Получение 3D-моделей листовых и объёмных деталей, изготовленных методами холодного деформирования, при помощи оптического сканирования

УДК 621.7

ПОЛУЧЕНИЕ 3Б-МОДЕЛЕЙ ЛИСТОВЫХ И ОБЪЁМНЫХ ДЕТАЛЕЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ МЕТОДАМИ ХОЛОДНОГО

ДЕФОРМИРОВАНИЯ, ПРИ ПОМОЩИ ОПТИЧЕСКОГО

СКАНИРОВАНИЯ

М.А. Петров, И.С.А. Эльдиб

Рассмотрены результаты оптического сканирования и разработки карты отклонений геометрических размеров для резьбовой, прессованной и листовой деталей. Полученные данные могут быть использованы при разработке системы машинного зрения и управления технологическим процессом кузнечно-штамповочной линии в рамках цифрового производства.

Ключевые слова: цифровое производство, оптическое ЗБ-сканирование, фотограмметрия, карта отклонений геометрических размеров, машинное зрение, обработка давлением.

Степень оснащения новыми машинами, контрольными устройствами и оборудованием для автоматизации и механизации современного куз-нечно-штамповочного производство повышается. «Самоковы вододей-ствующие» или молоты с водяным приводом, широко внедрявшиеся Петром I в XVIII веке для становления морского флота, и заменявшие до 20 молотобойцев, едва ли можно встретить на производстве. Потребности сегодняшнего производства не могли бы быть удовлетворены такими молотами, поскольку наряду с небольшой производительностью, качество продукции, получаемой на них было уникальным и зависело от мастерства работника. В Европе подобные молоты появились намного раньше. Но наиболее работающие музейные экспонаты датируются XVII веком (рис. 1, а). Для производства XXI века воспроизводимость продукции одинакового качества является неотъемлемой чертой. Стремление снизить производственные расходы, а также появление инструментов виртуальной разработки технологий привели к необходимости поиска способов замыкания производственной цепочки по всем отдельным операциям кузнечного производства, иными словами, к необходимости поиска общего языка между средствами автоматизации производственного оборудования и средствами виртуального проектирования технологий. Особую роль здесь занимают алгоритмы реализации последовательных логических и вычислительных действий. Так, с конца XX века стало возможным управлять циклограммой прессового оборудования по средству цифрового сигнала, благодаря появлению прессов с сервоуправлением (рис. 1, б).

Поскольку сегодняшние технологии позволяют изготавливать в производственном масштабе на современных прессах с одним работником методом штамповки из ленты или прогрессивной штамповки как мелкие изделия с максимальным размером 5 мм для микроэлектронной промышленности, так и поковки среднего размера с максимальным размером до 500 мм, появились системы бесконтактного оптического контроля качества

изделий, размеры которых изменяются в диапазонах от 5 до 500 мм. Связано это прежде всего с тем, что возросла частота межоперационного контроля качества изделий, при этом отводимое время на него снизилось, а сложность и требования повысились. Помимо этого, возросли сами требования по точности. Согласно данным статьи [4] величина поля допуска в ближайшем будущем уменьшится на 60 % на операциях штамповки и на 67 % в собранных кузовах. Если раньше оптический инлайн (поточный) контроль был распространён на высокоскоростных автоматах, то теперь он активно внедряется и в менее скоростных процессах штамповки.

в

Рис. 1. Вехи развития кузнечного оборудования: а - триада молотов с водяным приводом (Германия) [1]; б - эксцентриковый безмаховичный пресс с сервоуправлением серии М8Е компании ЗеНиЬвг АС [2]; в - оптический модуль контроля качества мелких листовых деталей в штампе [3]

Известны методы фотограмметрического контроля, помогающие оценить пружинение детали после штамповки при помощи методики, основывающейся на проецировании структурированного подсвета на листовую деталь, распознавания отражённого света четырьмя стереокамерами и анализом изображения в специальном программном обеспечении. В статье [5] рассматривается методика оценки пружинения листовой кузовной де-

тали при помощи фотограмметрии и сканирования поверхности на основе структурированного подсвета. В работе [6] авторы рассматривают возможность оценки износа штампового инструмента для горячего деформирования. Данная методика вряд ли может быть использована по принципу инлайн контроля, так как сами бесконтактные методы чувствительны к колебаниям температур окружающей среды и объекта, что на данном этапе развития технологий усложняет их применение. Автором работы [7] для оценки дефектов была применена камера высокого разрешения, установленная на позиции штамповки внутренней части двери. Показано, что такая система помогает обнаружить дефекты, вызванные пружинением материала.

Система контроля параметров штамповки. Упрощённая схема реализации процесса контроля цифровой прессовой линии показана на рис. 2. Трёхшаговое выполнение действий, внутреннее наполнение которых может изменяться, связано по уровням. На первом шаге выбираются искомые параметры и подключаются экспертные базы данных. Второй шаг разделяется на параллельное выполнение двух операций: операция 3D-сканирования на основе структурированного подсвета и операция фотограмметрии. Вторая операция задействуется в том случае, если есть области с дефектами, размеры которых выходят за размер области сканирования. Тогда при помощи камеры высокого разрешения (метод фотограмметрии) или линейного лазера (лазерное сканирование) создаётся облако точек, которое уплотняется и соединяется поверхностями (процедура сшивки модели). Например, на рис. 3 представлены результаты сканирования при помощи лазерного сканера марки Sense с автоматической процедурой получения stl-файла, а также результаты сканирования линейным лазером с получением облака точек и ручным способом создания stl-файла. Классический вариант триангуляции подразумевает получение серии снимков и их анализ, по результатам которого также создаётся облако точек. На рис. 4 представлен пошаговый результат получения stl-модели дефектной области прототипа, полученного по технологии 3D-печати FFF. По результатам операций, а также по результатам компьютерного моделирования система принимает решение в автоматическом режиме или после ручного подтверждения оператором согласия на изменение только тех технологических параметров в прессовой линии (темп штамповки, энергия удара, скорость деформирования и т.д.), которые непосредственно влияют на устранение дефектов.

Однако распознавание области, в которой могут находиться дефекты, и классифицирование их на устраняемые и неустраняемые является непростой задачей и связана с точностью машинного зрения (3D-сканирование и фотограмметрия) и разработанной экспертной системой или виртуальным атласом дефектов, который используется машиной для классификации результата.

Рис. 2. Схема оптимизации процессом

Рис. 3. Автоматическое (слева) и ручное (справа) получение stl-модели при помощи 3D-сканирования лазерными сканерами

j

МШ

жшг

Увеличение плотности

v < , .

'. I ' 'V:' '

Наложение текстуры

Получение облака точек Увеличение плотности Создание сетки

Рис. 4. Порядок получения stl-модели при помощи фотограмметрии

Оптическое сканирование и КОГР. Оптическое сканирование проводилось на сканерах со структурированным подсветом RangeVision моделей Premium и Spectrum с ручным и автоматическим переключением

размера области сканирования, соответственно. Технические данные сканеров и исходный вид деталей представлены в табл. 1 и на рис. 5 соответственно.

Таблица 1

Технические характеристики ЗВ-сканеров RangeVision [8]_

Параметр RV Premium RV Spectrum

Область сканирования, мм макс. 450х150х400 мин. 66х50х50 макс. 520х390х390 мин. 133х100х100

Размер объекта, мм 1 - 3 000 10 - 3 000

Точность SD-точки 0,03 - 0,16 0,04 - 0,12

3D-разрешение 0,043 - 0,35 0,072 - 0,26

Рис. 5. Общий вид реальных деталей

Перед проведением сканирования были проведены подготовительные работы по нанесению белого покрытия (матированию) на поверхность исследуемых объектов аэрозольным способом. Контроль толщины покрытия не проводился. Покрытие считалось годным, если отсутствовали видимые места исходной текстуры объекта.

Для разработки КОГР применялась бесплатная версия программы GOM Inspect, которая позволяет сопоставить результат твердотельного моделирования объекта в CA(D)D/CAGD/CAED-программе с результатом, полученным на основе сканирования/фотограмметрии. При этом объективное суждение о точности основывается либо на текущих численных значениях отклонений или на значениях установленного поля допуска. По результатам сопоставления программа выдаёт как среднее значение отклонения по всему объекту (глобальное отклонение, ГО), так и значения отклонений от базового тела в точке (локальное отклонение, ЛО), созданного в CA(D)D/CAGD/CAED -программе.

Исходная модель метрической резьбы со стандартным углом 60° при вершине разрабатывалась для небольшого начального участка болта М6 с шагом резьбы 1 мм в CAD-программе (рис. 6 и 7, а). Исходные SD-модели алюминиевого радиатора и латунного рычажка показаны на рис. 7, б.

Рис. 6. Параметры метрической резьбы М6х1

а б

Рис. 7. 3Б-модели метрической резьбы М6х1: а - диаметральный шаблон; б - радиатора и рычажка

Результаты разработки КОГР показали, что применение встроенного в программу алгоритма best fit (совпадение наилучшим образом) позволяет достичь наилучшего сопоставления результатов исходной CAD-модели и полученной stl-модели. На цветовой шкале рис. 8 и в табл. 2 показаны полученные величины отклонений. Красным цветом отмечены области, выступающие за поверхность исходного контура (размеры со знаком «плюс»), синим цветом показаны размеры, не доходящие до поверхности исходного контура (размеры со знаком «минус»). Суммарное поле допуска, в зависимости от которого производилась окраска результата совмещения для четырёх деталей, было различным (табл. 2).

Средние значения полученных ГО

Таблица 2

№ п/п Название детали/ поле допуска, мм Величина ГО, мм Величина ЛО, мм

мин. +/- макс. +/-

1 Болт М6х1 (сталь)/0,5 0,10 +0,29/ -0,27 +0,75/ -0,29

2 Болт М6х1 (полиэтилен)/1,0 0,12 +0,53/ -0,52 +1,75/ -0,78

3 Рычажок (латунь)/0,3 0,048 +0,18/ -0,15 +3,73/ -0,27

4 Радиатор (алюминий)/1,0 0,07 +0,25/ -0,72 +2,42/ -6,26

в г

Рис. 8. Результаты разработки КОГР: а - резьба образца №1; б - резьба образца №2; в - образец №№3; г - образец №№4

Наихудшие ЛО были получены на вершинах и впадинах резьбы, что связано с большой рассеивающей способностью острых кромок (вершины) и трудностью прохождения проецируемого света в узких каналах/пространствах. Также было установлено, что на стенке радиатора при межрёберном расстоянии 3,5 мм и наличии незамкнутой цилиндрической поверхности в центральной части интенсивность света усиливается в результате его переотражения и интерференции, что приводит к высоким ЛО. Максимальное положительное отклонение, полученное на рычажке в области отверстия, связано с несоосным расположением поверхности отверстия внешней цилиндрической поверхности. Из-за малой толщины детали и острых кромок происходит активное рассеивание проецируемого света, что приводит к потери геометрического контура и отклонения, как в «плюс», так и в «минус». Следует отметить, что кроме программы для обработки получаемого облака точек, существует необходимость исправления полученной зй-модели, например, в области скруглений или острых кромок. Эта процедура может как повышать ГО, так и снижать величины ЛО.

Выводы. Полученные данные оптического сканирования и фотограмметрии позволяют говорить о принципиальной возможности применения поточного сканирования (инлайн) и сопоставления исходных результатов с результатами сканирования в процессах холодной деформации с дальнейшей возможностью регулировки параметров производственной линии. На чистоту определения таких параметров будет влиять полученное качество геометрии. При сравнении данных по достигаемой точности сканирования (табл. 1) со значениями ЛО (табл. 2) можно сказать, что сложность реальной геометрии напрямую влияет на качество виртуальной гео-

метрии. При применении более когерентных источников излучения (линейные лазеры) можно повысить точность и приблизиться к значениям, указанным в спецификации оборудования.

Список литературы

1. Herzlich willkommen beim Freibergsdorfer Hammer [Электронный ресурс]. URL: https://www.freibergsdorfer-hammer.de (дата обращения: 10.03.2019).

2. Официальный интернет ресурс компании Schulergroup [Электронный ресурс]. URL: https://www.schulergroup.com (дата обращения: 10.03.2019).

3. Официальный интернет ресурс компании Otto vision technology GMBH [Электронный ресурс]. URL: https://www.otto-jena.de/en/products/ test-stations-for-punched-stripes/in-die-modules (дата обращения: 10.03.2019).

4. Boesemann W., Godding R., Huette H. Photogrammetric measurement techniques for quality control in sheet metal forming // International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. Amsterdam. 2000. Vol. XXXIII. Part B5. P. 291-298.

5. A novel 3D optical method for measuring and evaluating springback in sheet metal forming process / D. Zhang, Y. Li, J. Liu, G. Xie, E. Su // Measurement, 2016. Vol. 92. P. 303 - 317.

6. Hawryluk M., Ziemba J. Application of the 3D reverse scanning method in the analysis of tool wear and forging defects // Measurement. 2018. Vol. 128. P. 204-213.

7. Maier S.J. Inline-Qualitatsprufung im Presswerk durch intelligente Nachfolgewerkzeuge: диссертация на соискание ученой степени Dr.-Ing. ТУ Мюнхен, 2018. С. 163.

8. Официальный интернет ресурс компании RangeVision [Электронный ресурс]. URL: http s: //ran gevision .com (дата обращения: 10.03.2019).

Петров Михаил Александрович, канд. техн. наук, доцент, petroffma@,gmail. com, Россия, Москва, Московский политехнический университет,

Эльдиб Ибрахим Саад Ахмед, аспирант, ibrahim.eldeeb@f-eng. tanta.edu.eg, Россия, Москва, Московский политехнический университет

DEVELOPMENT OF 3D-MODELS OF SHEET AND BULK METAL PARTS, OBTAINED BY COLD DEFORMATION, USING OPTICAL SCANNING

M.A. Petrov, I.S.A. El-Deeb

The results of optical 3D-scanning based on projecting of fringed line patters and validation based on the development of the deviation map of geometrical dimensions were considered for fasteners, extruded and stamped parts. Obtained results could be used for the development of machine vision system and consequently for more precise parameter control of the industrial production lines in scope of the digitalization of the material forming process.

Key words: digital production, optical 3D-scanning, photogrammetry, deviation map of geometric dimensions, machine vision, material forming.

Petrov Mikhail Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, petroff-ma@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,

Eldib Ibrahim Saad Ahmed, postgraduate, ibrahim. eldeeb@f-eng. tanta. edu. eg, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University

УДК 621.984

ВЛИЯНИЕ ПРИЖИМА НА ФОРМИРОВАНИЕ ГЕОМЕТРИИ

ДЕТАЛИ ПРИ ВЫТЯЖКЕ

П.В. Романов, А.В. Шивцова

Показаны основные аспекты целесообразности применения прижима при реализации операции вытяжка. Приведена методика расчета величины давления прижима, показано влияние прижима на силовые характеристики, уровень деформаций и напряжений, а также вероятность появления дефекта в виде обрыва дна полуфабриката.

Ключевые слова: вытяжка, прижим, напряжения, деформации, заготовка,

сила.

Формирование геометрии изделий, получаемых с применением операции вытяжки, обусловлено следующими параметрами: коэффициентом вытяжки, механическими свойствами штампуемого материала, геометрическим параметрами изготовляемой детали, относительной толщиной заготовки, условиями формообразования (температура инструмента и заготовки, трение на матрице и пуансоне), точностью и качеством поверхности заготовки, конструкцией и точностью штампа, износом пуансона и матрицы и технологическим процессом изготовления детали [1, 2].

Формоизменение при вытяжке без прижима ограничивается двумя явлениями: при относительно малой толщине заготовки - потерей устойчивости ее краевой области от воздействия сжимающих напряжений Од и образованием здесь волн (гофров); при относительно большой толщине -локализацией деформации и разрывом металла в области контакта полуфабриката с тороидальной поверхностью пуансона [3].

Образование складок вызывается напряженно-деформированным состоянием металла, приводящим при определенных геометрических соотношениях к потере устойчивости заготовки (рис. 1).

Прижим заготовки (рис. 2) применяют для того, чтобы предотвратить образование складок на стенках детали или на фланце. Необходимость применения прижима можно определить из соотношения: если ф - d) >(18...22)$, то необходим прижим (условие Л.А. Шофмана) [4]. Кроме того, возможное складкообразование на 1-м переходе определяется отношением толщины стенки к диаметру заготовки:

479