張德海，白代萍，閆觀海，王良文，郭 成

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院，河南鄭州450002;2.西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，陜西西安710049)

0 引言

金屬板材在沖壓過程中不可避免的出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，引起了制造企業(yè)工程技術(shù)人員的重視，特別是大弧度的薄板折彎成形零件，回彈問題越加明顯，因此，對回彈問題的準(zhǔn)確預(yù)測和控制是影響產(chǎn)品成型質(zhì)量和幾何精度的一個關(guān)鍵因素。廣大的制造企業(yè)對板料的回彈分析過度依據(jù)經(jīng)驗，缺乏系統(tǒng)科學(xué)的檢測方法，如何能夠在產(chǎn)品設(shè)計階段，對板料成形回彈性能進行準(zhǔn)確的檢測，對其設(shè)計的合理性做出較為準(zhǔn)確的評價和判斷，改進零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時一次提高試模成功率是一個亟待解決的問題。

計算機仿真和有限元方法相結(jié)合被廣泛應(yīng)用，用以解決復(fù)雜工件的回彈預(yù)測和補償計算[1-2］。早期的回彈研究主要集中于2D折彎成形過程，建立解析模型并求得理論解。對于具有3D復(fù)雜曲面特征的工件，文獻[3］提出以回彈能密度來檢測回彈。以工件回彈前后對應(yīng)節(jié)點的位移偏差來檢測回彈，則符合實際中對回彈概念的認識，在有限元數(shù)值仿真中應(yīng)用較多[4］。基于板料塑性變形的增大將導(dǎo)致回彈的減少，也有研究者將板料的等效塑性應(yīng)變作為回彈的檢測準(zhǔn)則[5］，以等效塑性應(yīng)變裕度來表征回彈。文獻[6-7］建立了復(fù)雜加載模式下的非線性混合強化材料模型的彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，以Numisheet 93的U型彎曲為例進行了回彈預(yù)測和評價。文獻[8］應(yīng)用基于KMAS的回彈控制和評價體系，使改進后模具成形工件回彈量比原方案降低了87%。

逆向校核軟件能夠快速準(zhǔn)確地生成數(shù)字參考模型(CAD模型或掃描的物理模型)，并與實際制造零件的圖形比較，用于首件檢測、產(chǎn)品檢測和供應(yīng)商質(zhì)量管理[9］，軟件獨特的3D比對功能可用于板料的回彈檢測[10］。文獻[11］利用CATIA V5點云后處理及Geomagic Qualify分析功能，對汽車零部件的點云數(shù)據(jù)和CAD模型進行比較，為汽車零部件的檢測提供了一種有效和快捷的方法。文獻[12］采用三維掃描的方法對減速器上箱體進行了數(shù)據(jù)采樣，利用Geomagic Qualify特征曲線進行模型重構(gòu)和重合度檢測，試驗表明:這種方法重構(gòu)精度高、操作方便。Geomagic Qualify具有可以同時輸入兩種數(shù)據(jù)進行對比的功能:一種數(shù)據(jù)來源于CAD數(shù)據(jù)，作為對比的基準(zhǔn);另一種數(shù)據(jù)來源于點云數(shù)據(jù)，可以通過不同的方法獲得。采用攝影測量和面掃描相結(jié)合的方法獲取零部件的點云數(shù)據(jù)是一種新興的測量方法。兩種數(shù)據(jù)在逆向校核軟件中對齊，必然在制件的若干部位存在偏差，該偏差就是板料制件的回彈值。校核軟件對兩種數(shù)據(jù)的任意點和任意位置可以進行計算，獲得任意方向和方位的回彈數(shù)值，從而為工程應(yīng)用提供一種方法。

本文應(yīng)用逆向校核軟件Geomagic Qualify，研究了BC-48冰箱門外殼的回彈檢測，通過選取關(guān)鍵點獲得了制件三維空間點的回彈變化值，包括空間回彈值和x、y、z這3個方向的回彈值，比較了它們之間的關(guān)系，并獲得了一定的規(guī)律。

1 試驗

試驗對象取自國內(nèi)某著名家電公司的BC-48冰箱門外殼(見圖1)。BC-48屬于小型號冰箱，其門外殼屬于薄板成形，厚度0.6 mm。成形后噴塑保證外觀。利用近景攝影測量軟件和面掃描軟件相結(jié)合的方法[13］獲取門外殼的點云數(shù)據(jù)。

其試驗步驟如下:

(1)在待測工件周圍布置編碼標(biāo)志點、非編碼標(biāo)志點和標(biāo)尺(見圖2)。

(2)拍攝照片，攝影測量系統(tǒng)計算門外殼表面的編碼點和非編碼點[14］。

(3)使用面掃描系統(tǒng)掃描工件，并處理點云。

(4)使用Geomagic Studio獲得數(shù)模。

(5)在Geomagic Qualify中將獲得的數(shù)模和原有的模具CAD數(shù)模對齊后比較(見圖3)。

圖1 冰箱門外殼三維模型

圖2 布置標(biāo)志點和標(biāo)尺

2 分析和討論

在Geomaigic Qualify中，首先選冰箱門外殼大表面為對象，因大表面是冰箱的臉面，外觀質(zhì)量要求高，在不同的部位選取9個點(見圖4)。兩個折彎面屬于冰箱門外殼和門內(nèi)殼配合的關(guān)鍵部位，選取9個點(見圖5)。側(cè)面小圓弧屬于冰箱門外殼支撐主骨架之一，選取6個點(見圖6)。圖3～圖6都是使用色譜圖來表達點云數(shù)據(jù)與CAD模型的偏差，它的的主要原理是:根據(jù)偏差值的大小和正負，利用不同的顏色和深度來進行表示。本文采用五色色譜圖來實現(xiàn)偏差結(jié)果的可視化。其中，圖3主要為門外殼整體回彈數(shù)值示意圖，即點云和CAD數(shù)模的偏離程度，圖4～圖6代表的主要為關(guān)鍵點的回彈值，其單位都是mm。

圖3 Geomagic Qualify中數(shù)模和點云對齊

圖4 大表面回彈三維數(shù)據(jù)

圖5 兩折彎面回彈三維數(shù)據(jù)

圖6 側(cè)面小圓弧回彈三維數(shù)據(jù)

圖4、圖5和圖6顯示數(shù)據(jù)不夠方便，為了方便研究，讀取數(shù)據(jù)分別作出表1、表2和表3。該回彈數(shù)值包含三維空間、x方向、y方向、z方向4個方向的回彈數(shù)值，表示的是關(guān)鍵點的回彈值，軟件已自行進行了計算[15］。

表1 大表面關(guān)鍵點回彈的三維數(shù)據(jù) mm

表2 兩折彎面關(guān)鍵點回彈的三維數(shù)據(jù) mm

表3 側(cè)面小圓弧關(guān)鍵點回彈的三維數(shù)據(jù) mm

由表1可以看出:x方向的回彈值全部為0 mm，y方向的回彈值為-0.107～0.104 mm，z方向的回彈值為-7.513～-1.112 mm，三維空間回彈值為-7.468～-1.113 mm。說明門外殼大表面x方向回彈前后數(shù)值沒有變化，y方向變化較小，z方向變化較大并且其回彈數(shù)值主要影響三維空間回彈數(shù)值。

由表2可以看出:x方向的回彈值全部為0 mm，y方向的回彈值為0～0.02 mm，z方向的回彈值為-7.515～2.894 mm，三維空間回彈值為-7.515～2.894 mm。說明門外殼兩折彎面x方向回彈前后數(shù)值沒有變化，y方向變化較小，均表現(xiàn)為正向回彈，z方向和三維空間方向關(guān)鍵點表現(xiàn)為部分正向回彈，部分反向回彈，所受影響趨勢一致，證明三維空間回彈的數(shù)值影響主要來自z方向。

表3表明:x方向6個關(guān)鍵點中有4個回彈值為0 mm，其余兩個關(guān)鍵點分別表現(xiàn)為正向回彈和反向回彈，y方向的回彈值為-0.274～8.277 mm，z方向的回彈值為0～3.482 mm，三維空間回彈值為0～8.995 mm。說明門外殼側(cè)面小圓弧x方向回彈前后數(shù)值較小，且具有對稱性，z方向變化較大，集中表現(xiàn)為正向回彈，y方向回彈數(shù)值最大，并直接影響三維空間的回彈值，所受影響變化趨勢一致。三維空間回彈值的影響來自3個方向的綜合。

3 結(jié)論

(1)基于攝影測量和面掃描相結(jié)合的測量方法獲得了板料成形回彈的點云數(shù)據(jù)，利用逆向校核軟件Geomagic Qualify的3D比對功能，選取關(guān)鍵點獲得了制件三維空間點的回彈變化值，包括空間回彈值和x、y、z這3個方向回彈值。

(2)對于冰箱門外殼大表面和兩折彎面，三維空間回彈數(shù)值的影響主要來自z方向，x方向回彈數(shù)值為0，y方向影響較小。特別是大表面，三維空間回彈數(shù)值大小和方向與z方向回彈值的大小和方向保持完全一致，而對于兩折彎面，空間回彈值大小和z方向大小幅度一致，方向相反。說明在消除回彈問題解決模具修型面設(shè)計時需要注意方向的選取。對于側(cè)面小圓弧，三維空間回彈值不同的關(guān)鍵點受不同方向的影響，主要來自y方向和z方向，x方向影響較小。說明在修模時要綜合考慮多個方向、多個因素的影響，解決回彈問題是一個系統(tǒng)性、全局性的問題。

(3)逆向校核軟件Geomagic Qualify處理點云數(shù)據(jù)獲得準(zhǔn)確的對準(zhǔn)模型數(shù)據(jù)，回彈數(shù)值的計算誤差影響主要來自比對選取的基準(zhǔn)點、軟件和計算機自身，對于攝影測量的精度對點云數(shù)據(jù)精度的影響，不是本文的研究重點，所以并未涉及。

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