[00850074]精密模具三维数字化检测系统关键技术研究

受桂林市科技局委托，市科[2017]35号文件下达的桂林市科学研究与技术开发计划项目精密模具三维数字化检测系统关键技术研究，由广西师范大学、桂林能创信息科技有限公司承担。该项目顺应数字设计与制造技术的发展：模具成型技术越来越趋向于高精度、高效率，对模具形状精度及生产过程中的形面质量保障提出了更高的要求；要保障零件成型的精度，高精度高效率的模具形面质量检测技术的应用是必然的。由此提出项目总体目标：研制与开发一套高精度、高效率的模具面形三维数字化测量系统，基于先进电子条纹投影技术，实现复杂模具面形的三维测量和缺陷检测。该项目首先确定硬件系统，包括条纹投影模块以及CCD图像采集与处理模块，然后进行关键算法开发，进而编制软件，包括条纹投影控制驱动软件模块、相位提取与解包裹算法，系统标定算法，重建与点云显示算法模块等，最后进行实验测试，并对检测效率与检测精度进行分析，与其他检测仪器进行对比，改进实验方案，最后开发完整的三维数字化检测系统。该项目团队自主设计搭建精密模具三维数字化检测系统的硬件光路：开发相应的功能模块，包括条纹投影模块和高速相机图像采集模块。采用机加工件安装投影模块和图像采集模块，可选择相机安装方式，相机可以手动调整俯仰角，投影范围和相机视野可以最大限度匹配，后续还可以扩展成双目结构光测量系统。在软件实现上采用梯形-多频相移算法：实现条纹图到坐标图的时间-空间混合式相位算法，是软件技术上的一大突破。 该项目有以下创新之处：1)采用不同的投影物镜，适应不同的投影范围；2)条纹频率、相位和对比度调节可快速完成，具备实时动态测量的应用前景；3)条纹有效面积大和空间重现力良好，使获得的三维数据精度更高；4)软件处理采用梯形-多频相位提取算法，不受被测模具表面剧烈变化、阴影或不连续缺陷的影响，速度较快；5)软件中的条纹处理不受被测模具材料、表面光洁度和颜色的影响。因此，该项目技术完全可实现高速度、高分辨率测量，是国内领先的模具测量技术。 项目完成技术指标：三维数字化测量系统单次测量点云到标准平面的平均距离为0.0092mm，标准偏差为0.081mm；系统使用8mm或12mm焦距的镜头可以实现850～1200mm和350～550mm范围内的扫描，拍摄距离可调节；单次测量软件获得点云数量37万点；单幅测量范围197×147mm²。完全达到了项目技术指标要求。 该项目产品应用于模具生产行业检测当中，是模具行业、汽车工业等制造业向知识密集型、技术密集型方向发展的产物，顺应行业的要求。精密模具三维数字化检测系统可以准确获取三维立体信息，可对待测物空间几何尺寸、形位尺寸进行高速测量，及时反馈表面加工误差和局部缺陷等，旨在帮助企业缩短加工周期，提升产品质量。高精度的检测是产品品质的保证，通过对比设计与实际产出的差异，也能推动生产工艺的改进，生产品质的提升，同时缩短了模具开发周期，加快产品从设计到市场的进度，提升国内模具生产行业的竞争力。三维数字化测量系统尚不能达到实时三维重建与检测，实时性会影响产品的使用体验、限制产品的推广范围。计划采用空域、时域解包裹的方式进行方案设计，减少系统扫描待测物体时投影的图片数量，缩短拍摄周期；软件设计采用多线程设计方案，并添加gPU进行加速计算，进一步提高三维数字化测量系统采集与处理速度，实现实时化的三维检测。