运用3D数字化模型的轮胎花纹检测_邹付群

Inspection for tread pattern based on 3D digital model
ZOU Fu-qun1 ，CHENG Si-yuan1 ，LI Su-yang1 ，LIU Kai-xin2 （ 1 Faculty of Electromechanics Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China；
2 Guangdong Greatoo Molds Inc．，Jieyang 515500，Guangdong，China）
Abstract： A new method based on 3D digital model is introduced for geometrical inspection of tread pattern． Firstly，the surface data of tread pattern are acquired through the measuring equipment of REVscan laser scanner． Then，the obtained data are compared in the software of Geomagic Qualify，and the results of inspection could be shown in visualization intuitively． This research provides a convenient and swift method for inspection of tread pattern． Key words： 3D digital； qualify inspection； Geomagic Qualify； tread pattern
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图 7 2D 比较结果
3． 2． 3 创建 2D 尺寸 同样在图 6 所示的位置创建截面，并对数字化模
型截面的中间槽标注尺寸，创建 2D 尺寸如图 8 所示， （ 下转第 46 页）
0 引言
由于现代汽车性能的不断提高，以及子午线轮胎 的推广应用，对轮胎的性能要求进一步提高。特别是 在高 速 行 驶 下，对 汽 车 的 行 驶 安 全 性、操 纵 稳 定 性 和 低噪声等性能 要 求 更 加 严 格［1］。 而 轮 胎 花 纹 的 几 何 形状直接影响到汽车的这些性能。因此，对轮胎花纹 做出 准 确、快 速 地 检 测，对 于 提 高 轮 胎 的 质 量 和 加 快 轮胎的生产周期都有重要意义。
在三维测量 中，根 据 测 量 方 式 的 不 同，可 分 为 接 触式测量和非接触式测量。而非接触式测量根据测 量原理的不同 又 可 以 分 为 光 学、声 波 和 电 磁 测 量 方 法。鉴于轮胎花纹结构的复杂性以及激光三角测量 方法具 有 结 构 简 单、测 量 速 度 快 和 使 用 灵 活 等 优 点［3］，本文采用如图 1 所示的 Creaform 公司的 REVscan 激光扫描仪对轮胎花纹进行测量。它是继基于三 坐标测量机激光扫描系统、柔性测量关节臂的激光扫 描系统之后的“第三代”三维激光扫描系统，无需任何 关节 臂 的 支 持，只 需 通 过 数 据 线 与 电 脑 相 连 接，就 可 以任意自由度地对零件进行扫描。其优点有： 由于采 用便 携 式 设 计，因 此 不 受 扫 描 方 向、物 件 大 小 及 狭 窄 空间的局限； 操作时在电脑屏幕上同步呈现三维扫描 数据，方便调整扫描角度和区域； 通过对定位点的自 动拼接，可 以 一 次 扫 描 出 整 个 零 件［4］。在 测 量 过 程 中，对 于 轮 胎 花 纹 沟 槽 等 复 杂 特 征，从 多 个 角 度 进 行 扫描，并 根 据 呈 现 的 扫 描 情 况，不 断 调 整 扫 描 角 度 与 区域，从而一次测量出花纹表面形状。
1 检测方法
轮胎花纹 结 构 比 较 复 杂，包 括 花 筋 和 花 沟 的 锥 角、宽 度 和 深 度 等 多 个 参 数，且 不 同 的 截 面 各 个 参 数 又可能 不 同，这 使 得 检 测 变 得 很 困 难。在 生 产 实 际 中，人 们 多 采 用 各 种 专 用 检 具 对 轮 胎 花 纹 进 行 检 测。 此外，轮胎生产商也是通过花纹展开图各处的剖面要 求，线 切 割 制 作 相 应 的 样 板，供 客 户 作 为 花 纹 检 测 验
收的工具。但是，这些工具的制造过程需要大量的人 力和物力； 更为重要的是使用专用检具所得的检测结 果会过多地受人为主观因素的影响，检测结果难以科 学、直观地进行定量表达； 检具检测实际上只是控制 参数曲面上若干个截面曲线的形状误差，有限的截面 曲线并不能完全表征整个曲面的形状误差，而且手工 操作的检具检测难以与自动控制系统、质量管理系统 进行信息交流［2］。
图 1 REVscan 激光扫描仪测量示意
2． 2 数字化模型的检测 数字化模型的检测是指将实物数字化得到的模
型在相关软件的环境下与参考模型 （ 设计的 CAD 模 型） 对齐比较，生成相对理想花纹表面的偏差［5］。具 体过程包括模型间的对齐和比较分析操作。对齐是 将数字化模型进行一定的位置变换操作，使其统一到 参考模型的坐标系下，并使两者最大限度地重合。比 较分析是在对齐的基础上，通过与 CAD 模型比较，生 成数字模型的具体偏差值，从而达到检测的目的。
图 2 轮胎模型
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现代制造工程（ Modern Manufacturing Engineering）
描，才可以获得较好的效果。扫描完成后手动将引入 模型中的杂点以及模型侧面点云删除，只保留轮胎顶 面花纹数据。 3． 2 轮胎花纹的检测
将获得的 花 纹 表 面 数 据 和 其 CAD 模 型 均 导 入 Geomagic Qualify 软件，对齐前效果如图 3 所示。由于 花纹表面形状的不规则，选用“最佳拟合”的方式进行 对齐操作，它是利用点与点间的匹配从而达到两个模 型的 整 体 对 齐，对 齐 时 可 增 加 匹 配 的 点 数，提 高 对 齐 精度，对齐后效果如图 4 所示，从图 4 可以看出对齐效 果较好，对齐误差达到 0． 066mm。
3 检测实例
下面 以 一 段 轮 胎 花 纹 为 例，说 明 具 体 的 检 测 过程。 3． 1 轮胎花纹的数字化
使用 Creaform 公司的 REVscan 激光扫描仪测量 前，一 般 先 对 零 件 表 面 进 行 着 色 处 理，降 低 其 反 射 作 用，确保 获 得 较 好 的 测 量 效 果。着 色 剂 的 喷 涂 要 均 匀，喷涂的厚度要适当，太薄会影响测量效果，太厚则 会覆 盖 一 些 细 小 特 征，并 增 大 零 件 的 外 形，使 测 量 结 果偏离实际情况。喷涂结束后，在零件表面贴上定位 点，以实现扫描过程中数据的自动拼接。当零件表面 反射效果不是很强烈时，可通过调整软件的颜色配置 就可达到比较理想的测量效果。图 2 所示的轮胎模 型，其 表 面 材 质 反 射 效 果 一 般，直 接 在 花 纹 表 面 贴 标 志点便可进行扫描。扫描主要集中在轮胎顶面，先扫 描出轮胎花纹 的 整 体 轮 廓，再 根 据 花 纹 沟 槽 结 构 特 点，调整扫 描 方 向，获 取 沟 槽 的 一 些 细 小 特 征。 特 别 需注意，对于两侧的沟槽，其形状窄而深，应 反 复 扫
试验研究
现代制造工程（ Modern Manufacturing Engineering）
2011 年第 8 期
运用
3D
*
数字化模型的轮胎花纹检测
邹付群1 ，成思源1 ，李苏洋1 ，刘楷新2 （ 1 广东工业大学机电工程学院，广州 510006； 2 广东巨轮模具股份有限公司，揭阳 515500）
摘要： 针对轮胎花纹的几何形状，提出基于 3D 数字化模型的检测方法。利用测量设备 REVscan 激光扫描仪获取轮胎花 纹的表面数据，并利用 Geomagic Qualify 软件对获得的数据进行检测，检测结果以图文方式直观进行显示。该研究为轮 胎花纹的检测提供了方便、快捷的方法。 关键词： 3D 数字化； 质量检测； Geomagic Qualify 软件； 轮胎花纹 中图分类号： TP391 文献标志码： A 文章编号： 1671—3133（ 2011） 08—0022—04
结果还可自动统计出整个外形的最大偏差、最小偏差、 平均正、负 偏 差 和 标 准 偏 差，数 值 分 别 为 0． 888mm、 － 1． 068mm、0． 069mm、－ 0． 058mm 和 0． 088mm。
图 5 3D 比较结果
3． 2． 2 2D 比较 利用 2D 比较对花纹的截面进行检测。截面的具
形状转换成离散的三维坐标点数据。它是检测过程
* 国家自然科学 基 金 项 目 （ 50775044，50805025 ） ； 广 东 省 自 然 科 学 基 金 项 目 （ 8151009001000040 ） ； 广 东 省 教 育 部 产 学 研 结 合 资 助 项 目 （ 2009B090300044） ； 广州市科技计划项目（ 2009Z2-D501）
3． 2． 1 3D 比较 通过 3D 比较，可以获得整个花纹外形的偏差值，
生成全 面、直 观 和 形 象 的 检 测 结 果。完 成 对 齐 操 作 后，进行 3D 比较，其结果如图 5 所示。从图 5 中的颜 色与对应 的 数 值 可 以 反 映 出 花 纹 的 整 体 偏 差 情 况。 偏差的具体数值可利用“创建注释”操作得出（ 如图 5 中标志 A001 和 A002 两处的偏差值） 。此外，根据比较
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邹付群，等： 运用 3D 数字化模型的轮胎花纹检测
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的第一步，也是很关键的一步： 点云数据能否精确地 表示实物 原 型，直 接 影 响 到 后 面 的 检 测 结 果。 因 此， 得到 点 云 数 据 后，应 该 对 点 云 进 行 适 当 处 理，包 括 删 除噪点和异常数据、点云采样，以及点云拼接等操作， 以确保获得一个比较理想的数字化模型。
体位置根据花纹展开图所标示的剖切位置确定，如图 6 所示，2D 比较结果如图 7 所示，截面上的最大偏差、最 小偏差、平均正、负偏差和标准偏差分别为0． 357mm、 － 0． 217mm、0． 064mm、－ 0． 054mm 和 0． 076mm。
图 3 对齐前效果
源自文库
图 6 确定截面位置
图 4 对齐后效果
本文提出一种新的轮胎花纹检测方法，它具有适 用性 好、效 率 高 等 优 点，可 以 有 效 地 减 轻 操 作 者 的 劳 动强度，提 高 生 产 效 率，为 企 业 带 来 经 济 效 益。 检 测 过程主要包括轮胎花纹数字化和数字化模型检测。
2 基于 3D 数字化模型的检测方法
2． 1 轮胎花纹数字化 数字化是指利用三维测量设备，将花纹表面几何
本 文 使 用 的 Geomagic Qualify 软 件 是 由 美 国 Geomagic 公司提供的快速检测软件，通过在 CAD 模型
与实际构造部件之间进行快速、明了的图形比较，可 以快速准确地 完 成 检 测 任 务［6］。 该 软 件 具 有 多 种 对 齐方式和强大 的 检 测 功 能，其 中 对 齐 方 式 主 要 有 三 种： 基准 / 特征对齐、最佳拟合和 RPS 对齐，分别适用 于有规则外形的零件、由自由曲面组成的零件和具有 定位孔、槽等特征的零件。检测功能可归纳为： 二维 分析、三维分析以及误差评估。二维分析可以对模型 的指定截面进行尺寸标注或生成偏差图。三维分析 可通过 3D 比较，生成彩色的偏差图，结果显示为 CAD 模型或点云上的偏差。误差评估包括对零件三维尺 寸误差以及形位误差的评估。检测结果以图文方式 直观显示出来，并自动生成包括 HTML 格式、PDF 格 式、MS Word 格式和 Excel 格式的多种报告，有利于检 测结果的共享。