手持白光掃描儀在沖壓領域的運用

文/聶雙喜，汪建余，戴長征·一汽-大眾汽車有限公司

隨著科技的飛速發(fā)展，數(shù)字化運用越發(fā)廣泛，在汽車行業(yè)中對于結構復雜、曲面多變的沖壓件測量，傳統(tǒng)的測量方式已逐漸不能滿足生產(chǎn)需求，掌握數(shù)字化設備運用技術非常重要，本文以Go Scan Spark彩色3D 掃描儀為基礎，詳細介紹該設備利用VXelements 和PolyWorks 兩個軟件系統(tǒng)，進行三維建模采集數(shù)據(jù)，再結合模具設計數(shù)模進行擬合對比，能有效、快速分析沖壓件問題，減少不必要的工作量。

相比傳統(tǒng)掃描儀，Go Scan Spark 彩色3D 掃

描儀更為便攜，不受測量環(huán)境和位置的影響，即掃即可實現(xiàn)幾何信息在掃描定位表面的構建。想利用該設備進行擬合需要涉及VXelements( 圖1）、BMW PolyWorks( 圖2） 兩 個 軟件系統(tǒng)的結合運用。

圖1 VXelements 系統(tǒng)界面

Go Scan Spark 彩色3D 掃描儀

如圖3 所示，該儀器較為便捷，整套硬件設施相對較少，主要由掃描儀、校準板、電源線、軟件安裝程序硬盤組成，掃描儀主要由3 個幾何形狀跟蹤攝像頭、彩色攝像頭、白光投影儀組成。使用時白光投影儀投射99 條白線于物體上，再通過3 個幾何形狀跟蹤攝像頭在整個光圖案上記錄線條在物體上的扭曲以創(chuàng)建表面，采集的幾何數(shù)據(jù)信息在VXelements 系統(tǒng)實時定位中構建表面。當對測量精度較高、環(huán)境溫度變化較大或運輸過程中受到撞擊時，則需要利用校準板對儀器進行重新校準。

圖3 Go Scan Spark 掃描儀

VXelements 系統(tǒng)實際運用

分辨率設置

連接設備后，進入VXelements 系統(tǒng)，如圖4 所示在掃描前需進行設置，首先調(diào)整分辨率，該設備最高分辨率(最小值）為0.2mm(0.008 英寸），一般設置為0.5mm，可根據(jù)實際要求進行數(shù)值增大和減小，減小會增加掃描處理時間，增大則相反。然后需要設置優(yōu)化模式，一般選擇標準模式足以滿足現(xiàn)場掃描需求，若是有特殊需求則需要手動更改參數(shù)。

圖4 分辨率設置

快門值設置

為了攝像頭能最好的識別激光陣列，根據(jù)掃描表面類型設定快門速度，調(diào)整掃描配置時務必保持最佳距離，測距儀顯示屏顯示亮綠燈則為合格距離，黃燈和藍燈則分別表示距離過遠或過近(圖5）。

圖5 測距儀顏色示意圖

快門調(diào)節(jié)可實現(xiàn)手動調(diào)節(jié)和自動調(diào)節(jié)，軟件可以根據(jù)設備采集信息進行自動調(diào)整，點擊掃描頭配置就可進入設置界面，選擇自動調(diào)整，此時點擊掃描頭的激光觸發(fā)按鍵可以自動掃描制件表面顏色的反光狀態(tài)，以實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)快門值。當光圖案完全位于要掃描的表面時，將掃描儀保持在表面上方的適當距離，直到出現(xiàn)參數(shù)已優(yōu)化提示，表示自動調(diào)整掃描參數(shù)優(yōu)化完成。

若是掃描表面顏色，反光率差別較大或者掃描實物對整個光圖案范圍來說太小時，需選擇手動調(diào)節(jié)自定義快門，表面顏色越深，快門速度越長，快門值可以在0.5ms ～16ms 之間設定，通過紅、黃、灰三種顏色判斷最佳時間，如圖6 所示當在適當距離掃描物體獲得黃色最多時，表示已經(jīng)達到快門最佳時間，可以為不同的表面粗糙度保存不同的快門速度預設值。

圖6 手動調(diào)節(jié)光圖案樣圖

掃描儀使用

當以上參數(shù)均設置完畢且合理后，即可進行掃描。可以點擊軟件的開始掃描按鈕或長按激光觸發(fā)按鍵開始掃描，再次單擊觸發(fā)按鍵便激活激光，進行掃描制件。在掃描階段，切記不能遮擋掃描儀鏡頭，注意掃描的捕捉率應保持在100%狀態(tài)，可根據(jù)掃描儀上指示燈顏色判斷當前掃描頭與制件距離是否合格，綠色表示距離合理。

隨著掃描數(shù)據(jù)不斷的累計，掃描路徑的選擇非常重要，如圖7 所示，同一掃描件相同2 個點，不同的掃描路徑，A 圖2 點制件累計長度達4.4m，2 點之間累計誤差達0.710mm，B 圖2 點之間最大累計長度1.6mm，最大累計誤差0.290mm，最大程度的縮短采集整個制件時兩點之間的軌跡。

圖7 掃描件掃描軌跡示意圖

編輯掃描數(shù)據(jù)

再次點擊開始掃描或長按激光觸發(fā)鍵即可暫時結束掃描，注意此時并未完全完成掃描，還需繼續(xù)處理。首先處理非制件區(qū)域(圖8），可以選擇鏈接功能點擊制件部分，反選后清除非制件區(qū)域，若發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域未掃描到位或者掃描不清晰可再次激活設備進行補掃，剩余的粘連部分可以使用自由式框選結合Ctrl 鍵進行刪除。確認刪除后點擊軟件里完成按鍵，設置完成掃描參數(shù)，軟件會從優(yōu)化定位模型、填充定位目標、優(yōu)化邊界精確度等方面進行運算，此時軟件會按照掃描前設置要求再結合軟件的優(yōu)化模式對掃描結果進行優(yōu)化，對于高分辨率掃描或者大物件掃描，數(shù)據(jù)結果生成時間稍長，優(yōu)化結果檢查無誤后便可進行保存，并導出STL 網(wǎng)格。

圖8 處理非制件區(qū)域

PolyWorks 系統(tǒng)的實際運用

預對齊

打開PolyWorks 軟件，點擊(開始PolyWorks）按鈕，進入界面首先導入上一步VXelements 系統(tǒng)生成的STL 網(wǎng)格和需要擬合CAD 數(shù)模模型(無順序要求），設置CAD 模型也就是數(shù)模為參考對象，與STL 網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行最佳擬合。若想對兩個STL 網(wǎng)格進行相互擬合對比，則需將其轉(zhuǎn)化為參考對象，當作參考基準。預對齊可以選擇自動與點對齊，一般自動對齊即可，有時制件比較對稱和規(guī)則，但部分細節(jié)有差異時，可能系統(tǒng)無法識別，導致無法正常對齊，因此需要選擇點對齊。點對齊一般選擇多點對齊，至少選擇三個點，推薦4 個點。依次點選對應點位置(無先后要求），選擇完成后手動點擊右鍵開始對齊(空格鍵可在點選模式和觀察模式進行切換）。

精確對齊

若無精確對齊需求則可跳過此步驟，在有精確對齊需求情況下，對基準區(qū)域進行精確對齊，按照前期要求尋找CAD 數(shù)模上的基準區(qū)域，選擇創(chuàng)建基準目標區(qū)域即可。在CAD 數(shù)模上精確的位置創(chuàng)建基準區(qū)域，可選擇圓形或者矩形區(qū)域，數(shù)字化可使用具體空間坐標創(chuàng)建基準，錨定CAD 數(shù)模上點選區(qū)域。輸入具體數(shù)據(jù)后選擇基準目標標簽，按照要求標記即可。

如果以圓孔、方孔、長圓孔等具體的形狀為基準，需要在CAD 模型上創(chuàng)建具體的形狀。以圓孔為例，點擊創(chuàng)建圓特征，選擇在CAD 模型上點選，最好隱藏STL 網(wǎng)格，以免點錯位置，空間坐標系也選擇為圖紙上表示的方向。在標定的位置點選后創(chuàng)建圓特征，以擬合的方式創(chuàng)建圓特征時可以修改圓特征的參數(shù)，在右鍵屬性測量里可編輯，比如薄壁孔可以選擇修剪的，擬合區(qū)域也可自行選擇合適的形式以適配需要的數(shù)據(jù)。如圖9 所示右鍵圓特征選擇抽取測量值可查看此孔的公差等信息。隨后選擇創(chuàng)建特征基準目標區(qū)域，選擇剛剛創(chuàng)建的圓特征，可以創(chuàng)建以圓為目標的基準目標區(qū)域。同理在CAD 數(shù)模上點選對應孔，設置詳細參數(shù)后，創(chuàng)建特征參考目標點，即可進行精確對齊。

圖9 圓詳細屬性設置

圖10 檢查對齊結果

全部基準提取完成后框選全部的基準，右鍵抽取測量值，再次右鍵選擇對齊，可以將STL 網(wǎng)格與CAD 數(shù)模以這些基準完全貼合至一起。可能有報錯現(xiàn)象出現(xiàn)，掃描數(shù)據(jù)與數(shù)模形狀不統(tǒng)一，可能數(shù)模上是修邊，制件上已經(jīng)翻邊或者已經(jīng)焊上其他部件；公差設置的比較小，考慮到制件變形，可能變形量超出公差范圍，可以修改公差值。

數(shù)據(jù)分析

對齊完成后，測量數(shù)值有兩種方式，一種是用彩圖直接測出需要的偏差值，但此功能只能顯示偏差，不能顯示其他數(shù)據(jù)(圖11）。另一種為比較點，此功能可以顯示出多項數(shù)據(jù)(圖12）。我們一般使用彩圖功能即可，彩圖有兩種選擇，第一種是數(shù)據(jù)對象至參考對象曲面的偏差。此命令既適用于STL 與CAD 之間的對比，也適用兩個STL 片體之間的比較，但是如果只想評價掃描某一表面結果的偏差，可以選擇數(shù)據(jù)對象間隙命令。

圖11 測量效果圖

圖12 數(shù)字化效果圖

另一種方式為比較點，此功能可以顯示出更多的數(shù)據(jù)，更方便輸出報告或者分析數(shù)據(jù)。點擊曲面點，可選擇多項創(chuàng)建方式，一般用錨定或者數(shù)據(jù)化，與之前相同，錨定可直接點選，數(shù)據(jù)化可選擇具體坐標。

選擇切邊點功能可以比較修邊的距離，但需注意若是兩個片體之間的比較會較為不準，因為網(wǎng)格邊緣破碎比較嚴重，不建議點選后退點，除非有需求，否則容易出錯。可以以錨定和數(shù)字化的方式創(chuàng)建切邊比較點，有時會出現(xiàn)創(chuàng)建后無數(shù)據(jù)或者報錯，制件變形量大而公差范圍較小，在屬性中改大公差；創(chuàng)建了后退點，刪除后退點即可；取消選擇角度即可。

如果我們在創(chuàng)建剪切點的時候發(fā)現(xiàn)不能抽取到數(shù)據(jù)，這個時候可能是零件變形翹邊，我們可以通過修改參數(shù)的方式得到相應的一個切邊值。右鍵屬性，測量，將沿邊界的向量改為最高處，并取消勾選最大角度，確認即可。最大角度指的是當前點或面的法向方向數(shù)模上與STL 的角度。

報告輸出

如圖13 所示，點擊3D 捕捉按鈕可以制作報告，報告格式可進行編輯，有幾個預設的格式，可以在工具—選項—對象—報告中進行修改，也可在此界面選擇圖像的大小，可以選擇在一張報告上顯示幾張截圖。如果想自行設計報告版式可以右鍵報告區(qū)域選擇編輯背景，在此模式下可自行修改格式，另外在插入的文本框里可以插入各種預設屬性，這些屬性可以在目錄樹的工件屬性里進行修改，右鍵退出編輯模式后可保存此模板，以便之后調(diào)用。最后可輸出報告保存為PDF 格式。

圖13 捕捉3D 場景

使用新建工件功能可批量處理相同的掃描結果，比如我們掃描了數(shù)個不同工序的制件，用此功能可以快速處理多個制件，但是需要注意，使用點對齊的時候需要根據(jù)軟件提示點選參考點，此外創(chuàng)建的一些特征也需重新點選創(chuàng)建。使用spc 功能可以顯示這些制件某一數(shù)值的變化趨勢等，使用時需要先在目錄樹中選擇需要對比的數(shù)據(jù)。

其他運用

例如我們想評價鑲塊底面是否符合標準，既可使用人員著色評價，也可使用軟件進行對比評價。首先我們需要一個平面的數(shù)據(jù)，需要在其他建模軟件中創(chuàng)造一個平板，然后將鑲塊的掃描結果和平板數(shù)模一起導入軟件中。既可兩個STL 網(wǎng)格，也可一個網(wǎng)格一個數(shù)模，但是兩個STL 網(wǎng)格時需要將基準轉(zhuǎn)換為參考對象。此時，我們導入的兩個形狀并不相同，我們只需將平面部分進行擬合，并不需要也不能進行最佳擬合，此時需要平面、軸、中心點對齊命令。首先創(chuàng)建一個平面，如果導入的是數(shù)模，可以選擇在CAD 上點選，如果不是數(shù)模就要選擇擬合命令。

然后創(chuàng)建直線和點，選擇創(chuàng)建直線特征命令(圖14），選擇錨定，點選平面上的兩個點，即可創(chuàng)建一條直線。選擇創(chuàng)建點特征命令，在目錄樹中選擇剛剛創(chuàng)建的直線，便可在直線的起點和終點各創(chuàng)建一個點。在進行平面、軸、中心點對齊的時候建議刪除其中一個點，以防對齊出現(xiàn)意外。

圖14 錨定兩點創(chuàng)建直線特征

按照此方法繼續(xù)在另一個件上創(chuàng)建點線面，擁有兩套點線面后便可對齊，如只想對比兩個平面的話只用兩個平面也可擬合，不用點和線。選擇平面、軸、中心點對齊，選擇兩個平面，注意選擇源和目標，源指的是掃描結果，目標是參考數(shù)據(jù)(理論數(shù)據(jù)）。選擇完成后即可使鑲塊底面與平面對齊。另外還需注意有時掃描結果的法向與參考目標的法向不一致，此時需要將在掃描結果上創(chuàng)建的平面法向反轉(zhuǎn)。

如果我們之前導入的是STL 和數(shù)模，那么我們只需按照前文的彩圖方式進行對比即可。如果我們之前導入的是兩個STL，其中一個需轉(zhuǎn)換為參考對象，此時需要將參考對象轉(zhuǎn)換回數(shù)據(jù)對象，轉(zhuǎn)換完成后選擇數(shù)據(jù)對象間隙命令，確認選擇了兩個STL，即可創(chuàng)建彩圖(圖15）。

圖15 最終效果圖

結束語

數(shù)字化設備在汽車行業(yè)中的運用已逐漸廣泛，本文以Go Scan Spark 彩色3D 掃描儀為例，詳細介紹了該設備與VXelements、PolyWorks 系統(tǒng)的運用步驟和功能使用。在沖壓領域可輔助用于模具零部件、沖壓件的面品和尺寸分析，可準確的顯示缺陷位置及差異數(shù)值，快速提高工作效率，為新項目模具提供技術儲備，后續(xù)將運用于沖壓更多工序，進一步提高質(zhì)量水平。