋到待測(cè)物體上，兩個(gè)工業(yè)相機(jī)同步采集相應(yīng)圖像，然后通過計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行解碼和相位計(jì)算，并利用匹配技術(shù)、三角形測(cè)量原理，計(jì)算出攝像機(jī)與投影儀公共視區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)的三維坐標(biāo)（圖1）。通過三維掃描儀軟件界面可以實(shí)時(shí)觀測(cè)相機(jī)圖像以及生成的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1 光學(xué)掃描儀原理

三維光學(xué)掃描儀是目前三維形狀測(cè)量中最好的方法之一，其主要優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量范圍大、速度快、誤差小、成本低、攜帶方便、易于操作。

三維掃描在模具檢測(cè)、鍛件檢測(cè)以及設(shè)備零部件測(cè)量上的應(yīng)用

模具檢測(cè)及應(yīng)用

模具檢測(cè)是模具加工完畢后最后一個(gè)環(huán)節(jié),也是保證鍛件質(zhì)量滿足要求的基本保證。下面以測(cè)量難度較大的曲面分模模具進(jìn)行舉例分析。首先利用三維光學(xué)掃描儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)模具（圖2）。

圖2 實(shí)測(cè)模具

通過變換測(cè)量裝置的不同方位對(duì)模具型腔進(jìn)行拍攝。依據(jù)三維掃描儀對(duì)模具標(biāo)志點(diǎn)的識(shí)別，并由后臺(tái)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，使得不同測(cè)量位置獲取的三維數(shù)據(jù)可以快速準(zhǔn)確的進(jìn)行全自動(dòng)拼接，從而獲得整個(gè)模具型腔的三維數(shù)據(jù)（圖3）。

圖3 模具型腔的三維數(shù)據(jù)

然后對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行去噪，可以得到平滑的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將此點(diǎn)云數(shù)據(jù)與該模具的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)齊，并以色譜圖顯示點(diǎn)云對(duì)于設(shè)計(jì)模型的偏差，可以得到3D比較結(jié)果（圖4）。不同的顏色代表了不同點(diǎn)相對(duì)設(shè)計(jì)模型的偏離程度(表1)。3D對(duì)比的結(jié)果可以從不同的視角進(jìn)行觀察，在測(cè)量型腔幾個(gè)重要尺寸時(shí)，可以從二維截面中進(jìn)行剖解（圖5、表2），從這些圖中可以更準(zhǔn)確地測(cè)量尺寸。

圖4 色譜圖與注釋視圖

圖5 二維截面視圖

通過上述3D的對(duì)比和重要尺寸的測(cè)量，該模具符合我公司的設(shè)計(jì)要求。利用這種方法，使我們檢測(cè)手段更加科學(xué)與準(zhǔn)確，大大提升了模具檢測(cè)的速度，更重要的是相比傳統(tǒng)的“鉛樣”檢測(cè)，精準(zhǔn)度高、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境也明顯提升。另外三維掃描對(duì)分析模具失效形式也起到很大的作用。同樣我們以該模具為例，我公司為使模具壽命提高采取了堆焊和表面強(qiáng)化兩種方法，壽命相對(duì)于新模具提升2～3倍。但同時(shí)存在這樣一個(gè)問題：模具達(dá)到預(yù)估的壽命，再目視檢查無任何缺陷后，型腔內(nèi)部尺寸的變化程度怎樣？人工測(cè)量無法得到確切的數(shù)據(jù)，利用三維掃描的方法就能很好解決這一難題。首先要獲取模具使用前與模具使用后的三維數(shù)據(jù)，然后將兩個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊，可以得到3D比較視圖和偏差范圍（圖6、表3），同時(shí)也剖解出2D比較視圖（圖7、表4）。

表1 偏差結(jié)果（單位:mm）

表2 尺寸結(jié)果（單位:mm）

圖6 3D比較視圖

圖7 2D比較視圖

通過3D和2D比較視圖，可以更直觀的看出型腔內(nèi)部發(fā)生的變化，為技術(shù)研發(fā)部門在分析型腔內(nèi)部的失效形式和模具的修改方面提供了依據(jù)。通過這種方法的應(yīng)用，使模具壽命較原來提升5%～15%，保守估算一年可節(jié)約模具費(fèi)用40～120萬元。

鍛件檢測(cè)

下面我們?nèi)砸栽撳懠槔靡惶啄＞卟煌?jié)點(diǎn)生產(chǎn)的鍛件來比較這批鍛件的一致性。首先我們把參考模型定為實(shí)際生產(chǎn)的首個(gè)鍛件，以500件為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別抽取第500件、1000件、1500件為測(cè)試模型。隨后我們分別對(duì)四個(gè)鍛件進(jìn)行三維數(shù)據(jù)收集（圖8）。對(duì)我們所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪后，利用軟件的自動(dòng)化處理功能分別將測(cè)試模型與參考模型進(jìn)行對(duì)齊，并得到相應(yīng)的3D比較視圖（圖9、表5）。

通過對(duì)色譜圖的觀察與分析，可以了解到這批鍛件各個(gè)部位逐漸變化的趨勢(shì)，從中也可以看出模具型腔內(nèi)相對(duì)應(yīng)的某一區(qū)域變化形式（圖10、表6），利用這種辦法去檢測(cè)鍛件的一致性更加方便快捷，保證了檢測(cè)的準(zhǔn)確度。給技術(shù)研發(fā)部的設(shè)計(jì)更改提供了很好的依據(jù)，同時(shí)也為模具型腔內(nèi)尺寸的補(bǔ)償提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

表3 偏差范圍（單位:mm）

表4 偏差值（單位:mm）

圖8 三維數(shù)據(jù)收集

圖9 3D比較視圖

圖10 A001變化趨勢(shì)

設(shè)備零部件的測(cè)繪

對(duì)于一些缺少圖紙的異形零部件（圖11），人工進(jìn)行測(cè)繪時(shí)，由于測(cè)量工具的局限性，個(gè)別數(shù)據(jù)無法得到準(zhǔn)確的測(cè)量。而利用三維掃描中的2D尺寸測(cè)量可以快捷、準(zhǔn)確的獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)（圖12）。

表5 偏差范圍（單位:mm）

表6 A001偏差值的變化（單位:mm）

圖11 異形零部件

圖12 二維測(cè)量視圖

逆向工程技術(shù)

逆向工程簡(jiǎn)介

逆向工程也稱反求工程，是從實(shí)物樣本獲取產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型并制造得到新產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)，已經(jīng)成為CAD/CAM系統(tǒng)中一個(gè)研究和應(yīng)用熱點(diǎn)，并發(fā)展成為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的技術(shù)領(lǐng)域。在這一意義下，“實(shí)物逆向工程”（簡(jiǎn)稱逆向工程）可定義為：將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。逆向工程按照產(chǎn)品引進(jìn)、消化、吸收與創(chuàng)新的思路，以“實(shí)物—設(shè)計(jì)意圖—三維重構(gòu)—再設(shè)計(jì)”框架為工作過程，為提高工程設(shè)計(jì)、加工、分析的質(zhì)量和效率提供數(shù)字化信息，另一方面為充分利用先進(jìn)的CAD/CAE/CAM技術(shù)對(duì)已有的產(chǎn)品進(jìn)行再創(chuàng)新工程服務(wù)。因此，逆向工程可視為產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)有益的補(bǔ)充，以及驗(yàn)證、促進(jìn)正向設(shè)計(jì)的必備手段。

逆向工程技術(shù)的流程為：對(duì)實(shí)物樣件進(jìn)行坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集，得到表面幾何數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)拼合、簡(jiǎn)化、三角化、去噪等預(yù)處理；由于測(cè)量通常由多個(gè)面組成，因而還需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，再進(jìn)行曲面擬合，最后導(dǎo)入CAD系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品模型重構(gòu)。

逆向工程的應(yīng)用與意義

逆向工程的應(yīng)用主要有：⑴新產(chǎn)品開發(fā)；⑵產(chǎn)品的改型設(shè)計(jì)；⑶快速模具制造；⑷快速原型制造；⑸產(chǎn)品的數(shù)字化檢測(cè)。

逆向工程是一門開拓性、綜合性、實(shí)用性較強(qiáng)的技術(shù)，屬于新興的交叉學(xué)科分支，逆向工程的重大意義在于：逆向工程不是簡(jiǎn)單地把原有物體還原，它還要在還原的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次創(chuàng)新。所以逆向工程作為一種新的創(chuàng)新技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域并取得了重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

結(jié)束語

隨著鍛造行業(yè)的發(fā)展，對(duì)鍛件質(zhì)量的要求也會(huì)越來越高，鍛件的檢測(cè)手段也必須進(jìn)一步改進(jìn)，三維掃描技術(shù)是一項(xiàng)近幾年快速發(fā)展普及的檢測(cè)技術(shù)，具有傳統(tǒng)測(cè)量方法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，相信隨著進(jìn)一步的發(fā)展與完善，在行業(yè)內(nèi)必然得到更廣泛的應(yīng)用。