基于白光相移原理的测量系统在铸造模具检测中的应用
白光干涉仪在材料科学与加工制造领域的应用
白光干涉仪在材料科学与加工制造领域的应用
白光干涉仪作为一种表面分析设备，可用于分析材料的形貌信息及表面粗糙度，已经成为材料科学与加工制造研究领域必不可少的仪器设备。
白光干涉仪工作原理
白光干涉仪是一种利用干涉原理测量光程之差从而测定有关物理量的光学仪器。
两束相干光间光程差的任何变化会非常灵敏地导致干涉条纹的移动，而某一束相干光的光程变化是由它所通过的几何路程或介质折射率的变化引起，所以通过干涉条纹的移动变化可测量几何长度或折射率的微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量。
测量精度决定于测量光程差的精度，干涉条纹每移动一个条纹间距，光程差就改变一个波长，所以干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的，其测量精度之高是任何其他测量方法所无法比拟的。
白光干涉仪应用
白光干涉仪在材料科学研究，新型材料制备等方面有着广泛应用，比如测量材料基体和镀膜后表面形貌和粗糙度，测量材料的磨损性能（通过白光干涉仪测量磨损轮廓和粗糙度）。
因此白光干涉仪在各大专院校材料学院、新型材料研究所以及相关企业实验室应用非常广泛。
白光干涉仪主要技术指标
注：粗糙度性能参数依据ISO 25178国际标准在实验室环境下测量Ra为0.2nm硅晶片Ra参数获得；
台阶高性能参数依据ISO 25178国际标准在实验室环境下测量4.7µm台阶高标准块获得。
浅谈模具数字化设计与制造技术
浅谈模具数字化设计与制造技术陈平;杨本伟;尧军【摘要】数字化设计与制造是计算机技术、制造技术、网络技术与管理科学的交叉、融和、发展与应用的结果，也是制造企业、制造系统与生产过程、生产系统不断实现数字化的必然趋势。
它使原有的传统制造业变成了智力型的工业，使企业主要通过资源要素（如劳动力、设备、资金）竞争逐渐变为以创新能力知本型的竞争。
目前，世界科技已由20世纪的“机械化时代”迈入了21世纪的“智能化时代”，模具数字化设计与制造技术的发展应以提高自动化和智能化水平为主，积极创新和采用高新技术，逐步将CAD/CAE/CAM/IT和模具系统集成化一体，最终实现模具的无纸化、数字化、自动化加工。
【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2015(000)009【总页数】4页(P49-52)【作者】陈平;杨本伟;尧军【作者单位】普什模具有限公司;普什模具有限公司;普什模具有限公司【正文语种】中文自20世纪80年代改革开放以来，中国以其资源丰富、人才富集、基础建设完备、政策支持等优势迅速成为“世界工厂”，各类产品以“物美价廉”的优点畅销世界各地。
在改革开放的浪潮中，作为各经济大国国民经济支柱产业的制造业，一直保持着快速发展的趋势。
模具，是以特定的结构形式通过一定方式使材料成形的一种生产工具或工业产品，它在航空、航天、汽车、轨道交通、新能源、食品、饮料、医疗器械等各行各业中都发挥着重要作用，因此模具工业素有“工业之母”的称号，其发展水平是制造水平的重要标志之一。
中国制造业的快速发展带动模具产业的发展，模具产业的创新又支撑着制造业的新一轮快速发展，两者相互依存、相互促进。
此外，由于市场和成本等因素，发达国家的模具产业也在逐步向以中国为代表的发展中国家转移。
这些综合因素促成了我国模具工业的高速发展。
根据我国模具工业协会经营管理委员会提供的数据来看，我国模具以平均15%的年增长率高速发展，高于国内GDP的平均增值一倍多，发展态势十分活跃。
ATOS光学计量系统助力客户成为熔模铸造模具行业领导者
Inspect 软件集合了我们想要的一切功 能，尤其是在逆向工程方面。针对使用 免费版 GOM Inspect 软件的客户，我们 提供检测服务。也正因为有能力获取全 域 数 据 图， 我 们 接 触 到 了 更 多 新 客 户。 客户可以从我们这里得到不同尺寸的金 属零件扫描图及网格。然后通过免费版 软件，进一步开发他们的产品设计。其 中一些客户甚至非常有意愿自己购买 GOM 的扫描仪。”
我们对市场上不同的计量扫描系统进行 置。”Didier Simon 先生开心地分享道，
了基准化分析。”MOB 公司 3D 打印部门 “有些零件甚至可以直接放在托盘上进行
经理 Didier Simon 先生说道。
检测。”
GOM 扫描系统的现场演示给 Didier
“过去我们只能对零件表面逐点进
Simon 先生和他的同事们留下了极为深 行检测。现在有了 GOM 3D 扫描仪，我
接触光学 3D 计量技术的契机
2017 年，MOB 公 司 对 3D 打 印 业 务产生了兴趣，同时开始研究如何用更 优化的 3D 测量方法来代替传统三坐标 测量法。在此之前，除了曾经尝试过一 些使用速度慢、负担重的激光扫描仪外， MOB 公司对 3D 扫描并没有什么了解。
自动光学检测技术及其在缺陷检测中的应用综述
自动光学检测技术及其在缺陷检测中的应用综述一、本文概述随着科技的不断进步和工业的快速发展，产品制造过程中的质量控制与缺陷检测成为了保证产品质量的关键环节。
自动光学检测技术作为一种非接触、高效率、高精度的检测方法，在现代工业生产中得到了广泛的应用。
本文旨在对自动光学检测技术进行深入探讨，分析其基本原理、技术特点以及在实际应用中的优势和挑战。
本文将重点综述自动光学检测技术在缺陷检测领域的应用现状，包括其在半导体、电子、汽车、医疗等行业的实际应用案例，以期为未来该领域的研究和应用提供有益的参考。
本文首先介绍了自动光学检测技术的基本原理和发展历程，阐述了其在缺陷检测中的优势和适用范围。
接着，详细分析了不同类型的自动光学检测系统的结构和工作原理，包括基于机器视觉的检测系统、基于激光扫描的检测系统以及基于光谱分析的检测系统等。
在此基础上，本文进一步探讨了自动光学检测技术在各种工业领域中的应用情况，分析了其在实际应用中面临的挑战和解决方案。
本文展望了自动光学检测技术的发展趋势和未来研究方向，旨在为相关领域的研究人员和工程师提供有益的参考和启示。
二、自动光学检测技术的基本原理自动光学检测（Automated Optical Inspection, AOI）技术，作为一种先进的非接触式表面缺陷检测技术，近年来在工业制造、质量控制、生物医学、安全监控等多个领域得到了广泛的应用。
其基本原理是通过高精度的光学系统捕获目标对象的表面图像，并利用图像处理技术和算法对捕获的图像进行分析和比对，以自动检测、定位和识别目标对象的表面缺陷或异常情况。
在AOI系统中，通常包括光源、光学镜头、图像采集设备、图像处理单元和控制系统等几个关键部分。
光源负责为目标对象提供足够的光照，以凸显出表面缺陷或特征。
光学镜头负责将目标对象放大到图像传感器能够分辨的范围内，并将反射光聚焦到图像传感器上。
图像采集设备，如CCD或CMOS相机，负责将光学镜头聚焦的光信号转换为电信号，生成数字图像。
ATOS扫描在模具制造中的应用
PART THREE
未来发展
03 未来发展
行业现状
汽车生产中90%以上的零部件需要依靠模具成形，在美国、日 本等汽车制造业发达国家，模具产业超过40%的产品是汽车模 具，而在我国仅有1/3的模具产品是为汽车制造业服务的。
行业前景 高新技术
据中国汽车工业协会统计的数据预测，2015年中国汽车产能 达到3400万辆，如此庞大的市场需求将为中国的汽车模具产 业带来无限的商机。我国模具行业要向集约型路线发展，走 集约型发展路线，务必要向“低投入、高产出”的经营目标 而努力，这需要模具企业从多个方面着手进行变革。
03 未来发展
人
人
机
新技术的融合理解
高新设备的引入
新的设计理念思路的转变 先进精密仪器提供有效的
新的加工调试方法的推广 过程监理及管控
法
机
料
法
材料成本的降低
设计方法的改进
意外损耗的减少
编程环节的改善
料
加工效率的提高
手工研修向自动化的过渡
调试产出周期的缩短
03 未来发展
PART FOUR
数据展示
如图为某国外知名汽车厂商产品，通过扫描检测，可以清晰看出实际铸件的加工余量情况，根据实际余量 情况进行数控编程规划，使用ATOS软件处理后的实际铸件数据进行编程加工。通过几年来的实际应用观察， 平均提高数控加工效率高于30%-40%，对自动化数控加工起到不可替代的作用。
02 主要应用
ATOS光学扫描在精加工模具检测中的应用
如图为某国外知名汽车厂商产品，通过扫描检测，可以清晰看出加工后模具虚拟合模状态与理论数模合模 状态是否一致，若存在偏差，及时进行返修处理。
02 主要应用
ATOS光学扫描在调试完成模具数据采集中的应用
白光干涉测距原理
白光干涉测距原理一、引言干涉测量是一种基于光的干涉现象的精密测量技术，具有高精度、高分辨率的特点。
白光干涉测距作为其中的一种，利用白光干涉原理来测量距离。
相比于其他测距技术，白光干涉测距具有更高的精度和稳定性，因此在许多领域都有广泛的应用。
本文将详细介绍白光干涉测距的原理、系统构成、优点、应用领域和结论。
二、白光干涉测距原理白光干涉测距的基本原理是利用白光干涉现象来测量距离。
当两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，如果它们的相位差是2π的整数倍，则会出现干涉加强，形成明亮的干涉条纹；如果相位差不是2π的整数倍，则会出现干涉相消，形成暗的干涉条纹。
通过测量干涉条纹的位移量，可以计算出两束光波之间的相位差，进而求得目标物体的距离。
在白光干涉测距中，光源通常采用白光，因为白光包含了可见光谱中的多种波长。
通过干涉仪的分束器将一束白光分成两束或多束相干光波，分别经过不同的路径反射回来后再次在分束器上叠加。
由于不同波长的光波在相同反射条件下具有不同的相位变化，因此会形成不同波长的干涉条纹。
通过分析这些干涉条纹，可以获得不同波长下的光程差信息，进一步求得目标物体的距离。
三、系统构成白光干涉测距系统主要由光源、分束器、干涉仪、探测器、信号处理和控制系统等组成。
1.光源：采用稳定的白光光源，保证输出的光信号具有稳定的波长和功率。
常用的白光光源有发光二极管、激光器等。
2.分束器：用于将一束白光分成两束或多束相干光波。
常用的分束器有棱镜、光栅等。
3.干涉仪：用于产生和检测干涉现象。
根据不同的测量需求，可以采用不同的干涉仪结构，如Michelson干涉仪、Mach-Zehnder干涉仪等。
4.探测器：用于接收和检测干涉条纹的光信号。
常用的探测器有光电倍增管、光电二极管等。
5.信号处理和控制系统：用于对探测器接收到的信号进行处理和分析，控制整个系统的运行。
常用的信号处理和控制系统包括数据采集卡、微处理器等。
四、优点白光干涉测距具有以下优点：1.高精度：由于干涉现象对光波的相位变化非常敏感，因此可以获得高精度的测量结果。
多光束移相干涉在镀膜平面形貌测量的应用研究
图 ２ 多光束 干涉条纹光强分 布图
一
７一
维普资讯
１ 条纹是等光程差路径或是等高线的表现 ， ） 条 纹越 细 ， 在二 维 平面 上 的分辨 力越 高 ， 也就 是越 能精
倾 干 涉 的方法 。
平面的测量原理 ， 及其应用实现方法。
１ 多光束 干涉原 理及 系统构 成
多 光束干涉 是相 对 于双 光束 干涉 而 言 的。双 光
束干涉是指产生干涉的光束由参考光束和测量光束 互相叠加形成的干涉， 其干涉条纹的光强具有近似正 弦曲线的分布 ， 见图 １ 所示 ， 双光束干涉 的应用很普 遍， 如商品化的激光干涉仪 ； 而多光束干涉则不同， 参 与叠加干涉的光束是多个相干光束 ， 干涉条纹宽度比 起 双光束要 细很 多 ， 涉表 面 的反 射 率越 高 ， 干 干涉 条 纹越细 ， 典型的多光束干涉应用是 Ｆ— Ｐ干涉仪（ 法 布里 一 珀罗干涉仪） 。多光束干涉条纹的特点是 ： 光 强不再具有 近似 正 弦分 布 ， 图 ２所 示 ， 纹 半强 度 见 条 的宽度相对于条纹间距 比值很小 ， 条纹细、 而条纹 间 距宽的特点 ， 正是本文中多光束干涉移相法测量平面
确地 反 映 出光学 平 面 的凹 凸位置 所在 ； ２ 条纹 间距 越 大 ， 在一 个 条 纹 间距 内插 细分 ） 为
科学全面 、 真实可靠。本文 中采用在一个 条纹间距
内进行 十移相 细分 的方 法 ， 即通 过 移 相 驱 动 在 一个 条纹 周期 内采 集 到等相 移 的 １ 图像 ， 别解 包 裹 ０幅 分 后将 得 到十组 测 量 结 果 ， 最后 再 加权 处 理 获 得 被 测 表 面的形 貌数 据 。从理 论 上 而言 ， 相 步数越 多 ， 移 测 量结 果 的数据 越 能 反 映被 测 平 面 ， 移 相 步 数 的大 但
基于白光相移原理的测量系统在铸造模具检测中的应用
按 照均衡 凝 固理论 ，采 用 浇注 系统 分 散 均匀 引 人， 利用 飞边 冒 口良好 的 自适 应 调 节作 用 ， 注 的铸 浇
２ 魏兵， 张 袁森， 卫华． 铸件均衡凝固技术及其应用［ 京： Ｍ 机械工 业出版社＇ ・
ｏ ｌ Ｔ 中国铸造装备与技术 ６ ２０ Ｆ ／０ ８
Ａｂ ｔａ ｔＴ ｅ ｐ ｉｃｐｌ ｆ ｈ ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔｓ ｓｅ ｂａ ｅ ｐ ｎ ｐ ａ ｅ ｓ ｉｉｇ ｕ ｉｇ ｗｈｔ ｉｈ ｎ ｓｒ ｃ ： ｈ ｒ ｉ ｅ ｏ ｅ ｍ ａ ｕ ｅ ｎ ｔ ｎ ｙ ｔ ｍ ｓ ｄ ｕ ｏ ｈ ｓ ｈｆｎ ｓｎ ｉ ｌ ｔａ ｄ ｔ ｅ ｇ ｔ ｅａｇ ｒ ｈ ｏ ａ ｅ ｎｄｉｃ ｓ ｅ ｗｈｃ ｓ ｄ ｉ ａ ｔ ｇ ｍ ｏｄ ｄ ｓｇｎａ ｄ ｅ ｒ ｒ ｅ ｅ ｔ ｎ ｈ ｌｏ ｉ ｍ ｆＣＰ ｈ ｓｂ ｅ ｓ ｕ ｓ ｄ， ｔ Ｉ ｉｈｉ ｕ ｅ ｃ ｓｉ ｌ ｅ ｉ ｎ ｒｏ ｔｃ ｉ ． ｓ ｎ ｎ ｄ ｏ Ｋｅ ｗｏ ｄ ｇ ａｉｇ ｐ ａ ｅｓ ｉｉｇ，ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ｙ ｔ ｍ ， ａ ｔ ｇ ｍｏｌ ＣＰ ａｇ ｒ ｈ ｙ ｒ ｓ： ｒ ｔ ｈ ｓ ｈｆ ｎ ｎ ｔ ａ ｕｅ ｎ ｓｅ ｓ ｃ ｓｉ ｎ ｄ，Ｉ ｌｏ ｉ ｍ ｔ
逆 向工 程 （ ｅｅｓ ｎ ｉｅｒ ｇ 般 指 的是 通 Ｒ ｖ ｒ Ｅ ｇｎ ｅｉ ） ｅ ｎ
大幅 地缩短 模具 的开 发周期 。
１ 基 于光栅 相 移测量 原 理的逆 向工程扫 描技术
过各 种 测量 手 段 ， 对现 有 的产 品样 品 ， 用 ３ 针 利 Ｄ数 字化 测量仪 器 准确 、 速地测 得 其轮 廓坐 标 ， 进行 快 并 三维 Ｃ Ｄ面 型重构 ， 原有 实 物 转化 为计 算 机上 的 Ａ 将 三维数 字模 型 ， 对模 型进行 优化 分析 和 加工 ， 可 并 还 在 此基 础上 进行 再设 计『 其 中几 何 的三维 信 息 的获 １ Ｉ ， 光 栅相 移 测量 的原 理是 用 白光 作 光源 ，将 光栅
光学检测技术在汽车冲压模具制造过程中的应用
光学检测技术在汽车冲压模具制造过程中的应用摘要：伴随市场经济不断放开，汽车产业的生存空间被压缩，汽车制造企业要想生存与发展，需要增强自身实力。
技术更新是提升实力的有效途径，尤其是汽车冲压模具方面。
然而受诸多因素影响，冲压领域技术更新进度迟缓。
为此，本文就如何在冲压模具制造中应用光学检测技术进行探讨，旨在提升模具制造水平。
关键词：光学检测技术；汽车冲压模具；应用前言随着时代变迁，各类科学技术进步显著，其中包括光学检测技术。
利用此项技术可实现数字化转型，所以被广泛应用在各领域。
传统冲压模具检测技术已然不能适应时代发展需要，将光学检测技术引进冲压模具制造中可显著提升检测效率及精准度。
基于此，本文从光学检测技术的原理及方法入手，谈一下如何在汽车冲压模具制造环节运用光学检测技术，以供相关人员参考。
一、光学检测技术的概述（一）基本原理光学检测仪主要由扫描头与光栅光源构成，其中扫描头配置两个CCD镜头，分别位于仪器的两侧。
在检测过程中，光源会发射光栅条纹到检测物品上，由CCD镜头对其同步测量，短时间内可形成检测数据。
检测数据具有三维立体、点云分布的特点。
光学检测仪会采取拼接技术将检测数据归入同一坐标系中，这时即可获得最终扫描数据。
（二）基本方法光学检测技术主要分六步进行：第一步，检测人员要在模具上喷洒显影剂，为后续扫描工作做好铺垫。
第二步，检测人员在模具上粘贴参考点，以此作为扫描工作的重要依据。
第三步，使用仪器对模具进行拍照，并将拍照结果导入软件中。
软件会自行生成编号，将形成公共基准。
第四步，检测人员将扫描头对模具进行扫描，以此获取点云数据。
第五步，数据经过三角化处理，生成网格数据。
第六步，通过网格数据实现检测误差分析。
二、光学检测技术在汽车冲压模具制造过程中的应用（一）方案设计在方案设计过程中有几方面较难把握，一是回弹补偿量、二是锅底、三是强压值。
以往冲压人员仅依靠理论分析，以至于结果存在较大偏差。
此种设计方案已然不合时宜，因此需要将光学检测技术引进方案设计中，以此提升设计的合理性。
随时对模具进行监控测量——白光拍照测量技术是如何做到的
随时对模具进行监控测量——白光拍照测量技术是如何做到的随着目前模具生产厂家对现场质量控制、流程优化、数据保存等要求的不断提高，也要求测量设备能够提供更加及时、准确、直观的反馈模式。
拍照式便携设备以其优越的车间现场适应性能，测量数据的可靠性，软件功能的完备性也将越来越多地出现在模具车间里，成为生产加工中非常有利的辅助工具，为缩短模具的生产周期及降低成本节约带来新的应用方案。
模具试制过程中的问题现代模具制造及CAD/CAM/CAE的技术日益成熟，越来越多的程式化、标准化生产技术应用的出现，都在推进模具行业各个环节往更快速，更完善的方向发展。
如何能够在模具设计完成之后更高效地完成模具从制造到试生产再到真正投入实际生产的过程，成为了更需要解决的问题。
将检测设备贯穿在模具的制造环节中，能够对加工中的模具进行阶段性有效的监控和检查，快速反馈制造中的问题，为工程人员的工艺修改提供依据；将检测设备应用在试制阶段中，能够利用虚拟或实际的配合关系分析，对模具合模状态提前预警，大大缩短了周期并降低了制作成本；将检测设备应用在模具验收阶段中，可以以数字化的形式记录模具状态、数据备份，从而为后期模具修改及恢复提供原始依据。
与模具相关的检测或问题诊断往往发生在制造、生产和实际应用过程中，而模具重量较大，一般都不易搬离，因此测量设备除功能要满足检测要求以外，设备本身还要具备能够在焊接、冲压等恶劣环境条件下工作，并且方便移动的性能。
而常规的固定式检测设备因为其欠缺方便移动和大范围（10℃以上）温度变化适应能力，因此在模具现场测量的应用中略显不足。
白光拍照测量技术及主要应用近年来，工业测量不再只局限于局部点及形位公差的测量，而是在此基础上更侧重于最终产品的外观形状的质量控制、因此光学测量技术以其测量数据的完备性、测量及分析方法的多样性而在工业测量中占有越来越大的比例。
作为光学测量的一种，白光拍照式测量设备( 如图1) 具有高效、便携、快速的特点，既能够在模具生产环境及制造过程中进行工作，同时又能满足模具制造过程中检测的需求，因此在模具的整个制造环节中发挥着越来越重要的作用。
汽车模具制造中的光学检测技术
汽车模具制造中的光学检测技术在我国汽车市场竞争日益白热化的今日，汽车主机厂对汽冲压车模具也随之提出了更高的要求。
但由于目前我国汽车冲压模具制造的铸件水平低下、数控加工自动化水平广泛不高、且模具钳工研修量大等问题，就致使了我国汽车冲压模具制造业竞争力的低下。
针对这些问题，收集了大批的数据并推行了详细的剖析，并提出了拥有针对性的建议，以期对有关人员有所辅助。
1泡沫实型的点数据收集与剖析一般来说，采用三坐标划线机是对泡沫实型推行加工余量检测的主要方式。
编程人员预先会将加工型面的理论数据以数据表的形式表现出来。
检测人员则会检测泡沫实型的对应地点。
这类检测方式是依照数据表来对余量的大小推行判断的，但难以全面地对泡沫的实型整体实行加工余量剖析。
由于设施检测范围的限制，不方便对大型工件推行检测，致使没法对检测后的结果存档。
假如铸件毛坯加工型面发生变形、余量不平衡或加工余量不够，就难以对其所存有的问题推行合理的推测。
经过对照相丈量系统的应用范围加以扩展，来将应用单反相机将模具铸件泡沫实型的失散点3D坐标推行迅速收集。
并经过比较分析照相收集数据与理论实体数模，即可将泡沫实型加工余量的散布状态表现出来。
此种检测方式，可以对余量结果推行数据化分层，并能够利用不一样的色彩来划分出余量的误差结果。
进而可以使有关人员直观地检查与判断出工件余量散布能否合理。
较之三坐标划线机检测方式，点照相检测方式有以下长处：一是可以将编程人员赐予检测数据点出图这个步骤省去；二是可以使检测中发生的人为失误加以防备；三是对铸件整体余量散布状态可以推行综合评定，进而使手工改正时间得以减少；四是使三维数据的检测结果得以保存，进而使往后检验变得更为便利；五是可以提高检测效率；六是可以使加工余量及锻造缩比的设置参数获得进一步的优化。
而实行此项目不只可以使泡沫实型的制作工艺获得进一步的提高，并且可以实现实型制作、实型检测、铸件检测及加工基准的一致。
2铸件毛坯的点数据收集与剖析一般来说，铸件加工采用试切的手段，无对刀基准及表面余量检测环节，但结果占用了过长的数控设施准备时间，降低了机床的有效利用率，且安全性不高。
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顶部表面被铁液烘烤的时间也较长，这样容易造成 铸件顶部剥落结疤。经计算并根据实际情况取浇注 时间为 9～11s。
3 结论 按照均衡凝固理论，采用浇注系统分散均匀引
入，利用飞边冒口良好的自适应调节作用，浇注的铸
关键词：光栅相移，测量系统，铸造模具，ICP 算法 中图分类号：TG241;文献标识码：A；文章编号：1006－9658（2008）06－2 Abstract：The principle of the measurement system based upon phase shifting using white light and the algorithm of ICP has been discussed，which is used in casting mold design and error detection. Keywords：grating phase shifting，measurement system，casting mold，ICP algorithm
秦大辉 王从军 史玉升 李中伟 （华中科技大学材料成形模拟及模具技术国家重点实验室，武汉市 430074）
摘要：三维几何信息的获得是逆向工程中极为重要的一部分工作。铸造模具设计和加工过程中，针对铸造 模具的数字检测是最重要的工作之一。本文讨论了白光光栅扫描测量系统原理和 ICP 算法及它们在铸造模 具设计与检测中的应用。
可。这样不但减 少了产品的生 产周期同时还 降低了加工成 本 。 如 图 2、图 3、图 4、图 5 所 图 2 汽车发动机铸造模具实体 示。
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中国铸造装备与技术 6 ／ 2008
装备技术 EQUIPMENT TECHNOLOGY
火车钩头专用落砂抛丸清理机
Special Shot Blasting Machine Designed for Locomotive Hook
装备技术 EQUIPMENT TECHNOLOGY
基于白光相移原理的 测量系统在铸造模具检测中的应用
Application of the Measurement System Based upon Phase Shifting Using White Light in Casting Mold Detection
首先给出物体坐标{Pi|Pi∈R3，i=1，2，…，Np}及模 型坐标{Qi|Qi∈R3，i=1，2，…，Nq}，在第 k 次迭代中计 算与物体坐标相对应的对应点坐标为 {Qik|Qik∈R3，i =1，2，…，Nq }，计算 P 与 Qk 之间的变换矩阵并对原 变换进行更新，直到数据间的平均距离小于给定的 阈值 τ，即满足方程（5）最小。其步骤为：
条纹图投射到被测物体表面，光栅条纹被物体表面 调制。被调制后的条纹通过采用相关解调方法将携 带物体深度信息的相位解调出来，最后根据相位和 深度的关系，得到物体的三维信息。典型的测量系统 组成原理如图 1 所示。
相移法直接在空间域内进行图像处理，经过多 年的发展，技术已经成熟，目前已非常广泛地应用在 光学测量技术上。在光学测量中，三步相移算法需要 最少的条纹图片，因此，这种算法一个很大的优点就 是速度快[3]。因此，在本项目中采用三步相移算法，所 以需要三幅正弦条纹图，相位依次相差 2π/3。三幅正 弦条纹图的光强度函数分别为：
我公司通过多次试验和改进，已成功地研制出 火车钩头专用落砂抛丸清理机。该落砂抛丸清理机 通过三步来完成钩头的清理，即内腔一次抛丸、外表 面抛丸和内腔二次抛丸。本机主要适用于（直径×高） 尴900mm×1200mm 内的多类火车钩头的抛丸处理。
尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴尴
49
装备技术 EQUIPMENT TECHNOLOGY
物体
（-2π/3）（0）（2π/3）
基于三步相移技术 的投影条纹
投影仪
包裹相位 的图像
由 CCD 拍摄 的图像
物体的三 维形貌
图 1 测量原理图
I（1 x，y）=I（′ x，y）+I（″ x，y）cos[φ（x，y）-2π/3] I（2 x，y）=I（′ x，y）+I（″ x，y）cos[φ（x，y）] I（3 x，y）=I（′ x，y）+I（″ x，y）cos[φ（x，y）+2π/3] 式中 I束语
逆向工程是
一项重要的技
术，在模具产品
设计、制造和检
测领域都有重要
的用途，而且能
够大幅地缩短产
图 3 汽车发动机逆向扫描点云数据
品的开发周期，
降低产品的开发
风险和成本。本
文通过对汽车发
动机铸造模具的
实践检验取得了
很 好 的 效 果 ，并
取得了很好经济 效益。
图 4 汽车发动机 CAD 数据
参考文献
基金项目：2007 年粤港关键领域重点突破项目（2007498212） 收稿日期：2008－09－22 文章编号：2008－127 作者简介：秦大辉（1980-），男，博士研究生，主要研究方向：快速成
形，机器视觉，图像处理
大幅地缩短模具的开发周期。
1 基于光栅相移测量原理的逆向工程扫描技术 光栅相移测量的原理是用白光作光源，将光栅
曹生辉（青岛双星铸造机械有限公司，山东省青岛市 266400）
关键词：铁路铸件，抛丸清理机 中图分类号：TG234．4;文献标识码：A；文章编号：1006－9658（2008）06－3
1 前言 随着我国铁路运输业的不断发展以及火车大提
速迫切需求，对火车各方面的质量要求不断提高，其 中钩头是火车车厢之间连接的关键零件，研制一种 一次性对钩头进行抛丸落砂、强化的先进设备已成 必然。
逆向工程 (Reverse Engineering）一般指的是通 过各种测量手段，针对现有的产品样品，利用 3D 数 字化测量仪器准确、快速地测得其轮廓坐标，并进行 三维 CAD 面型重构，将原有实物转化为计算机上的 三维数字模型，并对模型进行优化分析和加工，还可 在此基础上进行再设计[1]，其中几何的三维信息的获 得是逆向工程中很重要的工作。基于相移光栅测量 原理的逆向工程扫描技术由于测量速度比激光扫描 [2]测量速度快，精度高，因此在实际工业生产中应用 中，能够大幅地缩短产品开发周期和提高产品的质 量，尤其在铸造模具设计、检测和制造过程中，能够
火车钩头是一种可靠性要求非常高的零部件， 由铸钢件经过机加工而成，主要用途是用于火车车 厢之间的连接。火车钩头铸钢毛坯件是一种带有盲 孔内腔的铸件，内腔较深。铸件落砂后，内腔充满的
收稿日期：2008－09－16 文章编号：2008－126 作者简介：曹生辉（1976－），男，工程师 主要从事铸造机械的开发与
图 5 汽车发动机扫描点云与 CAD 数据检测结果彩图
1 陈贤杰，李晓蓓，李敏．RP&M 技术在中国的发展．国家生产力促进 中心网，2001．
2 秦大辉，王从军，黄树槐．基于机器视觉三维激光线扫描系统．中国 铸造装备与技术，2005（3）：20-21．
3 D.Malacara，ed.，Optical Shop Testing （John Wiley and Songs，NY， 1992）．
n
Σ （5）计算 dk+1=（ ||Pik+1-qik|）| /n； i=1
（6）如果 dk+1 不小于给定的阈值 τ，返回（2），直 至 dk+1<τ 为止。
ICP 算法中第三步采用最优化解析方法计算 P k 和Q k 之间的变换对两模型中的对应点列进行匹配， 通过迭代得到数据点集的最优匹配参数，在每次迭 代中，对空间两模型中的对应点进行匹配的过程只 考虑 P k 和Q k 之间存在的刚体变换关系情况，即 Qk= RPk+T，其中 R 为 3×3 旋转矩阵，T 为 3×1 平移向量， 最终使目标函数方程（5）最小。 2.2 基于 ICP 算法的铸造模具检测应用
（1）在物体坐标系中取点集 Pik∈P； （2）计算模型数据中的对应点 Qik∈Qk，使||QikPik||=min；
n
Σ （3） 计算旋转矩阵 Rk 与 Tk，使得 ||RkPik+Tki=1
Qik||=min； （4）计算 P k+1={Pik+1|Pik+1=RkPik+T k，Pik∈P}；
件 轮 廓 清 晰 ，形 状 完 整 ，机 械 加 工 后 ，没 有 缩 孔 、缩 松、气孔等缺陷。
参考文献
1 魏兵，肖志杰．铸铁件均衡凝固与有限补缩[J]．铸造，1985(2)：51-56． 2 魏兵，袁森，张卫华．铸件均衡凝固技术及其应用[M]．北京：机械工
业出版社，1998．
中国铸造装备与技术 6 ／ 2008
2 基于 ICP 算法的铸造模具检测技术及应用
2.1 ICP 算法
ICP 算法其原意是迭代最近点匹配算法。ICP 算
法实质上是基于最小二乘法的最优匹配方法，它重
复进行“确定对应关系点集一计算最优刚体变换”的
过程，直到某个表示正确匹配的收敛准则得到了满
足。基于 ICP 算法匹配的问题是属于多视对齐的问
设计
型砂经过高温烧结后非常坚硬，常用的振动落砂是 无法完成落砂的。生产厂家常用的落砂方式是人工 先用气镐去掉中间的型砂，然后通过人工喷丸清理 来完成，劳动强度非常大，而且生产效率特别低，这 一直是火车钩头生产厂家最棘手的难题。
2005 年 9 月，我公司与重庆大江铸钢分厂的领 导、工艺人员就火车钩头落砂的问题进行探讨和研 究，通过生产现场对工件的特点及生产工艺的详细 研究，最终决定通过抛丸清理的方式来进行落砂。
6 金涛，童水光，颜永年．逆向工程技术．北京：机械工业出版社，2003． 7 潘小林．三维曲面匹配技术研究（硕士论文）．南京：南京航空航天