基于3D扫描的冲压件质量检测

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基于3D扫描的冲压件质量检测

周淑容，郑浩

四川职业技术学院机械工程系（四川遂宁629000)

【摘要】采用抗州先临蓝光扫描仪扫描零件表面，从而获得点云数据，再通过处理数据，在 扫描软件里把该扫描数据与最初设计的模型进行比对，最后得到测量的冲压件表面数据 与设计的参考模型表面的误差值。再通过对误差值的分析，看看是否满足公差要求，从而 达到检测的目的，这种方法可以达到各种形状冲压件的检测要求。
. C+ x2 B& t5 D3 r6 t; e. H关键词：冲压件；质量检测； 3D扫描仪
1   引言
    随着社会的进步，模具已成为现代工业中重要的 工艺装备,特别是冲压模具的应用已经极为广泛，其 产值约占整个模具总产值的50%。而冲压件作为其 零件，也随着人们的审美和需求的发展，形状要求越 来越高，特别是流线性设计非常普遍，从而对冲压件 质量的检测提出了新的要求m。
    冲压件检测的现状:以前的冲压产品检测主要是 用游标卡尺、千分尺,后来开始使用光学投影仪、样板 检具等专用的工具来进行质量检测。这些检测工具 用来检测外形比较简单的零件还可以,如果对构造较 为复杂的冲压件进行检测，则显得有些吃力。而且还 存在以下缺陷:效率低,检测结果不可靠，质量跟踪困 难，产品数字化集成困难等。这主要因为不同的检验 人,会因为自己的操作经验不同，可能会导致出现不一样的检测结果。其次，要制造专用的检具、量具也 需要大量的时间和金钱，这不但增加成本还延长了产 品的生产周期，不具有通用性121。并且，传统检测手段 对于流线型面的检测有时根本无能为力。所以现在 大部分企业已经不再采用以前的检测手段。
    本文探讨的是首先采用杭州先临蓝光扫描仪扫 描零件表面,从而获得点云数据，再通过数据处理，在 扫描软件里把该扫描数据与最初设计的模型进行比 对,最后得到测量的冲压件表面数据与设计的参考模 型表面的误差值。再通过对误差值的分析，看看是否 满足公差要求，从而达到检测的目的。该检测方法可 以达到各种形状冲压件的检测要求。该方法的检测 流程图如图1所示。



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2    应用举例
本产品为某知名白酒的瓶盖，由于造型主要是曲 面,如果采用传统的检测手段,很难准确测量，所以适 用于用3D扫描的方式来检测。其具体步骤如下：
(1) 零件扫描。
本次采用的是杭州先临的扫描仪。在扫描之前, 首先要标定相机，用于相机校准计算。值得注意的 是，在相机的标定过程中，最理想的情况是左右数据 结果相同，而在实际测量时，只要两个数据相差率小 于1%就认为标定结果准确。系统标定好后，在零件 上贴上标定纸，将贴好标定纸的零件放在扫描仪下。 由于该零件为回转体零件，没有配备回转扫描台，所 以需要多次扫描，才能扫描完成，如图2所示。本零件 一共经过了 5次扫描。

4 y9 |% }" \/ C1 `1 ](2) 点云优化处理。
由于各种人为或随机因素的影响，比如标定点的贴 法不太合理，或者显影剂喷的不太均匀，或者温度、湿度甚至光线等不太理想，都会使得测量结果产生噪音点。 而且，在扫描的过程中，由于光学扫描需要扫描多次，在 点云和点云之间有重叠的部分，所以在扫描结束后，需 将5次扫描数据全部导入geomagic studio软件，进行优 化处理。此时应通过点云的杂点清理和数据精简后，再 对图2中的5个点云数据进行拼合。拼合前，点云需进 行必要的预处理,比如删除孤点，过滤等,这样有助于将 扫描中的噪音点降到最少，更好的表示真实的物体形 状,也可以为拼合计算节省时间，如图3所示。杂点处 理完后，选用全局注册模式对点云进行精细拼合，再利 用联合点对象将5个点云模型联合为一个点云，最后再 应用统一采样，再保留零件本来面貌的同时，减少点云 数据。经过一系列处理后，最终得到的点云如图4所示。




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(3) 3D对齐、分析。
& b( b: p$ Z; W% F: V    何为3D对齐呢？在零件扫描过程中，由于扫描 设备的扫描行程有限，或者零件的本身形状特点，导 致该零件不能一次扫描成功，这时就需要在不同的定 位状态下扫描产品的各个部分,从而导 致需 要多个点 云 数 据 才  能 完整 表达 该零 件外形。此时就需 要采用 3D对齐,使几幅点云处于同一个坐标系下。
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    对齐的目的在于将测量得到的点云数据与已知 的标准样件模型做对比，然后进行误差分析，也是软 件Geomagic的重要功能。
    3D对齐常用的有3种对齐模式，即最佳拟合对 齐，RPS对齐，基于特征对齐。在此次测量中，采用的 方式是第一种即最佳拟合对齐。在对齐过程中，先设 定好零件误差允许范围，如果测量数据和模型之间 的误差在所允许误差范围之内，则认为其满足测量要求;反之则不满足要求。
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    将 经 过 优 化 的 点 云 数 据 和 建 好 的 CAD 模 型 导 入 Geomagic qualify，根 据 零 件  要 求  设 定 好 公 差，进行对 比，测量分析结果如图5所示。这是一个3D分析图， 也是质  量 检 测 软 件Geomagic qualify的 核 心 作 用。在 软 件 中，可以设定不 同 的 色 谱 图 表 示 不 同 的 含 义。比 如可 以 设 定 绿 色 表 示 误 差 允 许 范 围 之 内 的 尺寸，暖 色 系表 示上 偏差 部分尺寸，往下 蓝 色 表 示 下 偏 差 部 分尺 寸。这 样  通 过 色 谱 分 析 图，工 件 实 际 尺 寸 与设  计 尺 寸 的 偏  差 可以 一目了 然，非 常直  观清 晰的 在图中表示 出来。
   

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最后，可 以 生 成 P D F  报  告。 报 告 中 包 含 平 均 误   差，偏  差  分 布，标  准 偏  差  的  图 表  和  直 方 图 等，可 以  更 直   观  的  了  解  实  际  工  件  的 偏  差 ，有  利  于 更 好  的  改  进  产 品  质 量。
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3    问题分析
- P  x# R& e( ~    虽然说利用3D扫描来检测工件，有很多优点，但 在实际测量过程中，常常由于一些原因，导致测量出 现误差。 •
1 F! H% c9 [, @+ E8 a8 E(1) 环境因素。
    因为蓝光扫描系统在扫描过程中需要打光删到 零件表面,而温度、湿度、甚至光照等环境因素都会影 响光删。一般来讲，温度通常应该控制在-10t~ 50尤，相对湿度小于65%，扫描时候尽量在日光灯和 自然光源下面，尽量避免在强光下扫描。
; r" c) P  U8 l+ h9 S(2) 零件本身的因素。
8 P/ b6 z$ l% e. n/ `1 U; u& z7 P    产品本身的形状、材料、颜色、粗糙度等对光的反 射和吸收有较大的不同,尤其是零件表面的粗糙度和 折射率，比如，当在不喷显影剂的情况下扫描反光件， 则会导致误差大大增加。
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(3) 贴标定纸的方式。
    在扫描过程中，当选择自动拼接方式时，需要在 扫描件上贴上标定点。在贴标定点时，应该贴的牢 固、平整。值得注意的是，在贴的过程中，尽量把标定 点贴在物体表面上相对平坦的区域，而且切记不要刻 意的把标定点按规律排列。否则也会造成更多的累 积误差。
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