当代数字机床刀具的光学3D扫描数字化模型研究

马冬雪 孟丽华 李莹 郭秉坤

摘要：智能制造是当今工业领域的重要话题，数字化机床是智能制造不断深入发展的重要工具。数字化机床中，刀具磨损对切削力有十分重要影响，且对刀具颤振也有一定影响，本文提供了一种优秀的数字三维模型采集方法（GOM ATOS Triple Scan系统），在论文的主体部分，详细描述了所选物体的具体三维扫描过程。本文的研究为三维扫描小尺寸的零件提供最佳的选择（数字机床刀具）。通过对比颜色偏差图研究了球头立铣刀的磨损问题，期待本文的研究对相关工业的发展有所启迪。

关键词：机床刀具;三维扫描;数字化建模;磨损;计算机辅助设计

0  引言

目前，随着我国智能制造4.0概念在制造业中的不断渗透，计算机辅助技术成为智能化制造的重要基础手段，所谓逆向工程是指利用合适的计算机辅助技术，对现有的真实物体生成计算机数字模型的过程[1，2]。获得的计算机数字化模型可应用于工程设计、仿真、有限元分析等特定场合中[3]，然而，当代数字机床中切削等工具[4]的三维扫描应变研究不如自由曲面或各种机械零件的广泛。原因之一可能是缺乏三维数字化设备。三维数字化设备能够数字化的刀具资源。其零件（如切削刃）具有较高的精度要求（如切削工具为百分之一毫米）[5，6]。本文使用了光学GOM ATOS Triple Scan系统，对某球头立铣刀进行了光学3D扫描，并建立了数字化模型。本文的研究为三维扫描小尺寸的零件提供最佳的选择（数字机床刀具），并通过对比颜色偏差图研究了球头立铣刀的磨损问题，期待本文的研究对相关工业的发展有所启迪。

1  球头立铣刀的数字化建模过程

两个球头立铣刀型号为：970L100-TRIBON 10x15x125 R0.5 D10，如图1所示，其中一个是未使用的（左），另一个已被使用（右）。

球头立铣刀主要用于具有自由曲面的型腔铣削加工。在磨损研究方面，数字化的一个重要部分是工具的端头建模[7]。扫描小零件数字化范围内的刃口，采用直径为0.4mm的未编码参考点进行数字化[8]。为了更好地对齐，有必要将刀头与刀架的一部分一起扫描（图1所示）。由于球头立铣刀的切削刃上有光泽的表面和锐角，因此用酒精稀释的钛粉混合物喷涂在切削刃周围区域。使用喷枪将该混合物施加到扫描对象上[9，10]。

两个刀头的数字化运行是相同操作。在3D扫描仪传感器下方的桌子上建立模型，每次测量（扫描）后，刀头围绕旋转轴旋转约20°，因此可以看到先前扫描位置上的参考点（要求将两个连续的测量结果缝合在一起扫描）。捕获刀头的整个周边之后，3D扫描仪将测量体积的一半移向刀架，此偏移约为10-15mm。同样，必须让摄像机至少保留三个可见点。在每次移动20°旋转扫描后，不再需要将扫描区域移动到柄的高度，而是将其旋转到大约45°即可（旋转始终取决于可见点的数量）。在图2上是蓝光在扫描对象上的投影，并利用GOM ATOS Professional v7 SR2软件进行数字化模型的建模，如图3所示。

2  数字化模型细节

如图4是数字化模型的细节，也就是所谓的多边形数字模型。在图3和图4中，我们可以看到，在每一个参考点被卡住的地方，都会在多边形化后出现一个孔。这些洞必须堵住，下面我们介绍两种方法。

如图4所示，是孔洞填补完成后的效果。第一种方法，填充这些孔洞需要使用軟件GOM ATOS的专业功能，称为“填充参考点”，意思是，GOM ATOS专业软件自动填补空白，留下他们的参考点。当使用软件特性进行自动补孔时，在某些情况下，补孔区域效果并不是最佳的。多边形化也是在没有自动填充孔的情况下完成的，这些孔随后被手动填充。第二种方法，在手动补孔时，软件用户可以通过改变参数来改变补孔的外观。实际操作过程中，相比自动填补孔来说，大规模的手动填补似乎是一个更糟糕的选择。在多边形化之后，使用的是GOM ATOS Professional软件导出，即STL格式的数字模型。参考模型为未使用的球头立铣刀的扫描模型。在这种情况下，我们想知道使用过的工具与未使用的工具有何不同。

3  刀头的数字化模型比较

捕获偏差颜色分布图的第一步是将两个数字模型相对对齐。可以通过“局部最佳拟合”和“预对准”两个功能来实现。“预对准”功能是一种基本对准，也就是所谓的“第一模型对齐”[5，9]。软件通过它们的整个表面相似性建立数字模型，找到最常见的区域并计算“平均”位置。其他的比较也可以在此建立之后编译。一种选择是在相同的位置建立数字模型坐标系，并进行校准。此选项主要用于“正方体”及形状相似的零件。在旋转零件（如球头立铣刀）的情况下，坐标系的定位（旋转）是比较困难的。坐标系放置在同一点，Z轴通过工具的旋转轴。问题是X轴和y轴的设置，他们的方向在两个数字模型上无法协调。

本文的目的是比较两个刀具的尖端有什么不同。在图5中显示了刀具在两个确定位置上的切削刃。在所有的图像上，黑点（除了切割边缘）是由粘贴和后来的数字填充参考点造成的。规模偏差设定为±0.02mm。

在图5中可以看到，两种拟合方法均显示，切削刃上的偏差值以负数表示，这意味着在球头立铣刀的切削刃上有材料损失。在铣刀尖端和刀刃区域的0.01mm的不同设定值（“预对准”与“局部最佳配合”）中，值都没有变化。但是，两个数字模型的刀刃都是可能由于扫描部分四舍五入导致评估有一定的不确定性。本文目标是将这两种工具数字化，并比较它们的3D模型。为了更好地记录下切割边缘，还对其进行了喷涂。通过对两个扫描的数字模型进行CAD比较并评估色偏图（图5），可以实现对工具磨损的研究。发现在使用过的工具的切削刃上会出现轻微的材料损失。根据颜色偏差图，刀沿上的刀具磨损参数值为-0.02mm。

4  结论

综上所述，GOM ATOS Triple Scan系统提供了一种优秀的数字三维模型采集方法。本文的研究为三维扫描小尺寸的零件提供最佳的选择（数字机床刀具）。具体来说，改进小零件三维扫描的方法是在三维扫描过程中，使被扫描零件夹紧方式更加精确，对零件的操作更加精确。五轴精加工条件下刀具的磨损研究是一个重要且前沿的研究领域。刀具磨损对切削力有十分重要影响，且对刀具颤振也有一定影响，本文的研究有望对类似领域的研究提供借鉴和参考。

参考文献：

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