王 巍 金文瀚 沙菲尤 海拉爾

(①沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部, 遼寧 沈陽(yáng) 110136；②沈陽(yáng)航空航天大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110136)

近年來(lái)，隨著模具制造業(yè)水平的不斷提高，在航空領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。模具的尺寸決定了產(chǎn)品的尺寸和精度[2]，因此需要對(duì)模具外形的制造精度進(jìn)行檢測(cè)。數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)的檢測(cè)方式，不僅能夠大幅提高測(cè)量速度，而且具備更高的測(cè)量精度[3]。基于數(shù)字化測(cè)量設(shè)備研究出一種高效的測(cè)量方法，能夠?yàn)楣に嚾藛T提供準(zhǔn)確的誤差報(bào)告，以此作為參考調(diào)整生產(chǎn)工藝，進(jìn)而生產(chǎn)出高精度的模具，對(duì)于提高模具的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本具有重要的應(yīng)用價(jià)值。接下來(lái)針對(duì)某型旋壓模具，提出一種精密測(cè)量模具外形制造精度的方法。

1 旋壓模具精度測(cè)量的基本流程

首先，建立旋壓模具制造精度測(cè)量系統(tǒng)，利用關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)獲取旋壓模具的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用Geomagic Control軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖1所示；然后根據(jù)旋壓模具的特點(diǎn)，制定合適的測(cè)量方法，通過(guò)創(chuàng)建直線(xiàn)、平面等特征對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行二維尺寸標(biāo)注；最后根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行旋壓模具制造偏差的評(píng)價(jià)。

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取與預(yù)處理

通過(guò)搭建測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)獲取旋壓模具表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行去除雜質(zhì)、去除體外孤點(diǎn)、去除噪聲和統(tǒng)一采樣，進(jìn)而得到高質(zhì)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為后期的二維尺寸標(biāo)注做準(zhǔn)備。

2.1 獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)

目前主要通過(guò)接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量來(lái)獲取零件表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，非接觸式測(cè)量具備數(shù)據(jù)采集速度快、測(cè)量精度較高，可以在較短時(shí)間內(nèi)快速采集完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[4]。而且旋壓模具表面外形非常光滑，使用激光掃描過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)掃描盲區(qū)，因此可以采用非接觸式測(cè)量方式對(duì)旋壓模具表面進(jìn)行全方位掃描。在進(jìn)行掃描之前，首先固定好旋壓模具，避免掃描時(shí)發(fā)生移動(dòng)；再結(jié)合模具的安放位置，并且保證能夠一次測(cè)量模具最大表面積來(lái)選擇關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的安放位置，避免多次轉(zhuǎn)站。因?yàn)檗D(zhuǎn)站幾次，就會(huì)對(duì)應(yīng)的得到幾塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最后要將所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在一起，拼接過(guò)程中會(huì)存在誤差，因此，測(cè)量過(guò)程中要避免轉(zhuǎn)站，減少誤差積累。同時(shí)由于旋壓模具表面反光率較強(qiáng)，要對(duì)其進(jìn)行噴粉處理，測(cè)量過(guò)程中，要以適當(dāng)且穩(wěn)定的速度移動(dòng)掃描頭，進(jìn)而獲得高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖2所示。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

2.2.1 去除雜質(zhì)點(diǎn)云

由于在掃描旋壓模具過(guò)程中，一定會(huì)掃描到模具附近的其他區(qū)域，出現(xiàn)雜質(zhì)點(diǎn)云，雜質(zhì)點(diǎn)云不僅會(huì)對(duì)后續(xù)的誤差分析工作造成影響而且會(huì)由于增加點(diǎn)云數(shù)量而造成軟件運(yùn)行速度減慢，影響工作效率。因此，要將雜質(zhì)點(diǎn)云刪除。

2.2.2 點(diǎn)云的拼接

通常在掃描某些零件過(guò)程中，由于無(wú)法一次全部掃描到零件表面的全部位置，因此要在兩個(gè)或者多個(gè)站位下進(jìn)行掃描，進(jìn)而獲得多塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過(guò)各個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的公共特征(至少3個(gè))將所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在一起，最終得到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2.3 去除體外孤點(diǎn)

在獲取點(diǎn)云過(guò)程中，在旋壓模具點(diǎn)云表面會(huì)產(chǎn)生一系列的“高點(diǎn)”，這些點(diǎn)孤立在整體點(diǎn)云之外。體外孤點(diǎn)的存在會(huì)影響特征曲線(xiàn)擬合時(shí)的質(zhì)量與誤差；在零件檢測(cè)中參與點(diǎn)云數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的擬合計(jì)算，參與表面偏差評(píng)定。

2.2.4 去除噪聲

旋壓模具點(diǎn)云在采集過(guò)程中，由于外界的因素以及掃描儀本身的原因造成(一類(lèi)是被測(cè)對(duì)象表面因素產(chǎn)生的誤差,譬如表面粗糙度、波紋等缺陷;另一類(lèi)是由測(cè)量系統(tǒng)本身引起的誤差,譬如測(cè)量設(shè)備的精度、CCD攝像機(jī)的分辨率、 振動(dòng)等)，稱(chēng)之為“噪聲”[5]。

2.2.5 統(tǒng)一采樣

為了得到輕量化的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性又盡可能的減小點(diǎn)云的數(shù)量大小，加快誤差分析的速度，降低計(jì)算機(jī)的運(yùn)算量。因此進(jìn)行統(tǒng)一采樣處理。

3 旋壓模具制造精度測(cè)量方法

為了評(píng)價(jià)旋壓模具的制造精度是否合格，并將評(píng)價(jià)結(jié)果作為工藝設(shè)計(jì)人員修改旋壓工藝的參考，通常要對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化檢測(cè)。目前常用的零件表面制造精度的檢測(cè)方法是3D檢測(cè)，即基于三維軟件，通過(guò)將零件表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與理論數(shù)模進(jìn)行對(duì)比，分析每個(gè)位置的偏差。但是該種測(cè)量方法只能分析各個(gè)點(diǎn)范圍內(nèi)的制造偏差，因此如果想要分析零件表面在某個(gè)截面上的外輪廓制造偏差，該方法將不再適用，因?yàn)闊o(wú)法保證選擇的所有點(diǎn)均在同一個(gè)的平面上。那么研究出一種更加實(shí)用的零件表面制造精度測(cè)量方法對(duì)于進(jìn)一步提升零件的制造精度具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

3.1 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造輪廓截面交線(xiàn)

利用三維測(cè)量軟件可以構(gòu)造貫穿對(duì)象截面，通過(guò)貫穿對(duì)象截面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)相交，可以得到與該截面相交的點(diǎn)云，在對(duì)其進(jìn)行二維尺寸標(biāo)注時(shí)，軟件可以自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行最佳擬合，即可得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)在該平面上的交線(xiàn)，并得到對(duì)應(yīng)的尺寸，如圖3所示。最后通過(guò)調(diào)整貫穿對(duì)象截面的位置得到不同高度處的截面交線(xiàn)。

3.2 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建最高點(diǎn)

如圖4所示，該旋壓模具主要由半球段、過(guò)渡段(圓錐)和圓柱段三部分組成。

Z軸與旋壓模具的軸線(xiàn)重合，通過(guò)創(chuàng)建多個(gè)與XOY平面平行的貫穿對(duì)象截面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)相交得到不同高度位置的截面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即得到點(diǎn)云在橫向不同高度處的截面圓；再通過(guò)創(chuàng)建穿過(guò)Z軸的貫穿對(duì)象截面，得到在縱向不同位置處的截面交線(xiàn)。

根據(jù)工藝設(shè)計(jì)人員的要求，在創(chuàng)建橫向的不同截面時(shí)，需要以通過(guò)Z軸和點(diǎn)云數(shù)據(jù)交點(diǎn)(即點(diǎn)云的最高點(diǎn))的平面為基準(zhǔn)，依次得到其他位置的平面，能否得到相對(duì)準(zhǔn)確的點(diǎn)云最高點(diǎn)至關(guān)重要，因此需要研究出一種創(chuàng)建點(diǎn)云最高點(diǎn)的方法。

首先，利用三維測(cè)量軟件特征構(gòu)造功能中的“圓錐體”擬合功能對(duì)過(guò)渡段點(diǎn)云進(jìn)行擬合得到圓錐體的軸線(xiàn)，即點(diǎn)云的中心軸線(xiàn)；在利用“點(diǎn)”功能中的“圓錐體”選項(xiàng)得到圓錐的頂點(diǎn)，進(jìn)而利用“平面創(chuàng)建”功能中的“垂直于軸”功能，通過(guò)選擇上述創(chuàng)建的點(diǎn)和軸，得到平行于XOY平面的平面，命名為平面1，如圖5所示。

基于該平面創(chuàng)建一個(gè)貫穿對(duì)象截面，而且可以調(diào)整貫穿對(duì)象截面的厚度，當(dāng)貫穿對(duì)象截面的厚度大于零時(shí)，如果此時(shí)貫穿對(duì)象截面與點(diǎn)云相交，圖形顯示窗口可以顯示出當(dāng)前平面與點(diǎn)云相交的點(diǎn)的數(shù)量，因此可以利用貫穿對(duì)象截面的這個(gè)性質(zhì)得到點(diǎn)云最高點(diǎn)。

通過(guò)“貫穿對(duì)象截面”功能，在對(duì)話(huà)框中進(jìn)行設(shè)置，此時(shí)將貫穿對(duì)象截面厚度設(shè)置為0.01 mm，定義平面設(shè)置為平面1，通過(guò)位置度的數(shù)值，即可完成貫穿對(duì)象截面的創(chuàng)建，位置度設(shè)置的數(shù)值為多少，貫穿對(duì)象截面就會(huì)距離定義平面1多遠(yuǎn)；當(dāng)調(diào)整位置度的數(shù)值時(shí)，貫穿對(duì)象截面的位置會(huì)在顯示窗口實(shí)時(shí)更新，當(dāng)調(diào)整到與點(diǎn)云最高點(diǎn)的距離比較小時(shí)，此時(shí)通過(guò)選擇“計(jì)算”功能便可在圖形顯示窗口中顯示與貫穿對(duì)象截面相交的點(diǎn)云數(shù)量，以此為依據(jù)來(lái)調(diào)整貫穿對(duì)象截面的位置。采用先粗調(diào)再細(xì)調(diào)的方法，依次以1 mm、0.1 mm、0.01 mm的步距調(diào)節(jié)貫穿對(duì)象截面的位置，在平移的過(guò)程中觀察圖形顯示窗口，直到出現(xiàn)向Z軸正方偏移0.01 mm后，圖形顯示窗口顯示相交的點(diǎn)云數(shù)量為0時(shí)，再將貫穿對(duì)象截面沿Z軸負(fù)方向偏移0.01 mm，會(huì)顯示與點(diǎn)云相交，便可以認(rèn)定為貫穿對(duì)象截面與半球段相切，且切點(diǎn)為點(diǎn)云最高點(diǎn)，如圖6所示，而且精度可以保證在0.02 mm以下，此時(shí)位置度的數(shù)值即為貫穿對(duì)象截面距離平面1的距離。

3.3 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)標(biāo)注二維尺寸

由上述位置度的數(shù)值可知點(diǎn)云最高點(diǎn)至平面1的距離，因此利用軟件“平面”功能中的“平面偏移”選項(xiàng)，將平面1平移同樣的距離，即與點(diǎn)云最高點(diǎn)相切。根據(jù)工藝人員的要求，以該平面為基準(zhǔn)依次沿Z軸負(fù)方向平移不同的距離，得到不同高度的平面，如圖7所示。然后利用“貫穿截面對(duì)象”功能，分別創(chuàng)建對(duì)應(yīng)高度的貫穿對(duì)象截面，在創(chuàng)建過(guò)程中，定義平面設(shè)置成對(duì)應(yīng)高度的平面，即可得到與該平面重合的貫穿對(duì)象截面。

通過(guò)“平面創(chuàng)建”功能中的“貫通軸”選項(xiàng)，通過(guò)選擇點(diǎn)云軸線(xiàn)和圓錐頂點(diǎn)創(chuàng)建通過(guò)點(diǎn)云軸線(xiàn)的平面，同上，在該平面處創(chuàng)建貫穿對(duì)象截面，得到相交點(diǎn)云，如圖8所示。

最后利用“2D尺寸”功能對(duì)上述的截面與截面之間的距離、與截面相交點(diǎn)云的直徑、點(diǎn)云與點(diǎn)云之間的角度等進(jìn)行二維標(biāo)注，得到對(duì)應(yīng)的測(cè)量值，如圖9所示，并將測(cè)量值與理論值進(jìn)行對(duì)比，得出偏差值。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)激光掃描設(shè)備獲取旋壓模具表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行有效的預(yù)處理，獲得高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合應(yīng)用軟件的不同功能，利用貫穿對(duì)象截面的特有性質(zhì)精確地尋找到旋壓模具點(diǎn)云的最高點(diǎn)，進(jìn)而找到通過(guò)點(diǎn)云最高點(diǎn)的平面，以此為基準(zhǔn)通過(guò)平移得到不同高度的平面。再利用三維測(cè)量軟件的相關(guān)功能依次對(duì)不同平面處的點(diǎn)云輪廓進(jìn)行擬合，得到對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)、直線(xiàn)等二維特征。最后對(duì)各個(gè)特征之間進(jìn)行二維尺寸標(biāo)注，通過(guò)與理論值進(jìn)行對(duì)比得出制造偏差。實(shí)踐證明，該方法行之有效，對(duì)于提高旋壓模具的制造精度具備一定的應(yīng)用價(jià)值。

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