旋壓模具制造精度測量方法研究

王 巍 金文瀚 沙菲尤 海拉爾

(①沈陽航空航天大學航空航天工程學部, 遼寧 沈陽 110136；②沈陽航空航天大學國際教育學院, 遼寧 沈陽 110136)

近年來，隨著模具制造業水平的不斷提高，在航空領域得到了廣泛的應用[1]。模具的尺寸決定了產品的尺寸和精度[2]，因此需要對模具外形的制造精度進行檢測。數字化檢測技術的出現打破了傳統的檢測方式，不僅能夠大幅提高測量速度，而且具備更高的測量精度[3]?；跀底只瘻y量設備研究出一種高效的測量方法，能夠為工藝人員提供準確的誤差報告，以此作為參考調整生產工藝，進而生產出高精度的模具，對于提高模具的生產效率，降低生產成本具有重要的應用價值。接下來針對某型旋壓模具，提出一種精密測量模具外形制造精度的方法。

1 旋壓模具精度測量的基本流程

首先，建立旋壓模具制造精度測量系統，利用關節臂測量機獲取旋壓模具的點云數據，再利用Geomagic Control軟件對點云數據進行處理，如圖1所示；然后根據旋壓模具的特點，制定合適的測量方法，通過創建直線、平面等特征對點云數據進行二維尺寸標注；最后根據測量數據進行旋壓模具制造偏差的評價。

2 點云數據的獲取與預處理

通過搭建測量系統平臺獲取旋壓模具表面的點云數據，并對其進行去除雜質、去除體外孤點、去除噪聲和統一采樣，進而得到高質量點云數據，為后期的二維尺寸標注做準備。

2.1 獲取點云數據

目前主要通過接觸式測量和非接觸式測量來獲取零件表面的點云數據，非接觸式測量具備數據采集速度快、測量精度較高，可以在較短時間內快速采集完整的點云數據[4]。而且旋壓模具表面外形非常光滑，使用激光掃描過程中不會出現掃描盲區，因此可以采用非接觸式測量方式對旋壓模具表面進行全方位掃描。在進行掃描之前，首先固定好旋壓模具，避免掃描時發生移動；再結合模具的安放位置，并且保證能夠一次測量模具最大表面積來選擇關節臂測量機的安放位置，避免多次轉站。因為轉站幾次，就會對應的得到幾塊點云數據，最后要將所有的點云數據拼接在一起，拼接過程中會存在誤差，因此，測量過程中要避免轉站，減少誤差積累。同時由于旋壓模具表面反光率較強，要對其進行噴粉處理，測量過程中，要以適當且穩定的速度移動掃描頭，進而獲得高質量的點云數據，如圖2所示。

2.2 點云數據的預處理

2.2.1 去除雜質點云

由于在掃描旋壓模具過程中，一定會掃描到模具附近的其他區域，出現雜質點云，雜質點云不僅會對后續的誤差分析工作造成影響而且會由于增加點云數量而造成軟件運行速度減慢，影響工作效率。因此，要將雜質點云刪除。

2.2.2 點云的拼接

通常在掃描某些零件過程中，由于無法一次全部掃描到零件表面的全部位置，因此要在兩個或者多個站位下進行掃描，進而獲得多塊點云數據，再通過各個點云數據之間的公共特征(至少3個)將所有的點云數據拼接在一起，最終得到完整的點云數據。

2.2.3 去除體外孤點

在獲取點云過程中，在旋壓模具點云表面會產生一系列的“高點”，這些點孤立在整體點云之外。體外孤點的存在會影響特征曲線擬合時的質量與誤差；在零件檢測中參與點云數據與模型數據的擬合計算，參與表面偏差評定。

2.2.4 去除噪聲

旋壓模具點云在采集過程中，由于外界的因素以及掃描儀本身的原因造成(一類是被測對象表面因素產生的誤差,譬如表面粗糙度、波紋等缺陷;另一類是由測量系統本身引起的誤差,譬如測量設備的精度、CCD攝像機的分辨率、 振動等)，稱之為“噪聲”[5]。

2.2.5 統一采樣

為了得到輕量化的點云數據，即保證點云數據的完整性又盡可能的減小點云的數量大小，加快誤差分析的速度，降低計算機的運算量。因此進行統一采樣處理。

3 旋壓模具制造精度測量方法

為了評價旋壓模具的制造精度是否合格，并將評價結果作為工藝設計人員修改旋壓工藝的參考，通常要對其進行數字化檢測。目前常用的零件表面制造精度的檢測方法是3D檢測，即基于三維軟件，通過將零件表面的點云數據與理論數模進行對比，分析每個位置的偏差。但是該種測量方法只能分析各個點范圍內的制造偏差，因此如果想要分析零件表面在某個截面上的外輪廓制造偏差，該方法將不再適用，因為無法保證選擇的所有點均在同一個的平面上。那么研究出一種更加實用的零件表面制造精度測量方法對于進一步提升零件的制造精度具有重要的應用價值。

3.1 基于點云數據構造輪廓截面交線

利用三維測量軟件可以構造貫穿對象截面，通過貫穿對象截面與點云數據相交，可以得到與該截面相交的點云，在對其進行二維尺寸標注時，軟件可以自動對其進行最佳擬合，即可得到點云數據在該平面上的交線，并得到對應的尺寸，如圖3所示。最后通過調整貫穿對象截面的位置得到不同高度處的截面交線。

3.2 基于點云數據創建最高點

如圖4所示，該旋壓模具主要由半球段、過渡段(圓錐)和圓柱段三部分組成。

Z軸與旋壓模具的軸線重合，通過創建多個與XOY平面平行的貫穿對象截面與點云數據相交得到不同高度位置的截面點云數據，即得到點云在橫向不同高度處的截面圓；再通過創建穿過Z軸的貫穿對象截面，得到在縱向不同位置處的截面交線。

根據工藝設計人員的要求，在創建橫向的不同截面時，需要以通過Z軸和點云數據交點(即點云的最高點)的平面為基準，依次得到其他位置的平面，能否得到相對準確的點云最高點至關重要，因此需要研究出一種創建點云最高點的方法。

首先，利用三維測量軟件特征構造功能中的“圓錐體”擬合功能對過渡段點云進行擬合得到圓錐體的軸線，即點云的中心軸線；在利用“點”功能中的“圓錐體”選項得到圓錐的頂點，進而利用“平面創建”功能中的“垂直于軸”功能，通過選擇上述創建的點和軸，得到平行于XOY平面的平面，命名為平面1，如圖5所示。

基于該平面創建一個貫穿對象截面，而且可以調整貫穿對象截面的厚度，當貫穿對象截面的厚度大于零時，如果此時貫穿對象截面與點云相交，圖形顯示窗口可以顯示出當前平面與點云相交的點的數量，因此可以利用貫穿對象截面的這個性質得到點云最高點。

通過“貫穿對象截面”功能，在對話框中進行設置，此時將貫穿對象截面厚度設置為0.01 mm，定義平面設置為平面1，通過位置度的數值，即可完成貫穿對象截面的創建，位置度設置的數值為多少，貫穿對象截面就會距離定義平面1多遠；當調整位置度的數值時，貫穿對象截面的位置會在顯示窗口實時更新，當調整到與點云最高點的距離比較小時，此時通過選擇“計算”功能便可在圖形顯示窗口中顯示與貫穿對象截面相交的點云數量，以此為依據來調整貫穿對象截面的位置。采用先粗調再細調的方法，依次以1 mm、0.1 mm、0.01 mm的步距調節貫穿對象截面的位置，在平移的過程中觀察圖形顯示窗口，直到出現向Z軸正方偏移0.01 mm后，圖形顯示窗口顯示相交的點云數量為0時，再將貫穿對象截面沿Z軸負方向偏移0.01 mm，會顯示與點云相交，便可以認定為貫穿對象截面與半球段相切，且切點為點云最高點，如圖6所示，而且精度可以保證在0.02 mm以下，此時位置度的數值即為貫穿對象截面距離平面1的距離。

3.3 基于點云數據標注二維尺寸

由上述位置度的數值可知點云最高點至平面1的距離，因此利用軟件“平面”功能中的“平面偏移”選項，將平面1平移同樣的距離，即與點云最高點相切。根據工藝人員的要求，以該平面為基準依次沿Z軸負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“貫穿截面對象”功能，分別創建對應高度的貫穿對象截面，在創建過程中，定義平面設置成對應高度的平面，即可得到與該平面重合的貫穿對象截面。

通過“平面創建”功能中的“貫通軸”選項，通過選擇點云軸線和圓錐頂點創建通過點云軸線的平面，同上，在該平面處創建貫穿對象截面，得到相交點云，如圖8所示。

最后利用“2D尺寸”功能對上述的截面與截面之間的距離、與截面相交點云的直徑、點云與點云之間的角度等進行二維標注，得到對應的測量值，如圖9所示，并將測量值與理論值進行對比，得出偏差值。

4 結語

通過激光掃描設備獲取旋壓模具表面的點云數據，并對其進行有效的預處理，獲得高質量的點云數據?；邳c云數據，結合應用軟件的不同功能，利用貫穿對象截面的特有性質精確地尋找到旋壓模具點云的最高點，進而找到通過點云最高點的平面，以此為基準通過平移得到不同高度的平面。再利用三維測量軟件的相關功能依次對不同平面處的點云輪廓進行擬合，得到對應的曲線、直線等二維特征。最后對各個特征之間進行二維尺寸標注，通過與理論值進行對比得出制造偏差。實踐證明，該方法行之有效，對于提高旋壓模具的制造精度具備一定的應用價值。

[1]劉斌,崔志杰,陳昌乾.模具檢測技術現狀及發展趨勢[J].模具工業,2017, 43(5):1-6.

[2]王幸運,梁靜,張小明，等.半球形殼體旋壓工藝與模具設計[J].鍛壓技術,2017, 42(6):145-149.

[3]史建華.基于激光跟蹤儀的復合材料構件成型模具檢測[J].上海計量測試,2012 (227):22-31.

[4]金鑫,何雪明,楊磊，等.基于Imageware和UG的汽車內飾件的逆向設計[J].機械設計與制造,2009(6):40-42.

[5]劉美麗.激光再制造機器人系統中缺陷零件三維形貌重建[D].天津:天津工業大學,2010.