當(dāng)代數(shù)字機(jī)床刀具的光學(xué)3D掃描數(shù)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(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域的重要話題，數(shù)字化機(jī)床是智能制造不斷深入發(fā)展的重要工具。數(shù)字化機(jī)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(yōu)秀的數(shù)字三維模型采集方法（GOM ATOS Triple Scan系統(tǒng)），在論文的主體部分，詳細(xì)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(shù)字機(jī)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(guān)工業(yè)的發(fā)展有所啟迪。

關(guān)鍵詞：機(jī)床刀具;三維掃描;數(shù)字化建模;磨損;計算機(jī)輔助設(shè)計

0? 引言

目前，隨著我國智能制造4.0概念在制造業(yè)中的不斷滲透，計算機(jī)輔助技術(shù)成為智能化制造的重要基礎(chǔ)手段，所謂逆向工程是指利用合適的計算機(jī)輔助技術(shù)，對現(xiàn)有的真實物體生成計算機(jī)數(shù)字模型的過程[1，2]。獲得的計算機(jī)數(shù)字化模型可應(yīng)用于工程設(shè)計、仿真、有限元分析等特定場合中[3]，然而，當(dāng)代數(shù)字機(jī)床中切削等工具[4]的三維掃描應(yīng)變研究不如自由曲面或各種機(jī)械零件的廣泛。原因之一可能是缺乏三維數(shù)字化設(shè)備。三維數(shù)字化設(shè)備能夠數(shù)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(xué)GOM ATOS Triple Scan系統(tǒng)，對某球頭立銑刀進(jìn)行了光學(xué)3D掃描，并建立了數(shù)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(shù)字機(jī)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(guān)工業(yè)的發(fā)展有所啟迪。

1? 球頭立銑刀的數(shù)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(shù)字化的一個重要部分是工具的端頭建模[7]。掃描小零件數(shù)字化范圍內(nèi)的刃口，采用直徑為0.4mm的未編碼參考點進(jìn)行數(shù)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(qū)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(shù)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(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)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(xù)的測量結(jié)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(jī)至少保留三個可見點。在每次移動20°旋轉(zhuǎn)掃描后，不再需要將掃描區(qū)域移動到柄的高度，而是將其旋轉(zhuǎn)到大約45°即可（旋轉(zhuǎn)始終取決于可見點的數(shù)量）。在圖2上是藍(lán)光在掃描對象上的投影，并利用GOM ATOS Professional v7 SR2軟件進(jìn)行數(shù)字化模型的建模，如圖3所示。

2? 數(shù)字化模型細(xì)節(jié)

如圖4是數(shù)字化模型的細(xì)節(jié)，也就是所謂的多邊形數(shù)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(xiàn)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(bǔ)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(yè)功能，稱為“填充參考點”，意思是，GOM ATOS專業(yè)軟件自動填補(bǔ)空白，留下他們的參考點。當(dāng)使用軟件特性進(jìn)行自動補(bǔ)孔時，在某些情況下，補(bǔ)孔區(qū)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(bǔ)孔時，軟件用戶可以通過改變參數(shù)來改變補(bǔ)孔的外觀。實際操作過程中，相比自動填補(bǔ)孔來說，大規(guī)模的手動填補(bǔ)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(dǎo)出，即STL格式的數(shù)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(shù)字化模型比較

捕獲偏差顏色分布圖的第一步是將兩個數(shù)字模型相對對齊?？梢酝ㄟ^“局部最佳擬合”和“預(yù)對準(zhǔn)”兩個功能來實現(xiàn)?！邦A(yù)對準(zhǔn)”功能是一種基本對準(zhǔn)，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(shù)字模型，找到最常見的區(qū)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(shù)字模型坐標(biāo)系，并進(jìn)行校準(zhǔn)。此選項主要用于“正方體”及形狀相似的零件。在旋轉(zhuǎn)零件（如球頭立銑刀）的情況下，坐標(biāo)系的定位（旋轉(zhuǎn)）是比較困難的。坐標(biāo)系放置在同一點，Z軸通過工具的旋轉(zhuǎn)軸。問題是X軸和y軸的設(shè)置，他們的方向在兩個數(shù)字模型上無法協(xié)調(diào)。

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(shù)字填充參考點造成的。規(guī)模偏差設(shè)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(fù)數(shù)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(qū)域的0.01mm的不同設(shè)定值（“預(yù)對準(zhǔn)”與“局部最佳配合”）中，值都沒有變化。但是，兩個數(shù)字模型的刀刃都是可能由于掃描部分四舍五入導(dǎo)致評估有一定的不確定性。本文目標(biāo)是將這兩種工具數(shù)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(jìn)行了噴涂。通過對兩個掃描的數(shù)字模型進(jìn)行CAD比較并評估色偏圖（圖5），可以實現(xiàn)對工具磨損的研究。發(fā)現(xiàn)在使用過的工具的切削刃上會出現(xiàn)輕微的材料損失。根據(jù)顏色偏差圖，刀沿上的刀具磨損參數(shù)值為-0.02mm。

4? 結(jié)論

綜上所述，GOM ATOS Triple Scan系統(tǒng)提供了一種優(yōu)秀的數(shù)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(shù)字機(jī)床刀具）。具體來說，改進(jìn)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(lǐng)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(lǐng)域的研究提供借鑒和參考。

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