基于3D掃描的車輪外觀造型曲面檢測

閆勝昝，劉偉鵬，王樹山

(1. 安慶師范學院 計算機與信息學院， 安徽 安慶 246052；2. 萬豐奧特集團奧威汽輪股份有限公司， 浙江 新昌 523001)

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基于3D掃描的車輪外觀造型曲面檢測

閆勝昝1，劉偉鵬2，王樹山2

(1. 安慶師范學院 計算機與信息學院， 安徽 安慶 246052；2. 萬豐奧特集團奧威汽輪股份有限公司， 浙江 新昌 523001)

摘要：結合3D激光掃描、逆向造型及三維CAD技術，根據鋁合金車輪設計標準的要求設定檢測精度，對鋁合金車輪的外觀造型曲面進行質量檢測分析，檢測結果可準確地指導車輪鑄造模具的修正，減少或避免不合格品的產生，實測結果表明，該方法具有較高的工程實用價值。

關鍵詞：鋁合金車輪；3D掃描；逆向造型；外觀造型面

鋁合金車輪是當今主流交通工具汽車的重要安全部件之一[1]，能提升整車外觀效果，因此車輪外觀造型設計也是整車工業設計中重點考慮的一部分[2]。車輪外觀表面的設計通常為自由曲面，沒有固定的參數，而且鋁合金車輪外觀表面的制造多為鑄造表面，且后續不再對其進行加工，外觀造型的復雜性、多樣性也給車輪成品的外觀面檢測帶來了一定的難度。CAD，3D掃描和逆向工程技術的發展，使得原來只能依靠千分尺、游標卡尺、量規、三坐標儀等量具和設備進行的檢測，尤其是對于之前無法檢測或很難檢測的部位，又有了新的檢測方法[3-4]。鋁合金車輪產品多為批量生產，因此，批量前確認生產實物與設計造型是否一致，顯得尤為重要，檢測的效率和檢測結果的可信度直接影響批量投產的及時性和批量產品的質量，該方法的應用將充分體現和發揮計算機技術的優勢。本文針對鋁合金車輪外觀面這一多變、復雜又不規則的曲面的檢測問題，利用CAD技術、3D掃描技術和逆向工程技術相結合的方法，進行制造部件與3D模型的符合性評價分析，說明3D掃描在鋁合金車輪設計、制造及外觀造型檢測中的應用。

1車輪CAD模型的3D設計

在二維AutoCAD制圖軟件中進行設計的基礎上，再在大型三維CAD造型軟件UG NX7.5中，按車輪設計ETRTO 2009歐洲輪胎輪輞標準[5]，JATMA 2011日本輪胎輪輞標準[6]的具體要求，逐步建立鋁合金車輪的三維CAD實體模型。整個車輪三維CAD模型的設計主要分三步進行。

首先，在AutoCAD中繪制車輪結構的主視圖及剖視圖，其中輪輞部分的尺寸體現在剖視圖上，根據輪輞標準要求進行設計。再根據車輪承載要求，設計輪輞部分的厚度、輪輻的厚度。

其次，在UG軟件中導入DWG/DXF格式文件，將前述在AutoCAD中繪制的半個剖視圖(對稱結構)和部分主視圖(根據主視圖的對稱性選取)導入，打開相應的圖層，并將剖視圖旋轉90度，使其與主視圖所在平面垂直。

然后，將導入的剖視圖中的輪輞部分旋轉360°生成整個車輪的輪輞，并將剖視圖中的輪輻形狀旋轉一定角度(根據輪輻數量及其對稱性確定，如為五輪輻結構車輪，則旋轉72°，-36°～36°)，獲得初始的輪輻設計結構實體，再根據設計意圖，通過UG的曲面設計命令，設計復雜非規則形狀的輪輻結構面，用這些曲面去修剪旋出的輪輻實體，即可以獲得最終輪輻實體，將輪輻實體進行陣列得到全部輪輻，輪輻與輪輞求和生成整個車輪結構的實體3D模型。

圖1為車輪實體設計3D模型。該實體模型為五輪輻結構，且每個輪輻本身又為對稱結構，因此可首先生成車輪結構的十分之一，再通過對稱、陣列而獲得整個車輪結構的實體模型。

2車輪模具制作及鑄造

2.1　模具設計制作

上述利用UG設計的車輪模型，經過強度、疲勞應力分析，確定設計可行后即進入車輪鑄造模具的設計制作階段，車輪模具的設計仍通過UG軟件進行，結構上主要根據低壓鑄造機的結構及車輪的結構特點進行設計，可用車輪結構的3D實體模型裁剪生成。整個模具分側模、上模和下模三個部分，其中側模又分為四塊，配合安裝在低壓鑄造機上實現側向的開閉，鑄造生成輪輞的外側形狀，該部分為加工區域，因此對鑄造模具無特殊要求，但需要設計合適的鑄造梯度結構，避免鑄造過程中產生過多的縮孔縮松等缺陷；上模為輪輻背側及輪輞內側的形狀，除輪輻背側的掏空部分外也均為加工區域，而輪輻背側掏空部分多為印鑄產品編號、品牌等信息的區域，因此對上模亦無特殊要求；關鍵是車輪模具中的下模，下模為鑄造生成車輪結構整個外觀面的主要模具結構，因為車輪的外觀面多為非加工表面，因此，下模的外觀質量和尺寸形狀是整副模具開制成功與否的關鍵，在模具設計時該部分由車輪結構的外觀面與模具實體相減生成，制作時采用CNC加工中心加線切割，并經手工研磨而成。

在模具的設計制作過程中，除以上結構特點外，為避免縮孔、縮松等鑄造缺陷的產生，保證整個車輪的鑄造質量，往往還要設計一系列的冷卻系統，如氣冷、水冷等管路，這部分結構與鑄造工藝參數結合才能保證產品的鑄造質量，一般先根據模具結構及低壓鑄造機的條件進行各種冷卻管路的布置，再經過鑄造模擬分析，利用如AnyCasting等鑄造軟件進行鑄造過程的模擬仿真，來確定各個管路的開啟、關閉時間、氣溫、水溫等，從而為鑄造生產確定合適的工藝參數。

2.2　車輪鑄造

鋁合金車輪多采用低壓鑄造完成生產，鑄造過程中鋁合金溶液從下向上被壓入模具型腔內，首先充填的是上模與下模之間形成的輪輻部分，車輪外觀面在下，根據鑄造原理，由于車輪外觀面不再進行后續加工，且具有較高要求，所以作為下模。為保證車輪的整體鑄造質量，在上輪輞上還設有多個溢出孔以保證車輪結構的充分充填。低壓鑄造出的鋁合金車輪還要依次經過X光檢測、熱處理、拋丸、機加工、涂裝等工序才能制成成品。然后依據標準進行各種類型的檢測，對于關鍵安裝部位的尺寸、平面度、位置度等可通過相應的量具、儀器和設備進行檢測，而對于非規則造型面的檢測目前無法通過常規儀器準確測量，標準要求車輪的外觀面誤差一般應小于0.5 mm，因此，本文介紹一種利用3D掃描，逆向生成產品3D模型，再用相應軟件將該模型與設計之初建立的實體設計3D模型進行比對的方法，進行車輪外觀面的質量檢測。

3車輪3D掃描與逆向造型

采用最新的手持式3D激光掃描儀Creaform(精度40微米)對車輪成品的外觀面進行掃描。首先，對產品進行預處理，噴涂一層滲透劑以降低產品表面的亮度，避免由于反光影響掃描數據質量，并在產品表面貼一些熒光點，以使掃描儀方便定位和捕捉；其次，打開掃描儀開始掃描，手持掃描儀依次掃掠待檢測區域，儀器自動捕捉熒光點進行立體定位，從而獲得3D立體的掃描數據，掃描儀連接的電腦上掃描軟件窗口會實時顯示已完成掃描位置的圖像，如圖像顯示有缺失位置，還可以對缺失位置進行重復掃描；然后，對掃描得到的數據進行去噪處理，去除一些不需要的數據點及產品外的漂浮點；最后，利用3D掃描儀軟件和掃描得到的數據逆向生成掃描區域的3D模型。

圖2給出了對車輪產品進行噴涂、貼點預處理后的效果圖，圖3為對車輪外觀面進行3D掃描時掃描儀軟件中生成的顯示圖像，圖4為利用3D掃描儀軟件中的去噪處理及逆向造型生成的車輪外觀面模型。

4產品外觀質量檢測

將產品掃描數據生成的模型和車輪實體設計3D模型均導入Geomagic Quality軟件中進行比對分析，導入的掃描模型和設計模型如圖5所示。利用Geomagic Quality軟件中的三維偏差分析，可通過色帶變化的方式顯示兩模型之間的誤差，如圖6所示，其中紅色(用+表示)和藍色(用-表示)分別代表最大正偏差和最大負偏差，綠色(用0表示)為偏差最小為零的區域。通過點取模型上的局部任意位置點可顯示該位置的具體偏差值，如圖7所示，根據X，Y，Z三坐標的正負偏差值大小確定模型調整的方向。

圖2掃描預處理效果圖 圖3產品掃描中圖像顯示

圖4掃描數據生成的模型 圖5導入的掃描模型和設計模型

5結論

利用以上方法，根據綜合比對分析的結果，可給出比對分析報告，從而評定生產實物與原有設計模型是否一致，如果滿足標準要求則可以進入批量生產，反之就要分析原因重新修正。這一質量檢測分析技術的應用，使得大規模批量生產的鋁合金車輪制造企業廢品率大大降低，成品合格率達到99%以上，大大減少企業因報廢、返修造成的成本浪費，有力提高了企業的經濟效益。

圖6偏差分析結果

參考文獻:

[1] 尤金艷. 基于彎曲與徑向疲勞試驗的鋁合金車輪有限元分析[D]. 廣州：華南理工大學, 2013.

[2] 喬文明, 李穎, 王晨. 鋁合金汽車輪轂設計過程探討[J]. 科技創新導報, 2012(24)：18-21.

[3] 李芬, 王凱, 郭超. 淺談三維激光掃描技術原理及應用[J]. 中國科技縱橫, 2012(1)：31-37.

[4] 王婷, 高東強. 基于逆向工程的自由曲面模型重建技術[J]. 陜西科技大學學報(自然科學版), 2011, 29(5)：73-77.

[5] The European Tyre and Rim Technical Organisation. ETRTO STANDARDS MANUAL 2009[S]. Brussels Belgium: E.T.R.T.O. publication, 2009.

[6] 日本自動車タイヤ協會. JATMA YEAR BOOK[S]. 東京: 株式會社シンセイ, 2011.

The Appearance Surface Checking of Aluminum Alloy Wheel Based on 3D Scanning

YAN Sheng-zan1, LIU Wei-peng2, WANG Shu-shan2

(1. Computer and Information institute of Anqing Teachers College, Anqing 246133, China；

2. Wanfeng Wheel Co. Ltd. of Wanfeng Auto Group, Xinchang 523001, China )

Abstract:Combined with 3D laser scanning, reverse modeling and three-dimensional CAD technology, setting the checking precision according to the wheel designing standard, the appearance surface quality of aluminum alloy wheel was checked and analyzed. The check result can guide the modification of the casting mould, which can reduce or avoid scraps. The real check results show that this method has high practical value in engineering.

Key words:aluminum alloy wheel, 3D scanning, reverse modeling, appearance surface

中圖分類號：TP399

文獻標識碼：A

文章編號：1007-4260(2015)01-0036-04

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.01.010

作者簡介：閆勝昝,女,河北辛集人，博士,安慶師范學院計算機與信息學院講師，主要研究計算機技術應用、機械產品結構設計及力學分析、工業設計等。

收稿日期：2014-08-07