當代數字機床刀具的光學3D掃描數字化模型研究

馬冬雪 孟麗華 李瑩 郭秉坤

摘要：智能制造是當今工業領域的重要話題，數字化機床是智能制造不斷深入發展的重要工具。數字化機床中，刀具磨損對切削力有十分重要影響，且對刀具顫振也有一定影響，本文提供了一種優秀的數字三維模型采集方法（GOM ATOS Triple Scan系統），在論文的主體部分，詳細描述了所選物體的具體三維掃描過程。本文的研究為三維掃描小尺寸的零件提供最佳的選擇（數字機床刀具）。通過對比顏色偏差圖研究了球頭立銑刀的磨損問題，期待本文的研究對相關工業的發展有所啟迪。

關鍵詞：機床刀具;三維掃描;數字化建模;磨損;計算機輔助設計

0? 引言

目前，隨著我國智能制造4.0概念在制造業中的不斷滲透，計算機輔助技術成為智能化制造的重要基礎手段，所謂逆向工程是指利用合適的計算機輔助技術，對現有的真實物體生成計算機數字模型的過程[1，2]。獲得的計算機數字化模型可應用于工程設計、仿真、有限元分析等特定場合中[3]，然而，當代數字機床中切削等工具[4]的三維掃描應變研究不如自由曲面或各種機械零件的廣泛。原因之一可能是缺乏三維數字化設備。三維數字化設備能夠數字化的刀具資源。其零件（如切削刃）具有較高的精度要求（如切削工具為百分之一毫米）[5，6]。本文使用了光學GOM ATOS Triple Scan系統，對某球頭立銑刀進行了光學3D掃描，并建立了數字化模型。本文的研究為三維掃描小尺寸的零件提供最佳的選擇（數字機床刀具），并通過對比顏色偏差圖研究了球頭立銑刀的磨損問題，期待本文的研究對相關工業的發展有所啟迪。

1? 球頭立銑刀的數字化建模過程

兩個球頭立銑刀型號為：970L100-TRIBON 10x15x125 R0.5 D10，如圖1所示，其中一個是未使用的（左），另一個已被使用（右）。

球頭立銑刀主要用于具有自由曲面的型腔銑削加工。在磨損研究方面，數字化的一個重要部分是工具的端頭建模[7]。掃描小零件數字化范圍內的刃口，采用直徑為0.4mm的未編碼參考點進行數字化[8]。為了更好地對齊，有必要將刀頭與刀架的一部分一起掃描（圖1所示）。由于球頭立銑刀的切削刃上有光澤的表面和銳角，因此用酒精稀釋的鈦粉混合物噴涂在切削刃周圍區域。使用噴槍將該混合物施加到掃描對象上[9，10]。

兩個刀頭的數字化運行是相同操作。在3D掃描儀傳感器下方的桌子上建立模型，每次測量（掃描）后，刀頭圍繞旋轉軸旋轉約20°，因此可以看到先前掃描位置上的參考點（要求將兩個連續的測量結果縫合在一起掃描）。捕獲刀頭的整個周邊之后，3D掃描儀將測量體積的一半移向刀架，此偏移約為10-15mm。同樣，必須讓攝像機至少保留三個可見點。在每次移動20°旋轉掃描后，不再需要將掃描區域移動到柄的高度，而是將其旋轉到大約45°即可（旋轉始終取決于可見點的數量）。在圖2上是藍光在掃描對象上的投影，并利用GOM ATOS Professional v7 SR2軟件進行數字化模型的建模，如圖3所示。

2? 數字化模型細節

如圖4是數字化模型的細節，也就是所謂的多邊形數字模型。在圖3和圖4中，我們可以看到，在每一個參考點被卡住的地方，都會在多邊形化后出現一個孔。這些洞必須堵住，下面我們介紹兩種方法。

如圖4所示，是孔洞填補完成后的效果。第一種方法，填充這些孔洞需要使用軟件GOM ATOS的專業功能，稱為“填充參考點”，意思是，GOM ATOS專業軟件自動填補空白，留下他們的參考點。當使用軟件特性進行自動補孔時，在某些情況下，補孔區域效果并不是最佳的。多邊形化也是在沒有自動填充孔的情況下完成的，這些孔隨后被手動填充。第二種方法，在手動補孔時，軟件用戶可以通過改變參數來改變補孔的外觀。實際操作過程中，相比自動填補孔來說，大規模的手動填補似乎是一個更糟糕的選擇。在多邊形化之后，使用的是GOM ATOS Professional軟件導出，即STL格式的數字模型。參考模型為未使用的球頭立銑刀的掃描模型。在這種情況下，我們想知道使用過的工具與未使用的工具有何不同。

3? 刀頭的數字化模型比較

捕獲偏差顏色分布圖的第一步是將兩個數字模型相對對齊。可以通過“局部最佳擬合”和“預對準”兩個功能來實現。“預對準”功能是一種基本對準，也就是所謂的“第一模型對齊”[5，9]。軟件通過它們的整個表面相似性建立數字模型，找到最常見的區域并計算“平均”位置。其他的比較也可以在此建立之后編譯。一種選擇是在相同的位置建立數字模型坐標系，并進行校準。此選項主要用于“正方體”及形狀相似的零件。在旋轉零件（如球頭立銑刀）的情況下，坐標系的定位（旋轉）是比較困難的。坐標系放置在同一點，Z軸通過工具的旋轉軸。問題是X軸和y軸的設置，他們的方向在兩個數字模型上無法協調。

本文的目的是比較兩個刀具的尖端有什么不同。在圖5中顯示了刀具在兩個確定位置上的切削刃。在所有的圖像上，黑點（除了切割邊緣）是由粘貼和后來的數字填充參考點造成的。規模偏差設定為±0.02mm。

在圖5中可以看到，兩種擬合方法均顯示，切削刃上的偏差值以負數表示，這意味著在球頭立銑刀的切削刃上有材料損失。在銑刀尖端和刀刃區域的0.01mm的不同設定值（“預對準”與“局部最佳配合”）中，值都沒有變化。但是，兩個數字模型的刀刃都是可能由于掃描部分四舍五入導致評估有一定的不確定性。本文目標是將這兩種工具數字化，并比較它們的3D模型。為了更好地記錄下切割邊緣，還對其進行了噴涂。通過對兩個掃描的數字模型進行CAD比較并評估色偏圖（圖5），可以實現對工具磨損的研究。發現在使用過的工具的切削刃上會出現輕微的材料損失。根據顏色偏差圖，刀沿上的刀具磨損參數值為-0.02mm。

4? 結論

綜上所述，GOM ATOS Triple Scan系統提供了一種優秀的數字三維模型采集方法。本文的研究為三維掃描小尺寸的零件提供最佳的選擇（數字機床刀具）。具體來說，改進小零件三維掃描的方法是在三維掃描過程中，使被掃描零件夾緊方式更加精確，對零件的操作更加精確。五軸精加工條件下刀具的磨損研究是一個重要且前沿的研究領域。刀具磨損對切削力有十分重要影響，且對刀具顫振也有一定影響，本文的研究有望對類似領域的研究提供借鑒和參考。

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