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(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院， 安徽 安慶 246052；2. 萬豐奧特集團(tuán)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(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院， 安徽 安慶 246052；2. 萬豐奧特集團(tuán)奧威汽輪股份有限公司， 浙江 新昌 523001)

摘要：結(jié)合3D激光掃描、逆向造型及三維CAD技術(shù)，根據(jù)鋁合金車輪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求設(shè)定檢測精度，對鋁合金車輪的外觀造型曲面進(jìn)行質(zhì)量檢測分析，檢測結(jié)果可準(zhǔn)確地指導(dǎo)車輪鑄造模具的修正，減少或避免不合格品的產(chǎn)生，實(shí)測結(jié)果表明，該方法具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。

關(guān)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(dāng)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(shè)計(jì)也是整車工業(yè)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的一部分[2]。車輪外觀表面的設(shè)計(jì)通常為自由曲面，沒有固定的參數(shù)，而且鋁合金車輪外觀表面的制造多為鑄造表面，且后續(xù)不再對其進(jìn)行加工，外觀造型的復(fù)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(shù)的發(fā)展，使得原來只能依靠千分尺、游標(biāo)卡尺、量規(guī)、三坐標(biāo)儀等量具和設(shè)備進(jìn)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(chǎn)品多為批量生產(chǎn)，因此，批量前確認(rèn)生產(chǎn)實(shí)物與設(shè)計(jì)造型是否一致，顯得尤為重要，檢測的效率和檢測結(jié)果的可信度直接影響批量投產(chǎn)的及時(shí)性和批量產(chǎn)品的質(zhì)量，該方法的應(yīng)用將充分體現(xiàn)和發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢。本文針對鋁合金車輪外觀面這一多變、復(fù)雜又不規(guī)則的曲面的檢測問題，利用CAD技術(shù)、3D掃描技術(shù)和逆向工程技術(shù)相結(jié)合的方法，進(jìn)行制造部件與3D模型的符合性評價(jià)分析，說明3D掃描在鋁合金車輪設(shè)計(jì)、制造及外觀造型檢測中的應(yīng)用。

1車輪CAD模型的3D設(shè)計(jì)

在二維AutoCAD制圖軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，再在大型三維CAD造型軟件UG NX7.5中，按車輪設(shè)計(jì)ETRTO 2009歐洲輪胎輪輞標(biāo)準(zhǔn)[5]，JATMA 2011日本輪胎輪輞標(biāo)準(zhǔn)[6]的具體要求，逐步建立鋁合金車輪的三維CAD實(shí)體模型。整個(gè)車輪三維CAD模型的設(shè)計(jì)主要分三步進(jìn)行。

首先，在AutoCAD中繪制車輪結(jié)構(gòu)的主視圖及剖視圖，其中輪輞部分的尺寸體現(xiàn)在剖視圖上，根據(jù)輪輞標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。再根據(jù)車輪承載要求，設(shè)計(jì)輪輞部分的厚度、輪輻的厚度。

其次，在UG軟件中導(dǎo)入DWG/DXF格式文件，將前述在AutoCAD中繪制的半個(gè)剖視圖(對稱結(jié)構(gòu))和部分主視圖(根據(jù)主視圖的對稱性選取)導(dǎo)入，打開相應(yīng)的圖層，并將剖視圖旋轉(zhuǎn)90度，使其與主視圖所在平面垂直。

然后，將導(dǎo)入的剖視圖中的輪輞部分旋轉(zhuǎn)360°生成整個(gè)車輪的輪輞，并將剖視圖中的輪輻形狀旋轉(zhuǎn)一定角度(根據(jù)輪輻數(shù)量及其對稱性確定，如為五輪輻結(jié)構(gòu)車輪，則旋轉(zhuǎn)72°，-36°～36°)，獲得初始的輪輻設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)實(shí)體，再根據(jù)設(shè)計(jì)意圖，通過UG的曲面設(shè)計(jì)命令，設(shè)計(jì)復(fù)雜非規(guī)則形狀的輪輻結(jié)構(gòu)面，用這些曲面去修剪旋出的輪輻實(shí)體，即可以獲得最終輪輻實(shí)體，將輪輻實(shí)體進(jìn)行陣列得到全部輪輻，輪輻與輪輞求和生成整個(gè)車輪結(jié)構(gòu)的實(shí)體3D模型。

圖1為車輪實(shí)體設(shè)計(jì)3D模型。該實(shí)體模型為五輪輻結(jié)構(gòu)，且每個(gè)輪輻本身又為對稱結(jié)構(gòu)，因此可首先生成車輪結(jié)構(gòu)的十分之一，再通過對稱、陣列而獲得整個(gè)車輪結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型。

2車輪模具制作及鑄造

2.1　模具設(shè)計(jì)制作

上述利用UG設(shè)計(jì)的車輪模型，經(jīng)過強(qiáng)度、疲勞應(yīng)力分析，確定設(shè)計(jì)可行后即進(jìn)入車輪鑄造模具的設(shè)計(jì)制作階段，車輪模具的設(shè)計(jì)仍通過UG軟件進(jìn)行，結(jié)構(gòu)上主要根據(jù)低壓鑄造機(jī)的結(jié)構(gòu)及車輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可用車輪結(jié)構(gòu)的3D實(shí)體模型裁剪生成。整個(gè)模具分側(cè)模、上模和下模三個(gè)部分，其中側(cè)模又分為四塊，配合安裝在低壓鑄造機(jī)上實(shí)現(xiàn)側(cè)向的開閉，鑄造生成輪輞的外側(cè)形狀，該部分為加工區(qū)域，因此對鑄造模具無特殊要求，但需要設(shè)計(jì)合適的鑄造梯度結(jié)構(gòu)，避免鑄造過程中產(chǎn)生過多的縮孔縮松等缺陷；上模為輪輻背側(cè)及輪輞內(nèi)側(cè)的形狀，除輪輻背側(cè)的掏空部分外也均為加工區(qū)域，而輪輻背側(cè)掏空部分多為印鑄產(chǎn)品編號、品牌等信息的區(qū)域，因此對上模亦無特殊要求；關(guān)鍵是車輪模具中的下模，下模為鑄造生成車輪結(jié)構(gòu)整個(gè)外觀面的主要模具結(jié)構(gòu)，因?yàn)檐囕喌耐庥^面多為非加工表面，因此，下模的外觀質(zhì)量和尺寸形狀是整副模具開制成功與否的關(guān)鍵，在模具設(shè)計(jì)時(shí)該部分由車輪結(jié)構(gòu)的外觀面與模具實(shí)體相減生成，制作時(shí)采用CNC加工中心加線切割，并經(jīng)手工研磨而成。

在模具的設(shè)計(jì)制作過程中，除以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外，為避免縮孔、縮松等鑄造缺陷的產(chǎn)生，保證整個(gè)車輪的鑄造質(zhì)量，往往還要設(shè)計(jì)一系列的冷卻系統(tǒng)，如氣冷、水冷等管路，這部分結(jié)構(gòu)與鑄造工藝參數(shù)結(jié)合才能保證產(chǎn)品的鑄造質(zhì)量，一般先根據(jù)模具結(jié)構(gòu)及低壓鑄造機(jī)的條件進(jìn)行各種冷卻管路的布置，再經(jīng)過鑄造模擬分析，利用如AnyCasting等鑄造軟件進(jìn)行鑄造過程的模擬仿真，來確定各個(gè)管路的開啟、關(guān)閉時(shí)間、氣溫、水溫等，從而為鑄造生產(chǎn)確定合適的工藝參數(shù)。

2.2　車輪鑄造

鋁合金車輪多采用低壓鑄造完成生產(chǎn)，鑄造過程中鋁合金溶液從下向上被壓入模具型腔內(nèi)，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(jù)鑄造原理，由于車輪外觀面不再進(jìn)行后續(xù)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(zhì)量，在上輪輞上還設(shè)有多個(gè)溢出孔以保證車輪結(jié)構(gòu)的充分充填。低壓鑄造出的鋁合金車輪還要依次經(jīng)過X光檢測、熱處理、拋丸、機(jī)加工、涂裝等工序才能制成成品。然后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各種類型的檢測，對于關(guān)鍵安裝部位的尺寸、平面度、位置度等可通過相應(yīng)的量具、儀器和設(shè)備進(jìn)行檢測，而對于非規(guī)則造型面的檢測目前無法通過常規(guī)儀器準(zhǔn)確測量，標(biāo)準(zhǔn)要求車輪的外觀面誤差一般應(yīng)小于0.5 mm，因此，本文介紹一種利用3D掃描，逆向生成產(chǎn)品3D模型，再用相應(yīng)軟件將該模型與設(shè)計(jì)之初建立的實(shí)體設(shè)計(jì)3D模型進(jìn)行比對的方法，進(jìn)行車輪外觀面的質(zhì)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(jìn)行掃描。首先，對產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)處理，噴涂一層滲透劑以降低產(chǎn)品表面的亮度，避免由于反光影響掃描數(shù)據(jù)質(zhì)量，并在產(chǎn)品表面貼一些熒光點(diǎn)，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(qū)域，儀器自動(dòng)捕捉熒光點(diǎn)進(jìn)行立體定位，從而獲得3D立體的掃描數(shù)據(jù)，掃描儀連接的電腦上掃描軟件窗口會(huì)實(shí)時(shí)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(jìn)行重復(fù)掃描；然后，對掃描得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，去除一些不需要的數(shù)據(jù)點(diǎn)及產(chǎn)品外的漂浮點(diǎn)；最后，利用3D掃描儀軟件和掃描得到的數(shù)據(jù)逆向生成掃描區(qū)域的3D模型。

圖2給出了對車輪產(chǎn)品進(jìn)行噴涂、貼點(diǎn)預(yù)處理后的效果圖，圖3為對車輪外觀面進(jìn)行3D掃描時(shí)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(chǎn)品外觀質(zhì)量檢測

將產(chǎn)品掃描數(shù)據(jù)生成的模型和車輪實(shí)體設(shè)計(jì)3D模型均導(dǎo)入Geomagic Quality軟件中進(jìn)行比對分析，導(dǎo)入的掃描模型和設(shè)計(jì)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(lán)色(用-表示)分別代表最大正偏差和最大負(fù)偏差，綠色(用0表示)為偏差最小為零的區(qū)域。通過點(diǎn)取模型上的局部任意位置點(diǎn)可顯示該位置的具體偏差值，如圖7所示，根據(jù)X，Y，Z三坐標(biāo)的正負(fù)偏差值大小確定模型調(diào)整的方向。

圖2掃描預(yù)處理效果圖 圖3產(chǎn)品掃描中圖像顯示

圖4掃描數(shù)據(jù)生成的模型 圖5導(dǎo)入的掃描模型和設(shè)計(jì)模型

5結(jié)論

利用以上方法，根據(jù)綜合比對分析的結(jié)果，可給出比對分析報(bào)告，從而評定生產(chǎn)實(shí)物與原有設(shè)計(jì)模型是否一致，如果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求則可以進(jìn)入批量生產(chǎn)，反之就要分析原因重新修正。這一質(zhì)量檢測分析技術(shù)的應(yīng)用，使得大規(guī)模批量生產(chǎn)的鋁合金車輪制造企業(yè)廢品率大大降低，成品合格率達(dá)到99%以上，大大減少企業(yè)因報(bào)廢、返修造成的成本浪費(fèi)，有力提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖6偏差分析結(jié)果

參考文獻(xiàn):

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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(xiàn)標(biāo)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(xué)院計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院講師，主要研究計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用、機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)分析、工業(yè)設(shè)計(jì)等。

收稿日期：2014-08-07