基于3D扫描的车轮外观造型曲面检测

闫胜昝，刘伟鹏，王树山

(1. 安庆师范学院 计算机与信息学院， 安徽 安庆 246052；2. 万丰奥特集团奥威汽轮股份有限公司， 浙江 新昌 523001)



基于3D扫描的车轮外观造型曲面检测

闫胜昝1，刘伟鹏2，王树山2

(1. 安庆师范学院 计算机与信息学院， 安徽 安庆 246052；2. 万丰奥特集团奥威汽轮股份有限公司， 浙江 新昌 523001)

摘要：结合3D激光扫描、逆向造型及三维CAD技术，根据铝合金车轮设计标准的要求设定检测精度，对铝合金车轮的外观造型曲面进行质量检测分析，检测结果可准确地指导车轮铸造模具的修正，减少或避免不合格品的产生，实测结果表明，该方法具有较高的工程实用价值。

关键词：铝合金车轮；3D扫描；逆向造型；外观造型面

铝合金车轮是当今主流交通工具汽车的重要安全部件之一[1]，能提升整车外观效果，因此车轮外观造型设计也是整车工业设计中重点考虑的一部分[2]。车轮外观表面的设计通常为自由曲面，没有固定的参数，而且铝合金车轮外观表面的制造多为铸造表面，且后续不再对其进行加工，外观造型的复杂性、多样性也给车轮成品的外观面检测带来了一定的难度。CAD，3D扫描和逆向工程技术的发展，使得原来只能依靠千分尺、游标卡尺、量规、三坐标仪等量具和设备进行的检测，尤其是对于之前无法检测或很难检测的部位，又有了新的检测方法[3-4]。铝合金车轮产品多为批量生产，因此，批量前确认生产实物与设计造型是否一致，显得尤为重要，检测的效率和检测结果的可信度直接影响批量投产的及时性和批量产品的质量，该方法的应用将充分体现和发挥计算机技术的优势。本文针对铝合金车轮外观面这一多变、复杂又不规则的曲面的检测问题，利用CAD技术、3D扫描技术和逆向工程技术相结合的方法，进行制造部件与3D模型的符合性评价分析，说明3D扫描在铝合金车轮设计、制造及外观造型检测中的应用。

1车轮CAD模型的3D设计

在二维AutoCAD制图软件中进行设计的基础上，再在大型三维CAD造型软件UG NX7.5中，按车轮设计ETRTO 2009欧洲轮胎轮辋标准[5]，JATMA 2011日本轮胎轮辋标准[6]的具体要求，逐步建立铝合金车轮的三维CAD实体模型。整个车轮三维CAD模型的设计主要分三步进行。

首先，在AutoCAD中绘制车轮结构的主视图及剖视图，其中轮辋部分的尺寸体现在剖视图上，根据轮辋标准要求进行设计。再根据车轮承载要求，设计轮辋部分的厚度、轮辐的厚度。

其次，在UG软件中导入DWG/DXF格式文件，将前述在AutoCAD中绘制的半个剖视图(对称结构)和部分主视图(根据主视图的对称性选取)导入，打开相应的图层，并将剖视图旋转90度，使其与主视图所在平面垂直。

然后，将导入的剖视图中的轮辋部分旋转360°生成整个车轮的轮辋，并将剖视图中的轮辐形状旋转一定角度(根据轮辐数量及其对称性确定，如为五轮辐结构车轮，则旋转72°，-36°～36°)，获得初始的轮辐设计结构实体，再根据设计意图，通过UG的曲面设计命令，设计复杂非规则形状的轮辐结构面，用这些曲面去修剪旋出的轮辐实体，即可以获得最终轮辐实体，将轮辐实体进行阵列得到全部轮辐，轮辐与轮辋求和生成整个车轮结构的实体3D模型。

图1为车轮实体设计3D模型。该实体模型为五轮辐结构，且每个轮辐本身又为对称结构，因此可首先生成车轮结构的十分之一，再通过对称、阵列而获得整个车轮结构的实体模型。

2车轮模具制作及铸造

2.1　模具设计制作

上述利用UG设计的车轮模型，经过强度、疲劳应力分析，确定设计可行后即进入车轮铸造模具的设计制作阶段，车轮模具的设计仍通过UG软件进行，结构上主要根据低压铸造机的结构及车轮的结构特点进行设计，可用车轮结构的3D实体模型裁剪生成。整个模具分侧模、上模和下模三个部分，其中侧模又分为四块，配合安装在低压铸造机上实现侧向的开闭，铸造生成轮辋的外侧形状，该部分为加工区域，因此对铸造模具无特殊要求，但需要设计合适的铸造梯度结构，避免铸造过程中产生过多的缩孔缩松等缺陷；上模为轮辐背侧及轮辋内侧的形状，除轮辐背侧的掏空部分外也均为加工区域，而轮辐背侧掏空部分多为印铸产品编号、品牌等信息的区域，因此对上模亦无特殊要求；关键是车轮模具中的下模，下模为铸造生成车轮结构整个外观面的主要模具结构，因为车轮的外观面多为非加工表面，因此，下模的外观质量和尺寸形状是整副模具开制成功与否的关键，在模具设计时该部分由车轮结构的外观面与模具实体相减生成，制作时采用CNC加工中心加线切割，并经手工研磨而成。

在模具的设计制作过程中，除以上结构特点外，为避免缩孔、缩松等铸造缺陷的产生，保证整个车轮的铸造质量，往往还要设计一系列的冷却系统，如气冷、水冷等管路，这部分结构与铸造工艺参数结合才能保证产品的铸造质量，一般先根据模具结构及低压铸造机的条件进行各种冷却管路的布置，再经过铸造模拟分析，利用如AnyCasting等铸造软件进行铸造过程的模拟仿真，来确定各个管路的开启、关闭时间、气温、水温等，从而为铸造生产确定合适的工艺参数。

2.2　车轮铸造

铝合金车轮多采用低压铸造完成生产，铸造过程中铝合金溶液从下向上被压入模具型腔内，首先充填的是上模与下模之间形成的轮辐部分，车轮外观面在下，根据铸造原理，由于车轮外观面不再进行后续加工，且具有较高要求，所以作为下模。为保证车轮的整体铸造质量，在上轮辋上还设有多个溢出孔以保证车轮结构的充分充填。低压铸造出的铝合金车轮还要依次经过X光检测、热处理、抛丸、机加工、涂装等工序才能制成成品。然后依据标准进行各种类型的检测，对于关键安装部位的尺寸、平面度、位置度等可通过相应的量具、仪器和设备进行检测，而对于非规则造型面的检测目前无法通过常规仪器准确测量，标准要求车轮的外观面误差一般应小于0.5 mm，因此，本文介绍一种利用3D扫描，逆向生成产品3D模型，再用相应软件将该模型与设计之初建立的实体设计3D模型进行比对的方法，进行车轮外观面的质量检测。

3车轮3D扫描与逆向造型

采用最新的手持式3D激光扫描仪Creaform(精度40微米)对车轮成品的外观面进行扫描。首先，对产品进行预处理，喷涂一层渗透剂以降低产品表面的亮度，避免由于反光影响扫描数据质量，并在产品表面贴一些荧光点，以使扫描仪方便定位和捕捉；其次，打开扫描仪开始扫描，手持扫描仪依次扫掠待检测区域，仪器自动捕捉荧光点进行立体定位，从而获得3D立体的扫描数据，扫描仪连接的电脑上扫描软件窗口会实时显示已完成扫描位置的图像，如图像显示有缺失位置，还可以对缺失位置进行重复扫描；然后，对扫描得到的数据进行去噪处理，去除一些不需要的数据点及产品外的漂浮点；最后，利用3D扫描仪软件和扫描得到的数据逆向生成扫描区域的3D模型。

图2给出了对车轮产品进行喷涂、贴点预处理后的效果图，图3为对车轮外观面进行3D扫描时扫描仪软件中生成的显示图像，图4为利用3D扫描仪软件中的去噪处理及逆向造型生成的车轮外观面模型。

4产品外观质量检测

将产品扫描数据生成的模型和车轮实体设计3D模型均导入Geomagic Quality软件中进行比对分析，导入的扫描模型和设计模型如图5所示。利用Geomagic Quality软件中的三维偏差分析，可通过色带变化的方式显示两模型之间的误差，如图6所示，其中红色(用+表示)和蓝色(用-表示)分别代表最大正偏差和最大负偏差，绿色(用0表示)为偏差最小为零的区域。通过点取模型上的局部任意位置点可显示该位置的具体偏差值，如图7所示，根据X，Y，Z三坐标的正负偏差值大小确定模型调整的方向。

图2扫描预处理效果图 图3产品扫描中图像显示

图4扫描数据生成的模型 图5导入的扫描模型和设计模型

5结论

利用以上方法，根据综合比对分析的结果，可给出比对分析报告，从而评定生产实物与原有设计模型是否一致，如果满足标准要求则可以进入批量生产，反之就要分析原因重新修正。这一质量检测分析技术的应用，使得大规模批量生产的铝合金车轮制造企业废品率大大降低，成品合格率达到99%以上，大大减少企业因报废、返修造成的成本浪费，有力提高了企业的经济效益。

图6偏差分析结果

参考文献:

[1] 尤金艳. 基于弯曲与径向疲劳试验的铝合金车轮有限元分析[D]. 广州：华南理工大学, 2013.

[2] 乔文明, 李颖, 王晨. 铝合金汽车轮毂设计过程探讨[J]. 科技创新导报, 2012(24)：18-21.

[3] 李芬, 王凯, 郭超. 浅谈三维激光扫描技术原理及应用[J]. 中国科技纵横, 2012(1)：31-37.

[4] 王婷, 高东强. 基于逆向工程的自由曲面模型重建技术[J]. 陕西科技大学学报(自然科学版), 2011, 29(5)：73-77.

[5] The European Tyre and Rim Technical Organisation. ETRTO STANDARDS MANUAL 2009[S]. Brussels Belgium: E.T.R.T.O. publication, 2009.

[6] 日本自動車タイヤ協会. JATMA YEAR BOOK[S]. 東京: 株式会社シンセイ, 2011.

The Appearance Surface Checking of Aluminum Alloy Wheel Based on 3D Scanning

YAN Sheng-zan1, LIU Wei-peng2, WANG Shu-shan2

(1. Computer and Information institute of Anqing Teachers College, Anqing 246133, China；

2. Wanfeng Wheel Co. Ltd. of Wanfeng Auto Group, Xinchang 523001, China )

Abstract:Combined with 3D laser scanning, reverse modeling and three-dimensional CAD technology, setting the checking precision according to the wheel designing standard, the appearance surface quality of aluminum alloy wheel was checked and analyzed. The check result can guide the modification of the casting mould, which can reduce or avoid scraps. The real check results show that this method has high practical value in engineering.

Key words:aluminum alloy wheel, 3D scanning, reverse modeling, appearance surface

中图分类号：TP399

文献标识码：A

文章编号：1007-4260(2015)01-0036-04

DOI：10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2015.01.010

作者简介：闫胜昝,女,河北辛集人，博士,安庆师范学院计算机与信息学院讲师，主要研究计算机技术应用、机械产品结构设计及力学分析、工业设计等。

收稿日期：2014-08-07