张德海，白代萍，闫观海，王良文，郭 成

(1.郑州轻工业学院机电工程学院，河南郑州450002;2.西安交通大学机械工程学院，陕西西安710049)

0 引言

金属板材在冲压过程中不可避免的出现回弹现象，引起了制造企业工程技术人员的重视，特别是大弧度的薄板折弯成形零件，回弹问题越加明显，因此，对回弹问题的准确预测和控制是影响产品成型质量和几何精度的一个关键因素。广大的制造企业对板料的回弹分析过度依据经验，缺乏系统科学的检测方法，如何能够在产品设计阶段，对板料成形回弹性能进行准确的检测，对其设计的合理性做出较为准确的评价和判断，改进零部件结构设计，同时一次提高试模成功率是一个亟待解决的问题。

计算机仿真和有限元方法相结合被广泛应用，用以解决复杂工件的回弹预测和补偿计算[1-2］。早期的回弹研究主要集中于2D折弯成形过程，建立解析模型并求得理论解。对于具有3D复杂曲面特征的工件，文献[3］提出以回弹能密度来检测回弹。以工件回弹前后对应节点的位移偏差来检测回弹，则符合实际中对回弹概念的认识，在有限元数值仿真中应用较多[4］。基于板料塑性变形的增大将导致回弹的减少，也有研究者将板料的等效塑性应变作为回弹的检测准则[5］，以等效塑性应变裕度来表征回弹。文献[6-7］建立了复杂加载模式下的非线性混合强化材料模型的弹塑性应力-应变本构关系，以Numisheet 93的U型弯曲为例进行了回弹预测和评价。文献[8］应用基于KMAS的回弹控制和评价体系，使改进后模具成形工件回弹量比原方案降低了87%。

逆向校核软件能够快速准确地生成数字参考模型(CAD模型或扫描的物理模型)，并与实际制造零件的图形比较，用于首件检测、产品检测和供应商质量管理[9］，软件独特的3D比对功能可用于板料的回弹检测[10］。文献[11］利用CATIA V5点云后处理及Geomagic Qualify分析功能，对汽车零部件的点云数据和CAD模型进行比较，为汽车零部件的检测提供了一种有效和快捷的方法。文献[12］采用三维扫描的方法对减速器上箱体进行了数据采样，利用Geomagic Qualify特征曲线进行模型重构和重合度检测，试验表明:这种方法重构精度高、操作方便。Geomagic Qualify具有可以同时输入两种数据进行对比的功能:一种数据来源于CAD数据，作为对比的基准;另一种数据来源于点云数据，可以通过不同的方法获得。采用摄影测量和面扫描相结合的方法获取零部件的点云数据是一种新兴的测量方法。两种数据在逆向校核软件中对齐，必然在制件的若干部位存在偏差，该偏差就是板料制件的回弹值。校核软件对两种数据的任意点和任意位置可以进行计算，获得任意方向和方位的回弹数值，从而为工程应用提供一种方法。

本文应用逆向校核软件Geomagic Qualify，研究了BC-48冰箱门外壳的回弹检测，通过选取关键点获得了制件三维空间点的回弹变化值，包括空间回弹值和x、y、z这3个方向的回弹值，比较了它们之间的关系，并获得了一定的规律。

1 试验

试验对象取自国内某著名家电公司的BC-48冰箱门外壳(见图1)。BC-48属于小型号冰箱，其门外壳属于薄板成形，厚度0.6 mm。成形后喷塑保证外观。利用近景摄影测量软件和面扫描软件相结合的方法[13］获取门外壳的点云数据。

其试验步骤如下:

(1)在待测工件周围布置编码标志点、非编码标志点和标尺(见图2)。

(2)拍摄照片，摄影测量系统计算门外壳表面的编码点和非编码点[14］。

(3)使用面扫描系统扫描工件，并处理点云。

(4)使用Geomagic Studio获得数模。

(5)在Geomagic Qualify中将获得的数模和原有的模具CAD数模对齐后比较(见图3)。

图1 冰箱门外壳三维模型

图2 布置标志点和标尺

2 分析和讨论

在Geomaigic Qualify中，首先选冰箱门外壳大表面为对象，因大表面是冰箱的脸面，外观质量要求高，在不同的部位选取9个点(见图4)。两个折弯面属于冰箱门外壳和门内壳配合的关键部位，选取9个点(见图5)。侧面小圆弧属于冰箱门外壳支撑主骨架之一，选取6个点(见图6)。图3～图6都是使用色谱图来表达点云数据与CAD模型的偏差，它的的主要原理是:根据偏差值的大小和正负，利用不同的颜色和深度来进行表示。本文采用五色色谱图来实现偏差结果的可视化。其中，图3主要为门外壳整体回弹数值示意图，即点云和CAD数模的偏离程度，图4～图6代表的主要为关键点的回弹值，其单位都是mm。

图3 Geomagic Qualify中数模和点云对齐

图4 大表面回弹三维数据

图5 两折弯面回弹三维数据

图6 侧面小圆弧回弹三维数据

图4、图5和图6显示数据不够方便，为了方便研究，读取数据分别作出表1、表2和表3。该回弹数值包含三维空间、x方向、y方向、z方向4个方向的回弹数值，表示的是关键点的回弹值，软件已自行进行了计算[15］。

表1 大表面关键点回弹的三维数据 mm

表2 两折弯面关键点回弹的三维数据 mm

表3 侧面小圆弧关键点回弹的三维数据 mm

由表1可以看出:x方向的回弹值全部为0 mm，y方向的回弹值为-0.107～0.104 mm，z方向的回弹值为-7.513～-1.112 mm，三维空间回弹值为-7.468～-1.113 mm。说明门外壳大表面x方向回弹前后数值没有变化，y方向变化较小，z方向变化较大并且其回弹数值主要影响三维空间回弹数值。

由表2可以看出:x方向的回弹值全部为0 mm，y方向的回弹值为0～0.02 mm，z方向的回弹值为-7.515～2.894 mm，三维空间回弹值为-7.515～2.894 mm。说明门外壳两折弯面x方向回弹前后数值没有变化，y方向变化较小，均表现为正向回弹，z方向和三维空间方向关键点表现为部分正向回弹，部分反向回弹，所受影响趋势一致，证明三维空间回弹的数值影响主要来自z方向。

表3表明:x方向6个关键点中有4个回弹值为0 mm，其余两个关键点分别表现为正向回弹和反向回弹，y方向的回弹值为-0.274～8.277 mm，z方向的回弹值为0～3.482 mm，三维空间回弹值为0～8.995 mm。说明门外壳侧面小圆弧x方向回弹前后数值较小，且具有对称性，z方向变化较大，集中表现为正向回弹，y方向回弹数值最大，并直接影响三维空间的回弹值，所受影响变化趋势一致。三维空间回弹值的影响来自3个方向的综合。

3 结论

(1)基于摄影测量和面扫描相结合的测量方法获得了板料成形回弹的点云数据，利用逆向校核软件Geomagic Qualify的3D比对功能，选取关键点获得了制件三维空间点的回弹变化值，包括空间回弹值和x、y、z这3个方向回弹值。

(2)对于冰箱门外壳大表面和两折弯面，三维空间回弹数值的影响主要来自z方向，x方向回弹数值为0，y方向影响较小。特别是大表面，三维空间回弹数值大小和方向与z方向回弹值的大小和方向保持完全一致，而对于两折弯面，空间回弹值大小和z方向大小幅度一致，方向相反。说明在消除回弹问题解决模具修型面设计时需要注意方向的选取。对于侧面小圆弧，三维空间回弹值不同的关键点受不同方向的影响，主要来自y方向和z方向，x方向影响较小。说明在修模时要综合考虑多个方向、多个因素的影响，解决回弹问题是一个系统性、全局性的问题。

(3)逆向校核软件Geomagic Qualify处理点云数据获得准确的对准模型数据，回弹数值的计算误差影响主要来自比对选取的基准点、软件和计算机自身，对于摄影测量的精度对点云数据精度的影响，不是本文的研究重点，所以并未涉及。

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