汽車模具加工精度控制之在線測量技術(shù)

文/石旭東·北京奔馳汽車有限公司

模具精度控制的重要性模具是汽車覆蓋件批量生產(chǎn)的核心，其使用周期伴隨對應(yīng)車型生產(chǎn)的整個(gè)過程，因此模具制造階段的精度控制是至關(guān)重要的。

高精度的模具制造，帶來的利好包括：第一，充分實(shí)現(xiàn)前期的工藝設(shè)計(jì)，保證制造出的模具實(shí)物與設(shè)計(jì)方案完美吻合；第二，模具一次上機(jī)就要加工到位，避免二次返工帶來的成本增加以及對項(xiàng)目關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)的影響；第三，充分發(fā)揮高精加工設(shè)備和技術(shù)的優(yōu)勢，大幅度縮減調(diào)試階段鉗工優(yōu)化的工作量和周期，降低個(gè)人技術(shù)差異對模具狀態(tài)的影響；第四，交付的高精度模具，是零件穩(wěn)定序列化生產(chǎn)的保證。

行業(yè)常見精度監(jiān)測方案介紹及弊端

影響模具加工精度的因素有很多，包括：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度、材料性能、加工工藝、裝卡方案、機(jī)床精度等多方面?？刂埔陨弦蛩赝瑫r(shí)積累經(jīng)驗(yàn)并持續(xù)改進(jìn)，是高精度模具制造的基礎(chǔ)。

模具加工后的精度檢測工作是確認(rèn)模具精度合格、完成質(zhì)量閉環(huán)的關(guān)鍵。目前行業(yè)常見的精度檢測方案包括以下三個(gè)。

方案1：

曲面檢測(圖1)。程序驅(qū)動(dòng)球頭刀具以線驅(qū)動(dòng)的方式執(zhí)行理論軌跡，采取有限取樣的方式，通過塞規(guī)檢測刀具和模具的間隙，從而獲得曲面的加工偏差。該方案的缺點(diǎn)包括，屬于半自動(dòng)測量方式，操作者需要頻繁啟停刀具進(jìn)給、進(jìn)出模具、塞規(guī)測量、手動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，過程復(fù)雜，周期長；測量點(diǎn)憑操作者經(jīng)驗(yàn)控制，無法按照編程者意圖精確控制；測量結(jié)果受操作者水平和熟練度影響，變得不穩(wěn)定；刀具有損傷模具的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 借助塞規(guī)實(shí)施曲面測量

曲線測量(圖2)。程序驅(qū)動(dòng)杠桿表沿著曲線行進(jìn)，采取有限取樣的方式，通過讀取杠桿表數(shù)值，獲得加工偏差。該方案的缺點(diǎn)包括，屬于半自動(dòng)測量，需要頻繁操作，周期長；測量點(diǎn)由操作者確定，無法按照編程者意圖精準(zhǔn)控制。

圖2 利用杠桿表實(shí)施曲線測量

方案2：

使用接觸式巡邊器代替刀具和杠桿表實(shí)施測量(圖3)，缺點(diǎn)包括，仍然屬于半自動(dòng)測量，需要頻繁操作，周期長；測量點(diǎn)無法按照編程者意圖控制；無法實(shí)現(xiàn)法線方向測量，存在測量偏差。該方案僅僅是解決了刀具損傷模具的風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 光電式尋邊器測量曲面

方案3：

都說結(jié)婚是人生大事，從要登記何東就開始思考自己的人生：他就準(zhǔn)備這么過下去了？朝九晚五，結(jié)婚生子，地球上大多數(shù)人都這么過的……這是他想要的生活嗎？

使用藍(lán)光設(shè)備離線掃描(圖4)，檢測加工精度。該方案的優(yōu)點(diǎn)，不同于上述方案的有限取樣方式，掃描數(shù)據(jù)可以全面檢測加工精度；不存在損傷模具的風(fēng)險(xiǎn)。缺點(diǎn)，掃描精度低于數(shù)控檢測精度；對于掃描資源不富裕的工廠，無法做到每個(gè)模具都進(jìn)行掃描；最大的問題是，如果離線檢測發(fā)現(xiàn)問題，模具需要返回機(jī)加工，重新裝卡加工，完成返修，造成制造周期拉長，對整個(gè)項(xiàng)目周期控制是十分不利的。

圖4 藍(lán)光掃描設(shè)備檢測曲面

在線測量技術(shù)的介紹和關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

在線測量技術(shù)( 圖5、圖6) 是利用機(jī)床自帶的高靈敏度接觸式探頭，通過程序驅(qū)動(dòng)探頭到達(dá)測量點(diǎn)，并自動(dòng)實(shí)施法向測量動(dòng)作，同時(shí)自動(dòng)記錄測量結(jié)果至機(jī)床文件，編程軟件可自動(dòng)讀取測量結(jié)果，并分析偏差值，出具測量報(bào)告。整個(gè)過程屬于全自動(dòng)測量，無需人工參與，效率和穩(wěn)定性都有保障；測量點(diǎn)根據(jù)編程者意圖由程序精確控制；接觸式探頭有超程保護(hù)，不存在損傷模具的風(fēng)險(xiǎn)；測量精度不受人工干預(yù)，精度高且穩(wěn)定；測量過程的高效在線實(shí)施，可以節(jié)約占用機(jī)床時(shí)間，同時(shí)，若發(fā)現(xiàn)精度問題，可及時(shí)實(shí)施維修，避免二次裝卡的時(shí)間浪費(fèi)。

圖5 在線測量技術(shù)-曲面測量

圖6 在線測量技術(shù)-曲線測量

在線測量技術(shù)的研發(fā)過程包括的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)有六個(gè)方面：

⑴測量程序編制，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)了法向測量(圖7)，編程者只需在曲面上選取測量點(diǎn)，設(shè)置法向接觸距離和過行程距離以及安全高度等基本參數(shù)，軟件會自動(dòng)生成測量軌跡，同時(shí)配合軟件的虛擬機(jī)床技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)程序模擬，避免機(jī)床碰撞。

圖7 法向測量

⑵探頭關(guān)鍵動(dòng)作的控制代碼(OKUMA 系統(tǒng))包括以下內(nèi)容。

* CALL OO16 測量頭打開；

* CALL OO17 測量頭關(guān)閉；

* 探頭在行進(jìn)過程中，接觸到物體會停止，可讀取機(jī)床當(dāng)前位置并補(bǔ)償運(yùn)算，獲得測量點(diǎn)坐標(biāo)；

* M130 關(guān)閉主軸無轉(zhuǎn)速無法進(jìn)給的限制條件，探頭進(jìn)給時(shí)的轉(zhuǎn)速為0。

⑶探頭偏差的補(bǔ)償包括：讀取測量頭X+/X-/Y+/Y-四個(gè)方向的半徑補(bǔ)償和長度補(bǔ)償；將偏差值在XYZ 三個(gè)方向上做分量補(bǔ)償，抵消探頭的校準(zhǔn)偏差。偏差分析如圖8 所示。

圖8 偏差分析

⑷探頭精度的定期校準(zhǔn)。參考機(jī)床的相關(guān)指導(dǎo)文件，嚴(yán)格按照要求周期做精度校準(zhǔn)，保證探頭的精度合格。

⑸測量結(jié)果的自動(dòng)記錄。[VMOFX+VZOFX[VACOD]-VSAPX] 獲得機(jī)床當(dāng)前位置坐標(biāo)，并記錄至后臺文件。

⑹測量結(jié)果的分析和測量報(bào)告。讀取機(jī)床的測量文件，將測量點(diǎn)在軟件中實(shí)體化，并分析出與理論值的偏差，出具相關(guān)測量報(bào)告，如圖9 所示。

圖9 測量報(bào)告

結(jié)束語

在線測量技術(shù)可明顯提高汽車模具制造行業(yè)檢測的精度、效率、安全性，相對傳統(tǒng)方案有明顯優(yōu)勢，是控制模具精度、形成質(zhì)量閉環(huán)的關(guān)鍵技術(shù)。