吳月仙，李 華，張 敏，程麗娜，吳東霞，李海波

（中策橡膠集團股份有限公司，浙江 杭州 310018）

輪胎的外觀、安全性、用戶體驗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行測量。但是由于測量點位有限，只能靠以點代面的方法來判斷花紋塊的整體精度，無法直觀地表達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，同時受個人經(jīng)驗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)備對輪胎進行掃描，通過采集輪胎表面的點云數(shù)據(jù)，對其進行包括投影、體素化、轉(zhuǎn)化為深度圖等處理逆向設(shè)計出高精度輪胎三維模型，由此正向設(shè)計出輪胎花紋塊模具[6-10]。3D掃描技術(shù)也經(jīng)常應(yīng)用到輪胎模具驗收及檢測中，將掃描的點云數(shù)據(jù)模型和模具加工原始3D數(shù)字化模型圖進行對比，實現(xiàn)對模具整體偏差、重要截面以及尺寸精度的檢測，提高輪胎模具驗收/檢測精度及效率，為模具制造質(zhì)量及日常維護保養(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云數(shù)據(jù)，在Geomagic Qualify軟件中進行點云數(shù)據(jù)處理及數(shù)字化模型擬合對比，實現(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?？紤]工作現(xiàn)場的適應(yīng)性和價格等因素，從上述3個產(chǎn)品中各選擇1個便攜式掃描儀進行實測對比，掃描內(nèi)容為輪胎局部和模具塊（含鋼片），評價項目主要為易用性（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。形 創(chuàng)（型 號HandySCAN 700TM）和H公司掃描儀掃描時間約為5 min，需對被測產(chǎn)品進行貼點。先掃描標(biāo)準(zhǔn)貼點板，然后掃描貼點產(chǎn)品，可隨意移動被測產(chǎn)品；F公司掃描儀掃描時間約為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。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，并進行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)整角度補掃鋼片數(shù)據(jù)時掃描臂調(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，在每個項目開始前都應(yīng)當(dāng)進行校準(zhǔn)，如圖4所示。校準(zhǔn)時，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點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。在掃描對象上定位標(biāo)點，標(biāo)點間距在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?；y塊模具掃描標(biāo)點一般采用25～30 mm間距。注意標(biāo)點不宜添加過多，以免后期處理困難。

2.2 點云掃描獲取

利用形創(chuàng)掃描儀對被檢測花紋塊進行掃描，并實時觀察工作臺顯示屏中的掃描結(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)點位置不變，無需重新定位掃描對象。掃描數(shù)據(jù)即原始點云，以STL文件保存，如圖5所示。

圖5 原始點云數(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，不可避免地會將環(huán)境中的非檢測對象數(shù)據(jù)一起獲取。同時，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，獲取的點云數(shù)據(jù)或存在缺口和大量噪點等情況[4]。因此，對掃描所得的原始點云數(shù)據(jù)，需要在Geomagic Qualify軟件中進行刪除多余數(shù)據(jù)、填充缺口及除噪點等相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，處理結(jié)果如圖6 所示。

圖6 處理后的點云數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)字化模型對比分析

將原始設(shè)計數(shù)字化模型作為參考對象、處理后的點云數(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云數(shù)據(jù)與原始數(shù)字化模型進行擬合。根據(jù)現(xiàn)場模具使用規(guī)范，將掃描點與理論模型偏差值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點數(shù)量為0，即該花紋塊滿足設(shè)置的模具精度要求。同時從色譜圖還發(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行及時修復(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，為了驗證該現(xiàn)象是否為鑲釘高度異常導(dǎo)致，需對其高度進行精確測量。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鑲釘?shù)母叨仁欠穸荚谠试S范圍內(nèi)，對其進行3D掃描。冬季輪胎花紋塊鑲釘如圖8所示，掃描點云數(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云數(shù)據(jù)測量

利用Geomagic Qualify軟件對鑲釘?shù)膾呙椟c云數(shù)據(jù)進行特征擬合，測量鑲釘?shù)母叨?，通過與原始設(shè)計高度進行對比，從而判斷該模具鑲釘高度是否達標(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)點等一系列操作，實現(xiàn)便捷的3D掃描。然后對掃描得到的點云數(shù)據(jù)進行刪除多余數(shù)據(jù)、填充缺口及除噪點等相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，從而得到高精度的模具模型。將設(shè)計原始數(shù)字化模型與掃描的模具模型進行對比，直觀地反映模具型面的磨損和變形情況，實現(xiàn)對模具的有效檢測。同時，對關(guān)鍵特征的幾何尺寸進行精確測量，有助于提高定期檢測效率和精度，加強模具保養(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)計和輪胎使用品質(zhì)追蹤等方面。