基于三維掃描技術的模具零件虛擬裝配檢測*

劉華剛，黎克清，郝瑞參

基于三維掃描技術的模具零件虛擬裝配檢測*

劉華剛，黎克清，郝瑞參

（北京電子科技職業(yè)學院，北京 100176）

介紹了三維掃描檢測技術，并與傳統(tǒng)的接觸式三坐標檢測進行了對比。以某砂型模具例， 介紹了三維掃描檢測技術在模具零件虛擬裝配中的應用及流程。

三維掃描技術；虛擬裝配；數(shù)字化檢測

三維掃描檢測目前在制造業(yè)已經(jīng)得到了比較廣泛的應用，特別是在一些異形曲面多、產(chǎn)品結構復雜的零部件上。相比于傳統(tǒng)的接觸式三坐標檢測，非接觸式三維掃描檢測的優(yōu)勢還是比較顯著的，不受制于三坐標工作機臺的大小，產(chǎn)品不需要特別的定位，掃描時間短，效率高［1］。對于有些檢測完成以后需要補測的尺寸，不需要像三坐標檢測一樣還要重新再上機床定位，掃描檢測可以直接利用之前保存的數(shù)據(jù)，補充測量即可，任何尺寸都可隨時進行查詢，充分體現(xiàn)數(shù)字化檢測帶來的便捷。三坐標檢測一般需要在相對恒定的環(huán)境下，對溫度、濕度、震動都有比較明確的要求，而非接觸掃描儀工作只要不是在震動過大的環(huán)境即可，這樣就可直接在生產(chǎn)車間使用，有時候甚至可以在加工過程中，直接在機床上對加工到某一階段的產(chǎn)品實行掃描檢測，對整個加工過程的精度進行控制，避免了工件上下加工機床的時間浪費以及重復定位精度的誤差。另外，在掃描結束后，可以將掃描得到的產(chǎn)品STL數(shù)據(jù)在另外的電腦上與CAD數(shù)據(jù)進行比對檢測，不占用掃描設備，此時的掃描設備可進行下一個零件的掃描，整個檢測過程可以是并行的，不像三坐標整個檢測過程都需要占用工作臺，特別是在產(chǎn)品曲面比較多且復雜扭曲的情況下，如葉輪等，這種三坐標檢測就會特別困難，在曲面檢測上三坐標由于數(shù)據(jù)補償?shù)年P系，往往精度誤差就會比較大，反而是掃描儀來的更簡便些。所以目前非接觸式三維掃描檢測在各個行業(yè)得到很廣泛的應用，越來越有可能取代傳統(tǒng)三坐標在檢測中的位置。三維掃描檢測已從單個零件檢測進一步發(fā)展到了三維數(shù)字化虛擬裝配檢測領域［2］，特別是在模具行業(yè)，在試模前就能提前通過虛擬組裝檢測零部件是否有干涉或者間隙異常，配合是否嚴密等，減少上機試模的次數(shù)。在零部件組裝領域，通過虛擬裝配檢測各部件間隙、干涉等，可幫助我們觀察到一些實際產(chǎn)品組裝后觀察不到的區(qū)域，是在數(shù)字化檢測的道路上的進一步深化應用。

1　零件虛擬裝配檢測及其過程

單個零部件的三維掃描檢測比較直觀，但是在零部件組裝以后，很多地方不容易觀察到零部件之間的配合間隙狀況［3］，如圖1所示的零部件虛擬組裝。利用傳統(tǒng)的辦法也沒有很好很直觀的方式來檢測零部件裝配后的狀況，通常都是測試，如模具就直接試模，通過判斷成品出來的狀況，再來判斷模具要做哪些調(diào)整和改進，這樣反反復復嘗試，需要大量的組裝和試模時間［4］。

圖1　零部件虛擬組裝的界面

目前，可通過掃描各個部件數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)組裝在一起，通過數(shù)字可視化的方式來提前分析整個裝配后的狀況，在模具上機試模前提前分析問題出現(xiàn)在哪里，提前處理，節(jié)省生產(chǎn)周期［5］。圖2為某零部件虛擬裝配檢測結果。通過不同的色彩誤差來表示模仁與滑塊之間的距離分布，距離呈現(xiàn)負向偏差（冷色）表示兩者之間間隙過大，達不到貼合的效果，如果呈現(xiàn)正向偏差（暖色），代表兩塊區(qū)域發(fā)生干涉，通過色彩誤差圖方式，快速簡便一目了然地讓檢測者知道哪些區(qū)域該做怎樣的調(diào)整［6］。

圖2　實際組裝后分析的結果

三維掃描虛擬裝配檢測具體流程為：

（1）零部件裝配掃描。在裝配后，在整個裝配上貼上標志點，特別是要測量的零部件上布置標志點，這些標志點一是為整個裝配掃描之用，另外在單個零部件掃描的時候，同樣也要被用到［7］。使用三維掃描設備，盡可能多的掃描到整個裝配。

（2）零部件拆裝掃描。裝配拆分成單個零部件之后，在每個零部件上補充標志點，利用到如圖2的外觀標志點，對每個零部件單獨掃描。

（3）掃描數(shù)據(jù)虛擬組裝及分析檢測。在軟件中將掃描的整個裝配數(shù)據(jù)及單個掃描的零件數(shù)據(jù)導入進來［8］。由于整個裝配數(shù)據(jù)之中已經(jīng)有單個零部件的部分數(shù)據(jù)，按照擬合方式，擬合到之前已經(jīng)掃描的裝配部分中，擬合完成后，屏蔽之前流程的裝配掃描數(shù)據(jù)，就形成了一個反映實際零件組裝的真實模型，這樣就可以觀察此數(shù)字模型進行分析，以色彩圖和尺寸標注的形式進行干涉分析、間隙分析等。

2　典型零部件虛擬裝配檢測案例

目前很多注塑、壓鑄、鑄造等模具都采用了非接觸掃描虛擬組裝檢測的方式?，F(xiàn)以圖3所示砂型模具為例進行分析。砂型模具部件多，組裝后很多區(qū)域不可見，通常我們只有試模得到成品后才知道模具是否有異常。

圖3　組裝好的砂型模具

（1）零部件裝配掃描。

先將砂型模具布置合適的標志點。在三維掃描中，一般的產(chǎn)品需要多筆掃描數(shù)據(jù)拼接才能夠完成。拼接方式有兩種，一是直接根據(jù)零件的特征拼接，這種掃描一般適用于零件比較有典型特征細節(jié)，容易分辨，如藝術品浮雕上的紋理等，沒有重復性，掃描系統(tǒng)容易判斷，根據(jù)公共區(qū)域進行特征拼接；另外一種方式是根據(jù)標志點進行拼接，每兩筆掃描數(shù)據(jù)都覆蓋到共同的標志點，一般重疊區(qū)域至少有三個以上標志點，掃描系統(tǒng)會自動對標志點進行編碼，掃描過程中根據(jù)這些標志點進行數(shù)據(jù)的拼接。對于比較精確的掃描，一般采用標志點多筆掃描數(shù)據(jù)拼接的方式。在采用標志點拼接的方式中，標志點的分布要根據(jù)掃描儀當前所用鏡頭的單筆掃描范圍的大小，對于一些特殊要求零件，不許粘貼標志點，我們可以將標志點貼在放置零件的工作臺上或者特別的治具上面［9］。

如圖4進行標志點分布，進行整體的第一次三維數(shù)據(jù)掃描，因為要為下一步單個零件掃描做準備，所以每個零件上一定要布有標志點，將來整體裝配可以用這些共同的標志點來定位。

圖4　砂型模具標志點分布

整體裝配掃描以盡可能多地掃描到每個部件，細節(jié)部分不用掃描全，主要是達到獲取各個零件之間相對位置的目的。

（2）零部件拆裝掃描。

整體組裝掃描完成后，此時獲得是反映整個可見外觀的數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)提供了整個裝配環(huán)境下各個零件相對的位置關系。先將砂型模具各個部件拆卸下來，不要動到原來的標志點，然后針對每個零件進行單獨的掃描。單個零件的掃描，保留原有標志點，在合適的位置補充上掃描所需的標志點即可，一件一件完成各個部件的掃描，重點是掃描到裝配后看不到的部位的信息，如圖5。

圖5　單個零部件的掃描

（3）掃描數(shù)據(jù)虛擬組裝及分析檢測。

完成各個零部件的掃描后，在軟件中導入之前整體整體掃描的數(shù)據(jù)，然后導入單個零件掃描的數(shù)據(jù)，按照之前共同的標志點，即第一部操作時整體砂型掃描就貼上的標志點，和后面拆裝后保留的標志點，利用這些共同的標志點，將各個部件定位一件一件還原組裝。由于這樣標志點方式的利用，保證了單獨拆裝零件掃描后再組裝，如實反映了組裝后的狀態(tài)，如圖6。

圖6　還原后的組裝情況

組裝完成后，即可對所關心的部分進行各種分析，如干涉分析、配合分析以及間隙分析等，可以用剖切等功能觀察細節(jié)［10］。如圖7比較關心的兩個零件配合是否完好，可以直接僅選取這兩件進行分析。

圖7　零件配合分析

在軟件中測量得到圖7兩面之間的間隙達到0.48 mm，說明沒有配合嚴密，達不到封膠的效果，實際試模成品可能會產(chǎn)生溢流或者飛邊的現(xiàn)象［11］，應加以改進。除了通過掃描數(shù)據(jù)獲得截面數(shù)據(jù)分析，也可以直接分析相鄰兩個面之間的面間隙，將色彩偏差圖呈現(xiàn)出來，進行比較全面的分析。檢測完成后，不用實際試模就直接進行零件的加工改進，避免了試模費用及時間的消耗，待數(shù)字組裝模擬通過再進行真正的試模，確實將數(shù)字化運用到了實際檢測中。

3 結語

采用三維掃描零件進行虛擬裝配檢測的技術是目前比較前沿的技術，是對三維掃描檢測技術的更深層次的運用，真正將目前的檢測手段做到了數(shù)字化，幫助我們解決實際生產(chǎn)過程中很多隱藏的難以發(fā)現(xiàn)的細節(jié)問題。很多企業(yè)目前都在這一塊投入，希望解決在復雜裝配環(huán)境下了解裝配中的內(nèi)部結構，分析內(nèi)部運作是否合乎設計需求。有些企業(yè)采用工業(yè)CT的方式，但是由于工業(yè)CT價格高昂，很難普及，且工業(yè)CT需要配置專門的放置環(huán)境，另一方面，由于CT的穿透率的問題，很多實際生產(chǎn)狀況難以實施，有的甚至要將零件切塊處理，而這種數(shù)字化檢測手段能很好地幫助制造業(yè)解決這類難題。

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英帝國理工學院成功制備超薄高分子膜

據(jù)悉，一種納米多孔膜材料的新合成方法研發(fā)成功，利用該方法制作出的高性能膜材料可實現(xiàn)高通量、高選擇性的化學品分離，未來在石油化工行業(yè)、水處理與凈化、反滲透海水淡化等領域有望實現(xiàn)更高效節(jié)能的應用。

英國帝國理工學院的團隊發(fā)表報告稱，他們將近年來新研發(fā)的有機微孔高分子材料合成方法與傳統(tǒng)成熟的界面聚合成膜工藝結合，成功制備出富含分子尺度孔道的超薄高分子膜。研究人員說，核心技術是采用剛性且扭曲的有機單體分子，通過一步界面聚合反應，從而得到大面積交聯(lián)的高分子薄膜，扭曲的骨架結構產(chǎn)生大量的超微孔，通過設計高分子結構可以在分子尺度調(diào)控膜內(nèi)微孔的大小和分布，膜的厚

Virtual Assembly Test for Mold Parts Based on 3D Scanning Technology

Liu Huagang， Li Keqing， Hao Ruican
（Beijing Polytechnic ， Beijing 100176， China）

3D scanning detection technology was introduced and compared with traditional touched three coordinate measurement. With sand mould as an example，the application and process of 3D scanning detection technology in the mold parts virtual assembly were presented in detail.

3D scanning technology；virtual assembly；digital detection

TG76

A

1001-3539（2016）06-0080-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.06.018

*校級科技類重點課題（YZK2015018）

聯(lián)系人：劉華剛，副教授，主要研究方向為產(chǎn)品開發(fā)、逆向技術及精密制造

2016-03-20