汽车大型模具光学三维全尺寸快速检测研究摘要：随着中国制造业的快速发展，产品工件大量采用复杂曲面，对于大型复杂曲面工件，如汽车大型模具和覆盖件、水轮机叶轮、大型抛物面天线等，现有的测量设备很难实现快速全尺寸检测。本文针对汽车大型模具的快速检测，分析了三维光学测量的原理，研制了整套光学三维检测设备，提出了基于工业摄影测量XTDP系统的检测方案，并在国内最大的汽车模具汽车企业进行了大量的实验验证，解决了长期困扰企业的大型模具的快速检测难题。 1.引言
随着中国制造业的快速发展，许多行业的产品大量采用了中大型和复杂曲面工件，特别是在汽车、飞机、船舶、军工、风电等行业中比较普遍。目前，对于小于1米长度工件的三维尺寸质量检测，基本不存在问题，多采用三坐标测量机、关节臂、激光扫描等完成。而对于1米～30米长度的工件，如风力发电叶片、汽车模具、汽车覆盖件、飞机部件、船舶部件、大型机械设备等，传统的方法多采用龙门式三坐标机、激光跟踪仪、关节臂、经纬仪等，激光跟踪仪、关节臂、经纬仪等设备存在繁琐的移站问题，要全方位测量中大型工件非常繁琐，而且测量设备昂贵，一般企业无法承受，而且很多中大型工件越来越多采用复杂曲面，不但要测关键点三维尺寸，还要测量曲面尺寸，所以目前中大型工件存在大量的三维全尺寸质量检测难题，迫切需要解决。
汽车大型模具一般是采用铸造件加工而成，铸造件采用泡沫实型翻铸而成。泡沫实型（如图1所示）是汽车模具制造的第一个工序，由于泡沫实型的尺寸很大（一般在2米～6米左右），由多个部分粘贴完成的，在制造和装配过程中都会产生误差，在进行铸造之前，需要快速检测泡沫件的关键尺寸。泡沫件的误差会造成整个铸件的报废，对企业的损失巨大。泡沫件的快速检测可为企业创造可观的经济效益。但是由于汽车泡沫模具很大，质地较轻较软，很难采用传统的接触式三坐标测量机，而且传统的三坐标机效率低，所以企业以前基本没有办法检测，造成很多不必要的经济损失。
图1 泡沫实型 测量现场
比对分析和质量检测
汽车大型模具一般是采用铸造件加工而成，如图2所示，由于铸件的尺寸很大（一般在2米～6米左右），在进行加工之前，需要快速检测铸件的关键尺寸，检查铸件是否合格，另外将铸件实际尺寸输入到加工中心，可以提高加工中心的效率，较少刀具的损坏。铸件的快速检测可为企业创造可观的经济效益。但是由于汽车模具铸件很大，很难采用传统的接触式三坐标测量机，而且传统的三坐标机效率低，所以企业以前基本没有办法检测，造成很多不必要的经济损失。
图2 铸件 2.光学三维快速检测的原理 工业摄影测量技术[1]是大地摄影测量、机器视觉、机械测量的综合学科，工业摄影测量技术的精度控制是最大的难点[2]。工业摄影测量技术主要代替传统的龙门三坐标、激光跟踪仪、经纬仪、关节臂等，不需要繁琐的移站，是一个便携式光学三坐标测量机[3]-[5]。 世界上近景工业摄影测量技术上的研究和开发主要集中在德国，德国Oldenburg 的University of Applied Sciences大学IAPG研究所的Thomas Luhmann教授在工业摄影测量做了很多开拓性工作，德国很多工业摄影产品的技术都来源于IAPG研究所，如德国AICON公司的DPA产品、德国GOM公司的TRITOP产品、德国axios3d公司、德国FALCON公司等。
西安交通大学多年来专注研究三维光学在线产品质量检测（不仅是反求系统），在线检测要比反求要求高的多，要求效率高、速度快、精度高、全自动。重点突破了工业摄影测量技术难题，目前世界上能够独立自主研发并实际应用在工业现场的工业摄影测量产品，只有2家企业，主要有美国GSI公司的V-STARS产品、德国AICON公司的DPA产品。国际上能够研发激光扫描、白光面扫描设备的有几十家，但是能够研发工业摄影测量的也就是2家，所以很多激光扫描、白光面扫描设备都是购买和集成这两家的工业摄影测量的产品。国内常见的德国公司的摄影测量技术多是买的，不是自己研发的。
国内外真正能够独立研发在线产品三维质量检测系统的极少，西安交通大学的工业摄影测量技术和面扫描技术都是自主研发，不但满足反求逆向设计需求，更适合产品在线质量检测，系统配合紧密，造价远远低于国外系统。国外一套系统需要200万～300万人民币，企业最多只能买一套，无法满足在线检测的大量任务。我们的系统性价比很高，企业完全有能力在每个生产工位配备多套检测系统。
摄影测量技术（Photogrammetry）的基本思想，是从不同方向拍摄标志点，然后通过图片和点法线计算出三维坐标。图像中可见的标志点相互之间有确定的关系，因此，用其观察角度所得图像并利用标志点的相互关系就可能计算出相机的方位。在拍摄图像时，不同拍摄位置的相机视角尽量大，可以获得更好的效果。摄影测量是以透视几何理论为基础，利用拍摄的图像，采用前方交会方法计算三维空间中被测物几何参数的一种测量手段，其原理如图3，其核心是采用捆绑调整技术实现高精度测量，如图4所示。
西安交通大学三维光学快速检测方案，是在国家863项目（wwwXTOM.com）的基础上研制的，采用自主研发的三个系统组合应用，可单独使用独立系统，也可配合使用不同系统，满足不同应用需求，实现大型复杂工件产品的反求和快速质量检测解决方案。
1. XTDP三维光学点测量（数字近景工业摄影测量)系统
原理： 采用普通高分辨率数码相机拍摄大型工件的多幅二维相片，采用工业摄影测量计算工件关键点（人工粘贴圆形标志点、工件自身点线孔特征）的精确三维坐标，这是一种便携式光学三坐标系统。可以代替传统的激光跟踪仪、关节臂、经纬仪等，而且没有繁琐的移站问题，可以全方位方便测量大型工件。
可以测量10毫米～30米的工件，精度达到1/70000 ~1/150000,相当于1米长度的工件测量精度为0.02mm
用途： （1）单独使用，作为三坐标系统使用，可测量工件关键点的三维坐标。 （2）配合使用，与“XTOM三维光学面扫描系统”配合使用，大大提高面扫描的整体拼接精度。
2. XTOM三维光学面扫描系统 原理：采用主动光面扫描技术，一次扫描工件一个面的三维坐标。单次测量幅面128mm×96mm～2200mm×2000mm，单次测量点云数量为100万～600万，单次扫描时间为5秒。相当于在5秒时间测量一个工件100万～600万个点的三维坐标，每个点的间隔为0.08mm～1mm。通过多次拼接可以测量10毫米～30米的工件，测量精度根据单次幅面大小和相机像素不同为0.01～1mm，一般为0.03mm。
用途： （1）测量复杂曲面产品外轮廓。 （2）根据不同应用需求，选择不同单次测量幅面和不同相机 （3）与“XTDP三维光学点测量系统”配合使用，大大提高面扫描的整体拼接精度。
3.XTOM三维点云预处理系统 原理：由于一个工件由多视角拍摄测量完成，必须全自动完成多视点云的对齐拼接和重叠面删除，快速生成单层完整的工件点云。“XTOM 三维点云预处理系统”采用独特高效算法，快速自动完成海量点云的处理。 用途：多视点云的全自动对齐拼接和重叠面删除。
3.泡沫实型检测实验和验证 最近国内几个最大的汽车模具公司都在采用我们的三维光学检测系统,进行大型泡沫件和铸造件等在线快速检测，现场测试表明，一个大型的工件10分钟左右可以完成全部检测任务。 泡沫件一般测量精度要求0.5mm，要求检测速度快、效率高、生产在线测量。 检测方案： (1)独立采用“XTDP三维光学点测量（数字近景工业摄影测量)系统”，快速测量关键点尺寸。 (2)如果需要测量工件某些复杂曲面部分的尺寸，采用“XTOM三维光学面扫描系统”进行扫描，选择单次大幅面配置，一次测量幅面为400毫米～2米。 下面是在某大型模具企业的生产现场进行的试验。首先检测泡沫实型的关键点的三维尺寸，在工件放置编码点和圆点，以及定标尺，用数码相机拍摄工件的多幅照片，然后将照片导入“XTDP三维光学点测量系统”计算编码点和圆点的三维坐标，如图5所示, 最后将测量的三维坐标与工件的CAD数模进行三维比对分析，如图5所示,可以快速检测出泡沫工件的误差。
图5 采用工业摄影测量系统计算泡沫模型的关键点坐标 Fig 5 calculation 3D coordinate used by XTDP Close Range Industry Photogrammetry
图6 与CAD数模进行三维比对分析 Fig 6 3D inspect with CAD model 如果需要对泡沫的复杂面进行更仔细的分析，采用“XTOM三维光学面扫描系统”进行面扫描，获得曲面的密集点云，如图7所示，然后将点云数据与CAD数模进行三维全尺寸比对分析，如图8所示，可以进行更详细的误差分析。
图7 工件的密集点云 Fig 7 dens point cloud of work-piece
图8 点云与CAD数模进行三维比对分析 Fig 8 dens point cloud 3D inspect with CAD model 4.铸件检测实验和验证 最近国内几个最大的汽车模具公司都在采用我们的三维光学检测系统,进行大型铸造件等在线快速检测，现场测试表明，一个大型的工件10分钟左右可以完成全部检测任务。铸件一般测量精度要求0.5mm，要求检测速度快、效率高、生产在线测量。 大型铸件检测目的主要有两个，一是检测铸件是否合格，因为铸件在浇铸过程会产生各种收缩变形。二是将每个铸件检测的关键尺寸输入到加工中心，减少加工中心的进刀余量，提高后续加工中心的加工效率，同时也避免加工中心刀具的损坏。 检测方案： （1）独立采用“XTDP三维光学点测量（数字近景工业摄影测量)系统”，快速测量关键点尺寸。 （2）如果需要测量工件某些复杂曲面部分的尺寸，采用“XTOM三维光学面扫描系统”进行面扫描，选择单次大幅面配置，一次测量幅面为400毫米～2米。 下面是在某大型模具企业的生产现场进行的试验。首先检测铸件的关键点的三维尺寸，在工件放置编码点和圆点，以及定标尺，用数码相机拍摄工件的多幅照片，然后将照片导入“XTDP三维光学点测量系统”计算编码点和圆点的三维坐标，如图9所示, 最后将测量的三维坐标与工件的CAD数模进行三维比对分析，如图10所示,可以快速检测出铸件的误差。
图9 采用工业摄影测量系统计算铸件的关键点坐标 Fig 9 calculation 3D coordinate used by XTDP Close Range Industry Photogrammetry
图10 与CAD数模进行三维比对分析 Fig 10 3D inspect with CAD model 如果需要对铸件的复杂面进行更仔细的分析，采用“XTOM三维光学面扫描系统”进行面扫描，获得曲面的密集点云，然后将点云数据与CAD数模进行三维全尺寸比对分析，可以进行更详细的误差分析。
5 .结论
经过国内最大的模具企业的现场应用表明，“XTDP三维光学点测量系统”和“XTOM型三维光学密集点云测量系统”的配合使用，可以解决大型模具的快速检测难题，试验结果表明，“XTDP三维光学点测量系统”的相对误差达到1/60000~1/150000, “XTOM型三维光学密集点云测量系统”精度在0.03mm，测量精度完全满足要求，而且检测速度快，具有便携式、流动性特点，特别适合在生产现场对大型工件进行快速测量检测。
泡沫实体长度过长以及在加工过程中的水分流失，造成变形，实型铸造过程中的变形等因素，都易造成加工余量不均匀，甚至铸件无加工量的问题，造成铸件的报废，给企业造成重大经济损失。泡沫的测量检测，可以准确的发现实型编程和加工以及手工修整遗漏的无加工量问题，避免了不必要的损失。通过数据统计，找出变形影响因素，设定合理的加工余量。
对模具铸件的快速测量检测，大大提高了模具企业的生产效率，创造可观的经济效益。可为实型余量预留提供数据,减少加工量；节省检测刀具的时间；避免检测余量较大的铸件时机床负载过大；不再编制检测程序，提高加工中心加工效率。经过测算，通过对铸件的快速检测，可以提高加工效率，使平均加工时间缩短20%左右。
该技术可以检测大型铸件、锻件、冲压件、模具、注塑件等，可广泛应用在汽车工业、航空航天工业、船舶工业等，通过三维坐标测量可以完成质量检测、变形测量、逆向工程等。
参考： 【1】汽车模具检测案例大型泡沫和铸件快速三维质量检测
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