劉華剛，黎克清，郝瑞參

基于三維掃描技術(shù)的模具零件虛擬裝配檢測(cè)*

劉華剛，黎克清，郝瑞參

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176）

介紹了三維掃描檢測(cè)技術(shù)，并與傳統(tǒng)的接觸式三坐標(biāo)檢測(cè)進(jìn)行了對(duì)比。以某砂型模具例， 介紹了三維掃描檢測(cè)技術(shù)在模具零件虛擬裝配中的應(yīng)用及流程。

三維掃描技術(shù)；虛擬裝配；數(shù)字化檢測(cè)

三維掃描檢測(cè)目前在制造業(yè)已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用，特別是在一些異形曲面多、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件上。相比于傳統(tǒng)的接觸式三坐標(biāo)檢測(cè)，非接觸式三維掃描檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)還是比較顯著的，不受制于三坐標(biāo)工作機(jī)臺(tái)的大小，產(chǎn)品不需要特別的定位，掃描時(shí)間短，效率高［1］。對(duì)于有些檢測(cè)完成以后需要補(bǔ)測(cè)的尺寸，不需要像三坐標(biāo)檢測(cè)一樣還要重新再上機(jī)床定位，掃描檢測(cè)可以直接利用之前保存的數(shù)據(jù)，補(bǔ)充測(cè)量即可，任何尺寸都可隨時(shí)進(jìn)行查詢，充分體現(xiàn)數(shù)字化檢測(cè)帶來(lái)的便捷。三坐標(biāo)檢測(cè)一般需要在相對(duì)恒定的環(huán)境下，對(duì)溫度、濕度、震動(dòng)都有比較明確的要求，而非接觸掃描儀工作只要不是在震動(dòng)過大的環(huán)境即可，這樣就可直接在生產(chǎn)車間使用，有時(shí)候甚至可以在加工過程中，直接在機(jī)床上對(duì)加工到某一階段的產(chǎn)品實(shí)行掃描檢測(cè)，對(duì)整個(gè)加工過程的精度進(jìn)行控制，避免了工件上下加工機(jī)床的時(shí)間浪費(fèi)以及重復(fù)定位精度的誤差。另外，在掃描結(jié)束后，可以將掃描得到的產(chǎn)品STL數(shù)據(jù)在另外的電腦上與CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)檢測(cè)，不占用掃描設(shè)備，此時(shí)的掃描設(shè)備可進(jìn)行下一個(gè)零件的掃描，整個(gè)檢測(cè)過程可以是并行的，不像三坐標(biāo)整個(gè)檢測(cè)過程都需要占用工作臺(tái)，特別是在產(chǎn)品曲面比較多且復(fù)雜扭曲的情況下，如葉輪等，這種三坐標(biāo)檢測(cè)就會(huì)特別困難，在曲面檢測(cè)上三坐標(biāo)由于數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)年P(guān)系，往往精度誤差就會(huì)比較大，反而是掃描儀來(lái)的更簡(jiǎn)便些。所以目前非接觸式三維掃描檢測(cè)在各個(gè)行業(yè)得到很廣泛的應(yīng)用，越來(lái)越有可能取代傳統(tǒng)三坐標(biāo)在檢測(cè)中的位置。三維掃描檢測(cè)已從單個(gè)零件檢測(cè)進(jìn)一步發(fā)展到了三維數(shù)字化虛擬裝配檢測(cè)領(lǐng)域［2］，特別是在模具行業(yè)，在試模前就能提前通過虛擬組裝檢測(cè)零部件是否有干涉或者間隙異常，配合是否嚴(yán)密等，減少上機(jī)試模的次數(shù)。在零部件組裝領(lǐng)域，通過虛擬裝配檢測(cè)各部件間隙、干涉等，可幫助我們觀察到一些實(shí)際產(chǎn)品組裝后觀察不到的區(qū)域，是在數(shù)字化檢測(cè)的道路上的進(jìn)一步深化應(yīng)用。

1　零件虛擬裝配檢測(cè)及其過程

單個(gè)零部件的三維掃描檢測(cè)比較直觀，但是在零部件組裝以后，很多地方不容易觀察到零部件之間的配合間隙狀況［3］，如圖1所示的零部件虛擬組裝。利用傳統(tǒng)的辦法也沒有很好很直觀的方式來(lái)檢測(cè)零部件裝配后的狀況，通常都是測(cè)試，如模具就直接試模，通過判斷成品出來(lái)的狀況，再來(lái)判斷模具要做哪些調(diào)整和改進(jìn)，這樣反反復(fù)復(fù)嘗試，需要大量的組裝和試模時(shí)間［4］。

圖1　零部件虛擬組裝的界面

目前，可通過掃描各個(gè)部件數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)組裝在一起，通過數(shù)字可視化的方式來(lái)提前分析整個(gè)裝配后的狀況，在模具上機(jī)試模前提前分析問題出現(xiàn)在哪里，提前處理，節(jié)省生產(chǎn)周期［5］。圖2為某零部件虛擬裝配檢測(cè)結(jié)果。通過不同的色彩誤差來(lái)表示模仁與滑塊之間的距離分布，距離呈現(xiàn)負(fù)向偏差（冷色）表示兩者之間間隙過大，達(dá)不到貼合的效果，如果呈現(xiàn)正向偏差（暖色），代表兩塊區(qū)域發(fā)生干涉，通過色彩誤差圖方式，快速簡(jiǎn)便一目了然地讓檢測(cè)者知道哪些區(qū)域該做怎樣的調(diào)整［6］。

圖2　實(shí)際組裝后分析的結(jié)果

三維掃描虛擬裝配檢測(cè)具體流程為：

（1）零部件裝配掃描。在裝配后，在整個(gè)裝配上貼上標(biāo)志點(diǎn)，特別是要測(cè)量的零部件上布置標(biāo)志點(diǎn)，這些標(biāo)志點(diǎn)一是為整個(gè)裝配掃描之用，另外在單個(gè)零部件掃描的時(shí)候，同樣也要被用到［7］。使用三維掃描設(shè)備，盡可能多的掃描到整個(gè)裝配。

（2）零部件拆裝掃描。裝配拆分成單個(gè)零部件之后，在每個(gè)零部件上補(bǔ)充標(biāo)志點(diǎn)，利用到如圖2的外觀標(biāo)志點(diǎn)，對(duì)每個(gè)零部件單獨(dú)掃描。

（3）掃描數(shù)據(jù)虛擬組裝及分析檢測(cè)。在軟件中將掃描的整個(gè)裝配數(shù)據(jù)及單個(gè)掃描的零件數(shù)據(jù)導(dǎo)入進(jìn)來(lái)［8］。由于整個(gè)裝配數(shù)據(jù)之中已經(jīng)有單個(gè)零部件的部分?jǐn)?shù)據(jù)，按照擬合方式，擬合到之前已經(jīng)掃描的裝配部分中，擬合完成后，屏蔽之前流程的裝配掃描數(shù)據(jù)，就形成了一個(gè)反映實(shí)際零件組裝的真實(shí)模型，這樣就可以觀察此數(shù)字模型進(jìn)行分析，以色彩圖和尺寸標(biāo)注的形式進(jìn)行干涉分析、間隙分析等。

2　典型零部件虛擬裝配檢測(cè)案例

目前很多注塑、壓鑄、鑄造等模具都采用了非接觸掃描虛擬組裝檢測(cè)的方式。現(xiàn)以圖3所示砂型模具為例進(jìn)行分析。砂型模具部件多，組裝后很多區(qū)域不可見，通常我們只有試模得到成品后才知道模具是否有異常。

圖3　組裝好的砂型模具

（1）零部件裝配掃描。

先將砂型模具布置合適的標(biāo)志點(diǎn)。在三維掃描中，一般的產(chǎn)品需要多筆掃描數(shù)據(jù)拼接才能夠完成。拼接方式有兩種，一是直接根據(jù)零件的特征拼接，這種掃描一般適用于零件比較有典型特征細(xì)節(jié)，容易分辨，如藝術(shù)品浮雕上的紋理等，沒有重復(fù)性，掃描系統(tǒng)容易判斷，根據(jù)公共區(qū)域進(jìn)行特征拼接；另外一種方式是根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行拼接，每?jī)晒P掃描數(shù)據(jù)都覆蓋到共同的標(biāo)志點(diǎn)，一般重疊區(qū)域至少有三個(gè)以上標(biāo)志點(diǎn)，掃描系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行編碼，掃描過程中根據(jù)這些標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的拼接。對(duì)于比較精確的掃描，一般采用標(biāo)志點(diǎn)多筆掃描數(shù)據(jù)拼接的方式。在采用標(biāo)志點(diǎn)拼接的方式中，標(biāo)志點(diǎn)的分布要根據(jù)掃描儀當(dāng)前所用鏡頭的單筆掃描范圍的大小，對(duì)于一些特殊要求零件，不許粘貼標(biāo)志點(diǎn)，我們可以將標(biāo)志點(diǎn)貼在放置零件的工作臺(tái)上或者特別的治具上面［9］。

如圖4進(jìn)行標(biāo)志點(diǎn)分布，進(jìn)行整體的第一次三維數(shù)據(jù)掃描，因?yàn)橐獮橄乱徊絾蝹€(gè)零件掃描做準(zhǔn)備，所以每個(gè)零件上一定要布有標(biāo)志點(diǎn)，將來(lái)整體裝配可以用這些共同的標(biāo)志點(diǎn)來(lái)定位。

圖4　砂型模具標(biāo)志點(diǎn)分布

整體裝配掃描以盡可能多地掃描到每個(gè)部件，細(xì)節(jié)部分不用掃描全，主要是達(dá)到獲取各個(gè)零件之間相對(duì)位置的目的。

（2）零部件拆裝掃描。

整體組裝掃描完成后，此時(shí)獲得是反映整個(gè)可見外觀的數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)提供了整個(gè)裝配環(huán)境下各個(gè)零件相對(duì)的位置關(guān)系。先將砂型模具各個(gè)部件拆卸下來(lái)，不要?jiǎng)拥皆瓉?lái)的標(biāo)志點(diǎn)，然后針對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行單獨(dú)的掃描。單個(gè)零件的掃描，保留原有標(biāo)志點(diǎn)，在合適的位置補(bǔ)充上掃描所需的標(biāo)志點(diǎn)即可，一件一件完成各個(gè)部件的掃描，重點(diǎn)是掃描到裝配后看不到的部位的信息，如圖5。

圖5　單個(gè)零部件的掃描

（3）掃描數(shù)據(jù)虛擬組裝及分析檢測(cè)。

完成各個(gè)零部件的掃描后，在軟件中導(dǎo)入之前整體整體掃描的數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)入單個(gè)零件掃描的數(shù)據(jù)，按照之前共同的標(biāo)志點(diǎn)，即第一部操作時(shí)整體砂型掃描就貼上的標(biāo)志點(diǎn)，和后面拆裝后保留的標(biāo)志點(diǎn)，利用這些共同的標(biāo)志點(diǎn)，將各個(gè)部件定位一件一件還原組裝。由于這樣標(biāo)志點(diǎn)方式的利用，保證了單獨(dú)拆裝零件掃描后再組裝，如實(shí)反映了組裝后的狀態(tài)，如圖6。

圖6　還原后的組裝情況

組裝完成后，即可對(duì)所關(guān)心的部分進(jìn)行各種分析，如干涉分析、配合分析以及間隙分析等，可以用剖切等功能觀察細(xì)節(jié)［10］。如圖7比較關(guān)心的兩個(gè)零件配合是否完好，可以直接僅選取這兩件進(jìn)行分析。

圖7　零件配合分析

在軟件中測(cè)量得到圖7兩面之間的間隙達(dá)到0.48 mm，說(shuō)明沒有配合嚴(yán)密，達(dá)不到封膠的效果，實(shí)際試模成品可能會(huì)產(chǎn)生溢流或者飛邊的現(xiàn)象［11］，應(yīng)加以改進(jìn)。除了通過掃描數(shù)據(jù)獲得截面數(shù)據(jù)分析，也可以直接分析相鄰兩個(gè)面之間的面間隙，將色彩偏差圖呈現(xiàn)出來(lái)，進(jìn)行比較全面的分析。檢測(cè)完成后，不用實(shí)際試模就直接進(jìn)行零件的加工改進(jìn)，避免了試模費(fèi)用及時(shí)間的消耗，待數(shù)字組裝模擬通過再進(jìn)行真正的試模，確實(shí)將數(shù)字化運(yùn)用到了實(shí)際檢測(cè)中。

3 結(jié)語(yǔ)

采用三維掃描零件進(jìn)行虛擬裝配檢測(cè)的技術(shù)是目前比較前沿的技術(shù)，是對(duì)三維掃描檢測(cè)技術(shù)的更深層次的運(yùn)用，真正將目前的檢測(cè)手段做到了數(shù)字化，幫助我們解決實(shí)際生產(chǎn)過程中很多隱藏的難以發(fā)現(xiàn)的細(xì)節(jié)問題。很多企業(yè)目前都在這一塊投入，希望解決在復(fù)雜裝配環(huán)境下了解裝配中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析內(nèi)部運(yùn)作是否合乎設(shè)計(jì)需求。有些企業(yè)采用工業(yè)CT的方式，但是由于工業(yè)CT價(jià)格高昂，很難普及，且工業(yè)CT需要配置專門的放置環(huán)境，另一方面，由于CT的穿透率的問題，很多實(shí)際生產(chǎn)狀況難以實(shí)施，有的甚至要將零件切塊處理，而這種數(shù)字化檢測(cè)手段能很好地幫助制造業(yè)解決這類難題。

［1］ 丁國(guó)富，王金諾，張曉軍.虛擬裝配環(huán)境中虛擬手與虛擬零件的碰撞檢測(cè)研究［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2003，20（2）：29-31. Ding Guofu，Wang Jinnuo，Zhang Xiaojun. Collision detection between virtual hand and virtual parts in VA［J］. Applications Research of Computers，2003，20（2）：29-31.

［2］ 張向華，謝峰，戴國(guó)洪.面向虛擬裝配的裝配工藝文件生成系統(tǒng)的研究［J］.機(jī)床與液壓，2012，40（17）：99-101. Zhang Xianghua，Xie Feng，Dai Guohong. Study on generating system of assembly process charts for virtual assembly［J］. Machine Tool & Hydraulics，2012，40（17）：99-101.

［3］ 劉華剛，賈俊良，馬金茹，等.多次使用針頭蓋產(chǎn)品模具設(shè)計(jì)［J］.工程塑料應(yīng)用，2013，41（1）：65-67. Liu Huagang，Jia Junliang，Ma Jinru，et al. Design of mould for reusable needle cap products［J］. Engineering Plastics Application，2013，41（1）：65-67.

［4］ 付宏生.塑料成型模具設(shè)計(jì)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：153-154. Fu Hongsheng. Plastic molding mold design［M］. Beijing：Chemical Industry Press，2010：153-154.

［5］ Liu H G，Ke J P，Yu H. The process simulation complex of cell phone casing model injection molding［J］. Advanced Materials Research，2012，507：132-136.

［6］ 陳新斌.組合模芯在“凹腔口包”制品模中的應(yīng)用［J］.工程塑料應(yīng)用，1991（1）：48-50. Chen Xinbin. Applicat10n of the built-up mould core in “reentrant cavity port-package”mould［J］. Engineering Plastics Application，1991（1）：48-50.

［7］ 王志宏.虛復(fù)雜零件在裝配模塊下的擬合方法［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（35）：93-94. Wang Zhihong. Virtual fitting method under complicated parts in the assembly module［J］. Technology Innovation and Application，2015（35）：93-94.

［8］ 高東強(qiáng)，楊飛，閆媛媛.逆向工程在塑料產(chǎn)品及其模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)塑料，2014（1）：99-102. Gao Dongqiang，Yang Fei，Yan Yuanyuan，et al. Reverse engineering in the application of plastic products and mould design［J］. China Plastics，2014（1）：99-102.

［9］ 郭建芬，陳以蔚. UG在自由曲面產(chǎn)品逆向工程與模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.工程塑料應(yīng)用，2007，35（8）：60-62. Guo Jianfen，Chen Yiwei. Application of UG in reverse engineer and mold design for free-form feature［J］. Engineering Plastics Application，2007，35 （8）：60-62.

［10］ 盧科青.逆向工程中多傳感器集成的自由曲面數(shù)字化測(cè)量及其數(shù)據(jù)預(yù)處理方法研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2010：50-51. Lu Keqing. Multisensor integration in reverse engineering of freeform surface digital measurement and data preprocessing methods research［D］. Hangzhou：Zhejiang University，2010：50-51.

［11］ 鞠華，王文，謝金，等.逆向工程中自由曲面的自適應(yīng)數(shù)字化算法研究［J］.計(jì)量學(xué)報(bào)，2003，24（2）：99-102. Ju Hua，Wang Wen，Xie Jin，et al. Reverse engineering：Research on adaptive digitizing for free-form surface［J］. Acta Metrologica Sinica，2003，24 （2）：99-102.

英帝國(guó)理工學(xué)院成功制備超薄高分子膜

據(jù)悉，一種納米多孔膜材料的新合成方法研發(fā)成功，利用該方法制作出的高性能膜材料可實(shí)現(xiàn)高通量、高選擇性的化學(xué)品分離，未來(lái)在石油化工行業(yè)、水處理與凈化、反滲透海水淡化等領(lǐng)域有望實(shí)現(xiàn)更高效節(jié)能的應(yīng)用。

英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)發(fā)表報(bào)告稱，他們將近年來(lái)新研發(fā)的有機(jī)微孔高分子材料合成方法與傳統(tǒng)成熟的界面聚合成膜工藝結(jié)合，成功制備出富含分子尺度孔道的超薄高分子膜。研究人員說(shuō)，核心技術(shù)是采用剛性且扭曲的有機(jī)單體分子，通過一步界面聚合反應(yīng)，從而得到大面積交聯(lián)的高分子薄膜，扭曲的骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量的超微孔，通過設(shè)計(jì)高分子結(jié)構(gòu)可以在分子尺度調(diào)控膜內(nèi)微孔的大小和分布，膜的厚

Virtual Assembly Test for Mold Parts Based on 3D Scanning Technology

Liu Huagang， Li Keqing， Hao Ruican
（Beijing Polytechnic ， Beijing 100176， China）

3D scanning detection technology was introduced and compared with traditional touched three coordinate measurement. With sand mould as an example，the application and process of 3D scanning detection technology in the mold parts virtual assembly were presented in detail.

3D scanning technology；virtual assembly；digital detection

TG76

A

1001-3539（2016）06-0080-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.06.018

*校級(jí)科技類重點(diǎn)課題（YZK2015018）

聯(lián)系人：劉華剛，副教授，主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)品開發(fā)、逆向技術(shù)及精密制造

2016-03-20