三維掃描技術在鍛造工廠的應用

文/田鵬·許昌中興鍛造有限公司

三維掃描技術在鍛造工廠的應用

文/田鵬·許昌中興鍛造有限公司

田鵬，助理工程師，技術研發(fā)部技術員，主要工作利用3D掃描軟件對模具和鍛件檢測，參加完成的傳動軸端面齒突緣叉鍛造工藝技術研發(fā)項目獲得許昌市科學技術進步獎。

在對鍛件與模具檢測時,傳統(tǒng)的方法存在檢驗難度大、時間長、誤差大等難題。因此在生產中采取什么方法對鍛件及模具快速、準確的檢測，是行業(yè)人士一直探索的課題。

本文主要介紹了利用三維光學掃描儀對鍛件和模具的檢測及應用。實踐證明這種方法具有準確度高、速度快、操作方便的優(yōu)點，具備數字化、可視化、自動化的特點。同時可有效的控制產品質量，延長模具壽命，對改進設計提供可靠依據。是替代傳統(tǒng)檢測方法的手段之一。

傳統(tǒng)的檢測方式

熱模鍛件通常采用游標卡尺、卡鉗、高度尺、方箱、專用檢具、專用樣板等傳統(tǒng)方法進行測量。對于模具的檢驗,大多采用灌鉛樣、壓橡皮泥、樣板等方式來檢驗。由于在起樣時存在變形、收縮等問題，檢測的模具尺寸存在測量誤差大、數據失真等問題；曲面及過渡位置無法檢測等難題。因此新產品檢測大多要等鍛件樣件生產完畢后，采用三坐標測量或試加工的方法驗證是否滿足需求，該方法存在檢測時間長、工作量大、反復試制等問題。

三維光學掃描儀的基本原理

三維光學掃描儀是采用一種結合結構光技術、相位測量技術、計算機視覺技術的復合三維非接觸式測量技術。測量時，光柵投影裝置投影特定編碼的光柵條紋到待測物體上，兩個工業(yè)相機同步采集相應圖像，然后通過計算機對圖像進行解碼和相位計算，并利用匹配技術、三角形測量原理，計算出攝像機與投影儀公共視區(qū)內像素點的三維坐標（圖1）。通過三維掃描儀軟件界面可以實時觀測相機圖像以及生成的三維點云數據。

圖1 光學掃描儀原理

三維光學掃描儀是目前三維形狀測量中最好的方法之一，其主要優(yōu)點在于測量范圍大、速度快、誤差小、成本低、攜帶方便、易于操作。

三維掃描在模具檢測、鍛件檢測以及設備零部件測量上的應用

模具檢測及應用

模具檢測是模具加工完畢后最后一個環(huán)節(jié),也是保證鍛件質量滿足要求的基本保證。下面以測量難度較大的曲面分模模具進行舉例分析。首先利用三維光學掃描儀進行現場實測模具（圖2）。

圖2 實測模具

通過變換測量裝置的不同方位對模具型腔進行拍攝。依據三維掃描儀對模具標志點的識別，并由后臺計算機軟件進行優(yōu)化計算，使得不同測量位置獲取的三維數據可以快速準確的進行全自動拼接，從而獲得整個模具型腔的三維數據（圖3）。

圖3 模具型腔的三維數據

然后對測量結果進行去噪，可以得到平滑的三維點云數據，將此點云數據與該模具的設計模型進行對齊，并以色譜圖顯示點云對于設計模型的偏差，可以得到3D比較結果（圖4）。不同的顏色代表了不同點相對設計模型的偏離程度(表1)。3D對比的結果可以從不同的視角進行觀察，在測量型腔幾個重要尺寸時，可以從二維截面中進行剖解（圖5、表2），從這些圖中可以更準確地測量尺寸。

圖4 色譜圖與注釋視圖

圖5 二維截面視圖

通過上述3D的對比和重要尺寸的測量，該模具符合我公司的設計要求。利用這種方法，使我們檢測手段更加科學與準確，大大提升了模具檢測的速度，更重要的是相比傳統(tǒng)的“鉛樣”檢測，精準度高、現場環(huán)境也明顯提升。另外三維掃描對分析模具失效形式也起到很大的作用。同樣我們以該模具為例，我公司為使模具壽命提高采取了堆焊和表面強化兩種方法，壽命相對于新模具提升2～3倍。但同時存在這樣一個問題：模具達到預估的壽命，再目視檢查無任何缺陷后，型腔內部尺寸的變化程度怎樣？人工測量無法得到確切的數據，利用三維掃描的方法就能很好解決這一難題。首先要獲取模具使用前與模具使用后的三維數據，然后將兩個點云數據進行對齊，可以得到3D比較視圖和偏差范圍（圖6、表3），同時也剖解出2D比較視圖（圖7、表4）。

表1 偏差結果（單位:mm）

表2 尺寸結果（單位:mm）

圖6 3D比較視圖

圖7 2D比較視圖

通過3D和2D比較視圖，可以更直觀的看出型腔內部發(fā)生的變化，為技術研發(fā)部門在分析型腔內部的失效形式和模具的修改方面提供了依據。通過這種方法的應用，使模具壽命較原來提升5%～15%，保守估算一年可節(jié)約模具費用40～120萬元。

鍛件檢測

下面我們仍以該鍛件為例，利用一套模具不同節(jié)點生產的鍛件來比較這批鍛件的一致性。首先我們把參考模型定為實際生產的首個鍛件，以500件為一個節(jié)點，分別抽取第500件、1000件、1500件為測試模型。隨后我們分別對四個鍛件進行三維數據收集（圖8）。對我們所獲取的數據進行去噪后，利用軟件的自動化處理功能分別將測試模型與參考模型進行對齊，并得到相應的3D比較視圖（圖9、表5）。

通過對色譜圖的觀察與分析，可以了解到這批鍛件各個部位逐漸變化的趨勢，從中也可以看出模具型腔內相對應的某一區(qū)域變化形式（圖10、表6），利用這種辦法去檢測鍛件的一致性更加方便快捷，保證了檢測的準確度。給技術研發(fā)部的設計更改提供了很好的依據，同時也為模具型腔內尺寸的補償提供了準確的數據。

表3 偏差范圍（單位:mm）

表4 偏差值（單位:mm）

圖8 三維數據收集

圖9 3D比較視圖

圖10 A001變化趨勢

設備零部件的測繪

對于一些缺少圖紙的異形零部件（圖11），人工進行測繪時，由于測量工具的局限性，個別數據無法得到準確的測量。而利用三維掃描中的2D尺寸測量可以快捷、準確的獲取相應數據（圖12）。

表5 偏差范圍（單位:mm）

表6 A001偏差值的變化（單位:mm）

圖11 異形零部件

圖12 二維測量視圖

逆向工程技術

逆向工程簡介

逆向工程也稱反求工程，是從實物樣本獲取產品數學模型并制造得到新產品的相關技術，已經成為CAD/CAM系統(tǒng)中一個研究和應用熱點，并發(fā)展成為一個相對獨立的技術領域。在這一意義下，“實物逆向工程”（簡稱逆向工程）可定義為：將實物轉變?yōu)镃AD模型的數字化技術、幾何模型重建技術和產品制造技術的總稱。逆向工程按照產品引進、消化、吸收與創(chuàng)新的思路，以“實物—設計意圖—三維重構—再設計”框架為工作過程，為提高工程設計、加工、分析的質量和效率提供數字化信息，另一方面為充分利用先進的CAD/CAE/CAM技術對已有的產品進行再創(chuàng)新工程服務。因此，逆向工程可視為產品正向設計有益的補充，以及驗證、促進正向設計的必備手段。

逆向工程技術的流程為：對實物樣件進行坐標數據采集，得到表面幾何數據，然后進行數據拼合、簡化、三角化、去噪等預處理；由于測量通常由多個面組成，因而還需要對測量數據進行分塊，再進行曲面擬合，最后導入CAD系統(tǒng)進行產品模型重構。

逆向工程的應用與意義

逆向工程的應用主要有：⑴新產品開發(fā)；⑵產品的改型設計；⑶快速模具制造；⑷快速原型制造；⑸產品的數字化檢測。

逆向工程是一門開拓性、綜合性、實用性較強的技術，屬于新興的交叉學科分支，逆向工程的重大意義在于：逆向工程不是簡單地把原有物體還原，它還要在還原的基礎上進行二次創(chuàng)新。所以逆向工程作為一種新的創(chuàng)新技術現已廣泛應用于工業(yè)領域并取得了重大的經濟和社會效益。

結束語

隨著鍛造行業(yè)的發(fā)展，對鍛件質量的要求也會越來越高，鍛件的檢測手段也必須進一步改進，三維掃描技術是一項近幾年快速發(fā)展普及的檢測技術，具有傳統(tǒng)測量方法無法比擬的優(yōu)點，相信隨著進一步的發(fā)展與完善，在行業(yè)內必然得到更廣泛的應用。