3D掃描技術(shù)在輪胎模具檢測中的應(yīng)用

吳月仙，李 華，張 敏，程麗娜，吳東霞，李海波

（中策橡膠集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310018）

輪胎的外觀、安全性、用戶體驗(yàn)及使用壽命等重要性能在很大程度上與其表面花紋密切相關(guān)，而輪胎模具作為輪胎花紋成型的關(guān)鍵部件，其尺寸精度直接決定輪胎的精度，對輪胎使用性能具有重要影響[1-2]。目前，輪胎模具花紋塊的檢測仍然停留在人工階段，檢測人員利用傳統(tǒng)量具如輪廓儀、游標(biāo)卡尺等分別對花紋塊成型表面關(guān)鍵特征的幾何尺寸進(jìn)行測量。但是由于測量點(diǎn)位有限，只能靠以點(diǎn)代面的方法來判斷花紋塊的整體精度，無法直觀地表達(dá)花紋塊各特征面的準(zhǔn)確變形情況，精度無法得到保證，不能很好地指導(dǎo)模具檢測工作，同時(shí)受個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和工具使用方法的影響，無法形成模具檢測的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，這種方法已經(jīng)無法滿足目前輪胎模具的檢測要求。3D掃描技術(shù)因具有非接觸性、高精度和高效率等優(yōu)勢，近年來在軌道交通建設(shè)、建筑測繪和輪胎花紋檢測等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。汪玉華等[3]利用三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對盾構(gòu)管片模具的全方位檢測，不僅提高了模具檢測精度，還為模具制定了三維掃描檢測標(biāo)準(zhǔn)，從而保證了生產(chǎn)管片的尺寸精度。羅洪軍等[4]將三維掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑測繪工作，有效提升了測繪的效率和精度。鄒付群等[5]應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對輪胎花紋進(jìn)行了檢測，為輪胎花紋檢測提供了更高效、精準(zhǔn)的方法。

3D掃描技術(shù)還可應(yīng)用到輪胎模具制造過程，利用三維掃描設(shè)備對輪胎進(jìn)行掃描，通過采集輪胎表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行包括投影、體素化、轉(zhuǎn)化為深度圖等處理逆向設(shè)計(jì)出高精度輪胎三維模型，由此正向設(shè)計(jì)出輪胎花紋塊模具[6-10]。3D掃描技術(shù)也經(jīng)常應(yīng)用到輪胎模具驗(yàn)收及檢測中，將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型和模具加工原始3D數(shù)字化模型圖進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)對模具整體偏差、重要截面以及尺寸精度的檢測，提高輪胎模具驗(yàn)收/檢測精度及效率，為模具制造質(zhì)量及日常維護(hù)保養(yǎng)提供標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)[11-12]。

本研究以輪胎活絡(luò)模具花紋塊為例，利用手持式3D掃描儀快速獲取花紋塊成型表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在Geomagic Qualify軟件中進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及數(shù)字化模型擬合對比，實(shí)現(xiàn)高效率、高精度的模具檢測。

1 設(shè)備選擇

掃描儀按掃描方式分為3種：點(diǎn)掃描、線掃描、面掃描。從不同掃描方式適用的掃描對象和業(yè)務(wù)范圍對比，線掃描方式精度高、速度快，且設(shè)備便攜性好，從而優(yōu)選線掃描設(shè)備。線掃描儀品牌眾多，市場上口碑較好、應(yīng)用較多的線掃描儀有加拿大形創(chuàng)公司、瑞典H公司和美國F公司的產(chǎn)品等。考慮工作現(xiàn)場的適應(yīng)性和價(jià)格等因素，從上述3個(gè)產(chǎn)品中各選擇1個(gè)便攜式掃描儀進(jìn)行實(shí)測對比，掃描內(nèi)容為輪胎局部和模具塊（含鋼片），評價(jià)項(xiàng)目主要為易用性（掃描準(zhǔn)備）、掃描速度、掃描效果（精度、分辨度、鋼片細(xì)節(jié)呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)對比等），掃描結(jié)果如圖1—3所示。

圖1 形創(chuàng)掃描儀掃描結(jié)果

圖2 H公司掃描儀掃描結(jié)果

圖3 F公司掃描儀掃描結(jié)果

（1）速 度 評 價(jià)。形 創(chuàng)（型 號(hào)HandySCAN 700TM）和H公司掃描儀掃描時(shí)間約為5 min，需對被測產(chǎn)品進(jìn)行貼點(diǎn)。先掃描標(biāo)準(zhǔn)貼點(diǎn)板，然后掃描貼點(diǎn)產(chǎn)品，可隨意移動(dòng)被測產(chǎn)品；F公司掃描儀掃描時(shí)間約為2 min，首先采用標(biāo)準(zhǔn)件確定空間坐標(biāo)，然后直接掃描被測產(chǎn)品，通過掃描儀關(guān)節(jié)臂調(diào)整掃描視角，關(guān)節(jié)臂調(diào)整不方便。

（2）精度評價(jià)。形創(chuàng)掃描儀精度滿足要求，鋼片清晰可見；H公司掃描儀精度不足，鋼片模糊，視覺效果差；F公司掃描儀鋼片數(shù)據(jù)存在少量缺失，通過關(guān)節(jié)臂調(diào)整掃描視角補(bǔ)全數(shù)據(jù)。

從掃描結(jié)果分析可見：在易用性方面，形創(chuàng)和H公司掃描儀需要先貼點(diǎn)，并進(jìn)行30 s掃描板校準(zhǔn)，幾乎在任何環(huán)境均可掃描；F公司掃描儀則需裝配掃描設(shè)備，安裝磁力卡座，對掃描環(huán)境要求相對較高；在掃描速度方面，形創(chuàng)和H公司掃描儀掃描速度一致，F(xiàn)公司掃描儀掃描最快；在掃描效果方面，形創(chuàng)掃描儀的掃描精度最高，F(xiàn)公司掃描儀的掃描精度最低。F公司掃描儀掃描快但掃描精度低，調(diào)整角度補(bǔ)掃鋼片數(shù)據(jù)時(shí)掃描臂調(diào)整非常不 方便。

鑒于花紋塊檢測精度和設(shè)備使用便攜性的要求，最終選擇形創(chuàng)HandySCAN 700TM型手持式3D掃描儀作為此次研究的掃描設(shè)備。

2 掃描過程

2.1 掃描準(zhǔn)備

（1）校準(zhǔn)。為確保良好的數(shù)據(jù)質(zhì)量，在每個(gè)項(xiàng)目開始前都應(yīng)當(dāng)進(jìn)行校準(zhǔn)，如圖4所示。校準(zhǔn)時(shí)，掃描儀必須指向校準(zhǔn)板中心，即藍(lán)色圓圈所示的位置，通過調(diào)整掃描儀距離校準(zhǔn)板的高度和相對方向，使紅線對齊到綠色矩形內(nèi)，至軟件界面顯示“校準(zhǔn)完成”，完成校準(zhǔn)工作。

圖4 掃描儀校準(zhǔn)示意

（2）配置。根據(jù)待掃描對象體積、掃描精度要求和掃描存儲(chǔ)點(diǎn)云文件大小等配置對應(yīng)的掃描參數(shù)。本次花紋塊模具掃描選取自動(dòng)配置模式，將掃描儀的激光線平鋪在對象表面上，直至軟件平臺(tái)上“優(yōu)化參數(shù)信息”提示消失，應(yīng)用并單擊“確定”即配置完成。

（3）標(biāo)點(diǎn)。在掃描對象上定位標(biāo)點(diǎn)，標(biāo)點(diǎn)間距在20～100 mm之間，根據(jù)掃描對象幾何特征曲率變化程度及掃描精度要求，適當(dāng)添加標(biāo)點(diǎn)。花紋塊模具掃描標(biāo)點(diǎn)一般采用25～30 mm間距。注意標(biāo)點(diǎn)不宜添加過多，以免后期處理困難。

2.2 點(diǎn)云掃描獲取

利用形創(chuàng)掃描儀對被檢測花紋塊進(jìn)行掃描，并實(shí)時(shí)觀察工作臺(tái)顯示屏中的掃描結(jié)果，如發(fā)現(xiàn)掃描結(jié)果中含有漏面和破面等問題，可二次掃描，因標(biāo)點(diǎn)位置不變，無需重新定位掃描對象。掃描數(shù)據(jù)即原始點(diǎn)云，以STL文件保存，如圖5所示。

圖5 原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3 數(shù)據(jù)處理與對比分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

掃描過程中，不可避免地會(huì)將環(huán)境中的非檢測對象數(shù)據(jù)一起獲取。同時(shí)，受限于掃描對象的幾何特性以及受掃描對象表面粗糙度等因素影響，獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)或存在缺口和大量噪點(diǎn)等情況[4]。因此，對掃描所得的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要在Geomagic Qualify軟件中進(jìn)行刪除多余數(shù)據(jù)、填充缺口及除噪點(diǎn)等相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，處理結(jié)果如圖6 所示。

圖6 處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)字化模型對比分析

將原始設(shè)計(jì)數(shù)字化模型作為參考對象、處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為測試對象，獲得兩者之間的3D對比色譜圖，如圖7所示。

圖7 花紋塊掃描結(jié)果與數(shù)字化模型3D對比色譜圖

考慮到花紋塊型面復(fù)雜碎片化的曲面特征，采用最佳擬合的方式將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與原始數(shù)字化模型進(jìn)行擬合。根據(jù)現(xiàn)場模具使用規(guī)范，將掃描點(diǎn)與理論模型偏差值θ（絕對值）設(shè)置為0.2 mm。分析對比色譜圖及檢測數(shù)據(jù)，從圖表中偏差分布數(shù)據(jù)看出，θ＞0.2 mm點(diǎn)數(shù)量為0，即該花紋塊滿足設(shè)置的模具精度要求。同時(shí)從色譜圖還發(fā)現(xiàn)，花紋塊負(fù)偏差較大區(qū)域分布在花紋塊肩部且靠近花紋塊拼接兩頭位置，符合常規(guī)應(yīng)力較為集中分布現(xiàn)象。因此在模具使用和保養(yǎng)過程中，需要著重關(guān)注對這些特殊位置的檢測，對于超出偏差范圍的模具需要進(jìn)行及時(shí)修復(fù)，以減少輪胎產(chǎn)品生產(chǎn)過程中由于工裝原因造成的外觀缺陷，提高輪胎生產(chǎn)合格率。

4 其他應(yīng)用

3D掃描技術(shù)除了可以對比分析3D偏差，還經(jīng)常應(yīng)用于測量部件的三維尺寸。鑲釘輪胎在硫化后脫模過程中，部分鑲釘出現(xiàn)拔彎的情況，為了驗(yàn)證該現(xiàn)象是否為鑲釘高度異常導(dǎo)致，需對其高度進(jìn)行精確測量。鑲釘本身的尺寸比較小，用傳統(tǒng)工具測量誤差較大，為了精確測量出模具上各個(gè)鑲釘?shù)母叨仁欠穸荚谠试S范圍內(nèi)，對其進(jìn)行3D掃描。冬季輪胎花紋塊鑲釘如圖8所示，掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖8 冬季輪胎花紋塊鑲釘

圖9 鑲釘?shù)膾呙椟c(diǎn)云數(shù)據(jù)測量

利用Geomagic Qualify軟件對鑲釘?shù)膾呙椟c(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行特征擬合，測量鑲釘?shù)母叨龋ㄟ^與原始設(shè)計(jì)高度進(jìn)行對比，從而判斷該模具鑲釘高度是否達(dá)標(biāo)及是否可能因鑲釘高度原因?qū)е掳螐?現(xiàn)象。

5 結(jié)語

本文主要介紹了3D掃描技術(shù)在輪胎模具花紋塊檢測中的應(yīng)用。通過掃描前校準(zhǔn)、配置、標(biāo)點(diǎn)等一系列操作，實(shí)現(xiàn)便捷的3D掃描。然后對掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除多余數(shù)據(jù)、填充缺口及除噪點(diǎn)等相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，從而得到高精度的模具模型。將設(shè)計(jì)原始數(shù)字化模型與掃描的模具模型進(jìn)行對比，直觀地反映模具型面的磨損和變形情況，實(shí)現(xiàn)對模具的有效檢測。同時(shí)，對關(guān)鍵特征的幾何尺寸進(jìn)行精確測量，有助于提高定期檢測效率和精度，加強(qiáng)模具保養(yǎng)和修復(fù)，以提高輪胎生產(chǎn)合格率。

因具有非接觸性、高效率、高精度等優(yōu)勢，除上述應(yīng)用外，3D掃描技術(shù)還可以用于市場上輪胎產(chǎn)品分析、輪胎逆行設(shè)計(jì)和輪胎使用品質(zhì)追蹤等方面。