文/聶雙喜，汪建余，戴長(zhǎng)征·一汽-大眾汽車(chē)有限公司

隨著科技的飛速發(fā)展，數(shù)字化運(yùn)用越發(fā)廣泛，在汽車(chē)行業(yè)中對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、曲面多變的沖壓件測(cè)量，傳統(tǒng)的測(cè)量方式已逐漸不能滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，掌握數(shù)字化設(shè)備運(yùn)用技術(shù)非常重要，本文以Go Scan Spark彩色3D 掃描儀為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹該設(shè)備利用VXelements 和PolyWorks 兩個(gè)軟件系統(tǒng)，進(jìn)行三維建模采集數(shù)據(jù)，再結(jié)合模具設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行擬合對(duì)比，能有效、快速分析沖壓件問(wèn)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(cè)量環(huán)境和位置的影響，即掃即可實(shí)現(xiàn)幾何信息在掃描定位表面的構(gòu)建。想利用該設(shè)備進(jìn)行擬合需要涉及VXelements( 圖1）、BMW PolyWorks( 圖2） 兩 個(gè) 軟件系統(tǒng)的結(jié)合運(yùn)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(shè)施相對(duì)較少，主要由掃描儀、校準(zhǔn)板、電源線、軟件安裝程序硬盤(pán)組成，掃描儀主要由3 個(gè)幾何形狀跟蹤攝像頭、彩色攝像頭、白光投影儀組成。使用時(shí)白光投影儀投射99 條白線于物體上，再通過(guò)3 個(gè)幾何形狀跟蹤攝像頭在整個(gè)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(shí)時(shí)定位中構(gòu)建表面。當(dāng)對(duì)測(cè)量精度較高、環(huán)境溫度變化較大或運(yùn)輸過(guò)程中受到撞擊時(shí)，則需要利用校準(zhǔn)板對(duì)儀器進(jìn)行重新校準(zhǔn)。

圖3 Go Scan Spark 掃描儀

VXelements 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)用

分辨率設(shè)置

連接設(shè)備后，進(jìn)入VXelements 系統(tǒng)，如圖4 所示在掃描前需進(jìn)行設(shè)置，首先調(diào)整分辨率，該設(shè)備最高分辨率(最小值）為0.2mm(0.008 英寸），一般設(shè)置為0.5mm，可根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行數(shù)值增大和減小，減小會(huì)增加掃描處理時(shí)間，增大則相反。然后需要設(shè)置優(yōu)化模式，一般選擇標(biāo)準(zhǔn)模式足以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)掃描需求，若是有特殊需求則需要手動(dòng)更改參數(shù)。

圖4 分辨率設(shè)置

快門(mén)值設(shè)置

為了攝像頭能最好的識(shí)別激光陣列，根據(jù)掃描表面類(lèi)型設(shè)定快門(mén)速度，調(diào)整掃描配置時(shí)務(wù)必保持最佳距離，測(cè)距儀顯示屏顯示亮綠燈則為合格距離，黃燈和藍(lán)燈則分別表示距離過(guò)遠(yuǎn)或過(guò)近(圖5）。

圖5 測(cè)距儀顏色示意圖

快門(mén)調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)調(diào)節(jié)，軟件可以根據(jù)設(shè)備采集信息進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，點(diǎn)擊掃描頭配置就可進(jìn)入設(shè)置界面，選擇自動(dòng)調(diào)整，此時(shí)點(diǎn)擊掃描頭的激光觸發(fā)按鍵可以自動(dòng)掃描制件表面顏色的反光狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)快門(mén)值。當(dāng)光圖案完全位于要掃描的表面時(shí)，將掃描儀保持在表面上方的適當(dāng)距離，直到出現(xiàn)參數(shù)已優(yōu)化提示，表示自動(dòng)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(shí)物對(duì)整個(gè)光圖案范圍來(lái)說(shuō)太小時(shí)，需選擇手動(dòng)調(diào)節(jié)自定義快門(mén)，表面顏色越深，快門(mén)速度越長(zhǎng)，快門(mén)值可以在0.5ms ～16ms 之間設(shè)定，通過(guò)紅、黃、灰三種顏色判斷最佳時(shí)間，如圖6 所示當(dāng)在適當(dāng)距離掃描物體獲得黃色最多時(shí)，表示已經(jīng)達(dá)到快門(mén)最佳時(shí)間，可以為不同的表面粗糙度保存不同的快門(mén)速度預(yù)設(shè)值。

圖6 手動(dòng)調(diào)節(jié)光圖案樣圖

掃描儀使用

當(dāng)以上參數(shù)均設(shè)置完畢且合理后，即可進(jìn)行掃描?？梢渣c(diǎn)擊軟件的開(kāi)始掃描按鈕或長(zhǎng)按激光觸發(fā)按鍵開(kāi)始掃描，再次單擊觸發(fā)按鍵便激活激光，進(jìn)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(yīng)保持在100%狀態(tài)，可根據(jù)掃描儀上指示燈顏色判斷當(dāng)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(jì)，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(gè)點(diǎn)，不同的掃描路徑，A 圖2 點(diǎn)制件累計(jì)長(zhǎng)度達(dá)4.4m，2 點(diǎn)之間累計(jì)誤差達(dá)0.710mm，B 圖2 點(diǎn)之間最大累計(jì)長(zhǎng)度1.6mm，最大累計(jì)誤差0.290mm，最大程度的縮短采集整個(gè)制件時(shí)兩點(diǎn)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(diǎn)擊開(kāi)始掃描或長(zhǎng)按激光觸發(fā)鍵即可暫時(shí)結(jié)束掃描，注意此時(shí)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(diǎn)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(shè)備進(jìn)行補(bǔ)掃，剩余的粘連部分可以使用自由式框選結(jié)合Ctrl 鍵進(jìn)行刪除。確認(rèn)刪除后點(diǎn)擊軟件里完成按鍵，設(shè)置完成掃描參數(shù)，軟件會(huì)從優(yōu)化定位模型、填充定位目標(biāo)、優(yōu)化邊界精確度等方面進(jìn)行運(yùn)算，此時(shí)軟件會(huì)按照掃描前設(shè)置要求再結(jié)合軟件的優(yōu)化模式對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于高分辨率掃描或者大物件掃描，數(shù)據(jù)結(jié)果生成時(shí)間稍長(zhǎng)，優(yōu)化結(jié)果檢查無(wú)誤后便可進(jìn)行保存，并導(dǎo)出STL 網(wǎng)格。

圖8 處理非制件區(qū)域

PolyWorks 系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用

預(yù)對(duì)齊

打開(kāi)PolyWorks 軟件，點(diǎn)擊(開(kāi)始PolyWorks）按鈕，進(jìn)入界面首先導(dǎo)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(wú)順序要求），設(shè)置CAD 模型也就是數(shù)模為參考對(duì)象，與STL 網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳擬合。若想對(duì)兩個(gè)STL 網(wǎng)格進(jìn)行相互擬合對(duì)比，則需將其轉(zhuǎn)化為參考對(duì)象，當(dāng)作參考基準(zhǔn)。預(yù)對(duì)齊可以選擇自動(dòng)與點(diǎn)對(duì)齊，一般自動(dòng)對(duì)齊即可，有時(shí)制件比較對(duì)稱(chēng)和規(guī)則，但部分細(xì)節(jié)有差異時(shí)，可能系統(tǒng)無(wú)法識(shí)別，導(dǎo)致無(wú)法正常對(duì)齊，因此需要選擇點(diǎn)對(duì)齊。點(diǎn)對(duì)齊一般選擇多點(diǎn)對(duì)齊，至少選擇三個(gè)點(diǎn)，推薦4 個(gè)點(diǎn)。依次點(diǎn)選對(duì)應(yīng)點(diǎn)位置(無(wú)先后要求），選擇完成后手動(dòng)點(diǎn)擊右鍵開(kāi)始對(duì)齊(空格鍵可在點(diǎn)選模式和觀察模式進(jìn)行切換）。

精確對(duì)齊

若無(wú)精確對(duì)齊需求則可跳過(guò)此步驟，在有精確對(duì)齊需求情況下，對(duì)基準(zhǔn)區(qū)域進(jìn)行精確對(duì)齊，按照前期要求尋找CAD 數(shù)模上的基準(zhǔn)區(qū)域，選擇創(chuàng)建基準(zhǔn)目標(biāo)區(qū)域即可。在CAD 數(shù)模上精確的位置創(chuàng)建基準(zhǔn)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(biāo)創(chuàng)建基準(zhǔn)，錨定CAD 數(shù)模上點(diǎn)選區(qū)域。輸入具體數(shù)據(jù)后選擇基準(zhǔn)目標(biāo)標(biāo)簽，按照要求標(biāo)記即可。

如果以圓孔、方孔、長(zhǎng)圓孔等具體的形狀為基準(zhǔn)，需要在CAD 模型上創(chuàng)建具體的形狀。以圓孔為例，點(diǎn)擊創(chuàng)建圓特征，選擇在CAD 模型上點(diǎn)選，最好隱藏STL 網(wǎng)格，以免點(diǎn)錯(cuò)位置，空間坐標(biāo)系也選擇為圖紙上表示的方向。在標(biāo)定的位置點(diǎn)選后創(chuàng)建圓特征，以擬合的方式創(chuàng)建圓特征時(shí)可以修改圓特征的參數(shù)，在右鍵屬性測(cè)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(cè)量值可查看此孔的公差等信息。隨后選擇創(chuàng)建特征基準(zhǔn)目標(biāo)區(qū)域，選擇剛剛創(chuàng)建的圓特征，可以創(chuàng)建以圓為目標(biāo)的基準(zhǔn)目標(biāo)區(qū)域。同理在CAD 數(shù)模上點(diǎn)選對(duì)應(yīng)孔，設(shè)置詳細(xì)參數(shù)后，創(chuàng)建特征參考目標(biāo)點(diǎn)，即可進(jìn)行精確對(duì)齊。

圖9 圓詳細(xì)屬性設(shè)置

圖10 檢查對(duì)齊結(jié)果

全部基準(zhǔn)提取完成后框選全部的基準(zhǔn)，右鍵抽取測(cè)量值，再次右鍵選擇對(duì)齊，可以將STL 網(wǎng)格與CAD 數(shù)模以這些基準(zhǔn)完全貼合至一起?？赡苡袌?bào)錯(cuò)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(shè)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(duì)齊完成后，測(cè)量數(shù)值有兩種方式，一種是用彩圖直接測(cè)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(diǎn)，此功能可以顯示出多項(xiàng)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(duì)象至參考對(duì)象曲面的偏差。此命令既適用于STL 與CAD 之間的對(duì)比，也適用兩個(gè)STL 片體之間的比較，但是如果只想評(píng)價(jià)掃描某一表面結(jié)果的偏差，可以選擇數(shù)據(jù)對(duì)象間隙命令。

圖11 測(cè)量效果圖

圖12 數(shù)字化效果圖

另一種方式為比較點(diǎn)，此功能可以顯示出更多的數(shù)據(jù)，更方便輸出報(bào)告或者分析數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊曲面點(diǎn)，可選擇多項(xiàng)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(diǎn)選，數(shù)據(jù)化可選擇具體坐標(biāo)。

選擇切邊點(diǎn)功能可以比較修邊的距離，但需注意若是兩個(gè)片體之間的比較會(huì)較為不準(zhǔn)，因?yàn)榫W(wǎng)格邊緣破碎比較嚴(yán)重，不建議點(diǎn)選后退點(diǎn)，除非有需求，否則容易出錯(cuò)?？梢砸藻^定和數(shù)字化的方式創(chuàng)建切邊比較點(diǎn)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)創(chuàng)建后無(wú)數(shù)據(jù)或者報(bào)錯(cuò)，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(diǎn)，刪除后退點(diǎn)即可；取消選擇角度即可。

如果我們?cè)趧?chuàng)建剪切點(diǎn)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)不能抽取到數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候可能是零件變形翹邊，我們可以通過(guò)修改參數(shù)的方式得到相應(yīng)的一個(gè)切邊值。右鍵屬性，測(cè)量，將沿邊界的向量改為最高處，并取消勾選最大角度，確認(rèn)即可。最大角度指的是當(dāng)前點(diǎn)或面的法向方向數(shù)模上與STL 的角度。

報(bào)告輸出

如圖13 所示，點(diǎn)擊3D 捕捉按鈕可以制作報(bào)告，報(bào)告格式可進(jìn)行編輯，有幾個(gè)預(yù)設(shè)的格式，可以在工具—選項(xiàng)—對(duì)象—報(bào)告中進(jìn)行修改，也可在此界面選擇圖像的大小，可以選擇在一張報(bào)告上顯示幾張截圖。如果想自行設(shè)計(jì)報(bào)告版式可以右鍵報(bào)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(yù)設(shè)屬性，這些屬性可以在目錄樹(shù)的工件屬性里進(jìn)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(bào)告保存為PDF 格式。

圖13 捕捉3D 場(chǎng)景

使用新建工件功能可批量處理相同的掃描結(jié)果，比如我們掃描了數(shù)個(gè)不同工序的制件，用此功能可以快速處理多個(gè)制件，但是需要注意，使用點(diǎn)對(duì)齊的時(shí)候需要根據(jù)軟件提示點(diǎn)選參考點(diǎn)，此外創(chuàng)建的一些特征也需重新點(diǎn)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(shì)等，使用時(shí)需要先在目錄樹(shù)中選擇需要對(duì)比的數(shù)據(jù)。

其他運(yùn)用

例如我們想評(píng)價(jià)鑲塊底面是否符合標(biāo)準(zhǔn)，既可使用人員著色評(píng)價(jià)，也可使用軟件進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。首先我們需要一個(gè)平面的數(shù)據(jù)，需要在其他建模軟件中創(chuàng)造一個(gè)平板，然后將鑲塊的掃描結(jié)果和平板數(shù)模一起導(dǎo)入軟件中。既可兩個(gè)STL 網(wǎng)格，也可一個(gè)網(wǎng)格一個(gè)數(shù)模，但是兩個(gè)STL 網(wǎng)格時(shí)需要將基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為參考對(duì)象。此時(shí)，我們導(dǎo)入的兩個(gè)形狀并不相同，我們只需將平面部分進(jìn)行擬合，并不需要也不能進(jìn)行最佳擬合，此時(shí)需要平面、軸、中心點(diǎn)對(duì)齊命令。首先創(chuàng)建一個(gè)平面，如果導(dǎo)入的是數(shù)模，可以選擇在CAD 上點(diǎn)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(diǎn)，選擇創(chuàng)建直線特征命令(圖14），選擇錨定，點(diǎn)選平面上的兩個(gè)點(diǎn)，即可創(chuàng)建一條直線。選擇創(chuàng)建點(diǎn)特征命令，在目錄樹(shù)中選擇剛剛創(chuàng)建的直線，便可在直線的起點(diǎn)和終點(diǎn)各創(chuàng)建一個(gè)點(diǎn)。在進(jìn)行平面、軸、中心點(diǎn)對(duì)齊的時(shí)候建議刪除其中一個(gè)點(diǎn)，以防對(duì)齊出現(xiàn)意外。

圖14 錨定兩點(diǎn)創(chuàng)建直線特征

按照此方法繼續(xù)在另一個(gè)件上創(chuàng)建點(diǎn)線面，擁有兩套點(diǎn)線面后便可對(duì)齊，如只想對(duì)比兩個(gè)平面的話只用兩個(gè)平面也可擬合，不用點(diǎn)和線。選擇平面、軸、中心點(diǎn)對(duì)齊，選擇兩個(gè)平面，注意選擇源和目標(biāo)，源指的是掃描結(jié)果，目標(biāo)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(duì)齊。另外還需注意有時(shí)掃描結(jié)果的法向與參考目標(biāo)的法向不一致，此時(shí)需要將在掃描結(jié)果上創(chuàng)建的平面法向反轉(zhuǎn)。

如果我們之前導(dǎo)入的是STL 和數(shù)模，那么我們只需按照前文的彩圖方式進(jìn)行對(duì)比即可。如果我們之前導(dǎo)入的是兩個(gè)STL，其中一個(gè)需轉(zhuǎn)換為參考對(duì)象，此時(shí)需要將參考對(duì)象轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)據(jù)對(duì)象，轉(zhuǎn)換完成后選擇數(shù)據(jù)對(duì)象間隙命令，確認(rèn)選擇了兩個(gè)STL，即可創(chuàng)建彩圖(圖15）。

圖15 最終效果圖

結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化設(shè)備在汽車(chē)行業(yè)中的運(yùn)用已逐漸廣泛，本文以Go Scan Spark 彩色3D 掃描儀為例，詳細(xì)介紹了該設(shè)備與VXelements、PolyWorks 系統(tǒng)的運(yùn)用步驟和功能使用。在沖壓領(lǐng)域可輔助用于模具零部件、沖壓件的面品和尺寸分析，可準(zhǔn)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(xiàng)目模具提供技術(shù)儲(chǔ)備，后續(xù)將運(yùn)用于沖壓更多工序，進(jìn)一步提高質(zhì)量水平。