三維掃描設(shè)備在模具加工制造中的應(yīng)用

王本日

(上海大眾汽車有限公司，上海 201805)

掃描設(shè)備是一種把實(shí)物曲面以空間點(diǎn)三維坐標(biāo)的形式離散數(shù)據(jù)化的設(shè)備。通過(guò)掃描設(shè)備實(shí)物掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù),是快速成型及逆向造型等的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)[1]。目前,設(shè)備掃描按工作原理分主要有2種:①光柵投影式掃描(照相掃描)。如圖1所示,先用數(shù)碼相機(jī)獲取實(shí)物數(shù)碼點(diǎn)的三維坐標(biāo),從而構(gòu)成整個(gè)掃描體的坐標(biāo)系統(tǒng),然后將光柵投影到物體表面,形成一塊待測(cè)區(qū)域,再由光學(xué)掃描系統(tǒng)測(cè)取實(shí)物的表面數(shù)據(jù)。不同區(qū)域的表面數(shù)據(jù)最后通過(guò)坐標(biāo)系統(tǒng)形成實(shí)物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[2]。Gom公司Atos的掃描設(shè)備就屬于此種原理,其他大多數(shù)的便攜式掃描設(shè)備(如美國(guó)阿泰科三維掃描儀)也屬光柵式投影掃描。②線狀激光束掃描,即點(diǎn)光源線掃描。這種掃描設(shè)備一般都需要安裝在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上,相當(dāng)于測(cè)量機(jī)的一個(gè)測(cè)量頭,如法國(guó)的Kreon掃描頭。線狀激光束設(shè)備掃描時(shí),投影到實(shí)物上的是一條線,通過(guò)測(cè)量機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行掃描,最后由測(cè)量機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)把所有的掃描點(diǎn)組合成實(shí)物的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)。上述2種掃描設(shè)備相比較,光柵式掃描設(shè)備的掃描范圍更大,綜合精度在0.1/1000mm以內(nèi),相對(duì)精度高;而線狀激光束式掃描的效率稍低,若安裝在測(cè)量機(jī)上掃描還會(huì)受到測(cè)量機(jī)的精度及工作范圍的限制。隨著掃描技術(shù)的成熟,掃描設(shè)備在汽車、航天、制鞋和消費(fèi)電子產(chǎn)品等制造行業(yè),特別是在模具制造行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

1 三維掃描設(shè)備在模具制造中應(yīng)用

在模具的加工制造過(guò)程中,三維掃描設(shè)備主要用于加工毛胚數(shù)據(jù)的獲取、模具加工質(zhì)量檢測(cè)、模具的修補(bǔ)等,對(duì)于沖壓件的質(zhì)量檢測(cè)及沖壓件試拼也起到重要的應(yīng)用。

圖1 光柵投影式掃描原理

1.1 模具加工毛胚的數(shù)據(jù)獲取

在大型模座的加工過(guò)程中,由于翻砂消失模變形及澆鑄時(shí)材料收縮比難以控制,導(dǎo)致模座的實(shí)際毛胚余量與理論值有很大偏差,加工余量很難均勻分配,經(jīng)常發(fā)生一面余量過(guò)多,另一面無(wú)加工余量的尷尬。而利用照相掃描則能快速解決此問(wèn)題。

圖2所示,模座長(zhǎng) 4500mm,寬 2400mm,翻砂鑄造后變形較大。底面加工后,正面的裝刀面、導(dǎo)板面及斜楔安裝面等部分會(huì)有余量不足的現(xiàn)象。利用掃描設(shè)備,對(duì)模座的重要加工面貼好十字標(biāo)簽(大面4點(diǎn),小面1點(diǎn)),再進(jìn)行照相掃描,得到各加工面的實(shí)際毛胚空間位置尺寸(圖2所示紅色點(diǎn))。在CAM軟件中可對(duì)紅色點(diǎn)再進(jìn)行調(diào)整,從而均勻分配各個(gè)面的加工余量,且拍照不受場(chǎng)地的限制,耗時(shí)約1 h,效率很高。

圖2 模座的照相掃描

1.2 模具加工質(zhì)量的檢測(cè)

模具型面質(zhì)量檢測(cè)通常是用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行的,對(duì)于重要型面、功能型面及其他特定的面進(jìn)行截面測(cè)量或均勻分布打點(diǎn)測(cè)量,從而得到型面的加工質(zhì)量測(cè)量報(bào)告。可以說(shuō),三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)型面的質(zhì)量檢測(cè)是部分的,而利用掃描設(shè)備進(jìn)行模具型面質(zhì)量的檢測(cè)則是全部的。

圖3為中央通道op30凸模的型面,通過(guò)公差帶的顏色定義,將掃描后的模具型面與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,通過(guò)公差顏色渲染,完全反映了型面的加工精度。而顏色的漸變反映了加工誤差的變化趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)多個(gè)模具型面加工過(guò)程中刀具的讓刀誤差對(duì)比,得出刀具讓刀的規(guī)律,對(duì)模具型面工程處理及加工時(shí)刀具的半徑補(bǔ)償都有重要的指導(dǎo)意義。

圖3 模具型面檢測(cè)

1.3 模具型面的貼合率檢測(cè)

模具型面的貼合率反映了上、下模型面的貼合狀況,是評(píng)判模具質(zhì)量的重要指標(biāo),通常通過(guò)模具的藍(lán)油度來(lái)評(píng)判。評(píng)判時(shí),先在沖壓件上涂好藍(lán)油,然后放進(jìn)模具在壓機(jī)上進(jìn)行沖壓,打開(kāi)模具后觀察模具型面藍(lán)油的附著率,從而得到模具型面的貼合率。對(duì)模具型面進(jìn)行研配時(shí),也要反復(fù)重復(fù)這一過(guò)程,從而確定模具型面的推磨范圍,以提高模具型面的貼合率。但為了確定研磨的范圍,模具型面的研配占用了大量的壓機(jī)時(shí)間,研配的周期也較長(zhǎng)。而利用掃描設(shè)備對(duì)模具的型面及導(dǎo)板(或其他上、下模導(dǎo)向面)進(jìn)行掃描,如圖4所示,可得到上、下模具的型面及導(dǎo)向面數(shù)據(jù),在CAD軟件中沿著導(dǎo)向面移動(dòng)模具型面,從而模擬出模具做藍(lán)油度時(shí)的壓合狀態(tài),通過(guò)型面的誤差對(duì)比得出模具的研磨范圍及研磨量。這樣就大大縮減了模具型面研磨的周期,甚至不用上壓機(jī)就可以完成前期的型面貼合檢測(cè)工作。

圖4 模具型面掃描貼合示意圖

1.4 模具的修補(bǔ)

模具在使用過(guò)程中由于損壞、修改等原因,型面經(jīng)燒焊后由鉗工進(jìn)行修補(bǔ),然而修補(bǔ)的質(zhì)量經(jīng)常“慘不忍睹”。圖5所示為前縱梁的沖孔切邊鑲塊,由于工作狀況惡劣,圖示部位經(jīng)常會(huì)損壞,經(jīng)電焊后鉗工的打磨研配工作量很大,效果也不理想。而利用掃描設(shè)備對(duì)鑲塊進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)化,再進(jìn)行逆向造型優(yōu)化,并且可適當(dāng)改進(jìn)結(jié)構(gòu),如圖6所示,模具得到比較完美的修補(bǔ)及完善。對(duì)于模具的磨損優(yōu)化、型面改型等模具修補(bǔ)類項(xiàng)目,此種方法同樣適用,不僅保證了模具修補(bǔ)的質(zhì)量,也降低了模具鉗工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖5 型面修補(bǔ)前

圖6 型面修補(bǔ)后

2 沖壓件的檢測(cè)

模具是一種工具,模具沖壓后得到的合格的零件才是模具驗(yàn)收的最終標(biāo)準(zhǔn)。因此沖壓件的質(zhì)量直接反映了模具的質(zhì)量。沖壓件的測(cè)量為模具的調(diào)試優(yōu)化提供了方向。利用掃描設(shè)備對(duì)沖壓件掃描,不僅可以對(duì)沖壓件的型面及切邊尺寸進(jìn)行分析,而且多個(gè)零件的試拼也可以在CAD軟件中得到模擬。

2.1 沖壓件的型面及尺寸分析

沖壓件通常放在特定的檢具上,通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)量過(guò)程與模具型面的測(cè)量相似,都是測(cè)量特定的點(diǎn),范圍較稀疏。而掃描設(shè)備是對(duì)零件自由狀態(tài)的完全掃描,反映零件的狀態(tài)更加準(zhǔn)確,更加全面。圖7和圖8為加強(qiáng)板的掃描數(shù)據(jù)化檢測(cè),掃描時(shí)零件自由狀態(tài)放置,不需要特定支架,相對(duì)節(jié)省了沖壓件檢具的費(fèi)用。由于是自由狀態(tài),也不存在支架夾持時(shí)產(chǎn)生的變形誤差;另外,因掃描為非接觸式測(cè)量,不存在測(cè)量力對(duì)沖壓件的影響,故掃描測(cè)量能更加準(zhǔn)確地反映沖壓件的實(shí)際狀態(tài)。

圖7 型面掃描檢測(cè)

圖8 切邊尺寸檢測(cè)

掃描檢測(cè)的結(jié)果是以對(duì)整個(gè)沖壓件區(qū)域顏色渲染的方式反映的。對(duì)零件型面的誤差區(qū)域反映得越準(zhǔn)確、直觀,則對(duì)模具的優(yōu)化就能提供更明確的方向。而掃描設(shè)備對(duì)切邊尺寸的檢測(cè),得到的是一根數(shù)據(jù)化的實(shí)際切邊線,可通過(guò)誤差向量顯示,也可以如圖8相同的方式顯示數(shù)字,反映切邊線的誤差,使設(shè)計(jì)員在對(duì)加工數(shù)據(jù)線進(jìn)行優(yōu)化時(shí)有更大的自主性,避免了缺少某些測(cè)量點(diǎn)的遺憾。

2.2 沖壓件的試拼

沖壓件單件檢測(cè)合格并不等于模具調(diào)整優(yōu)化就結(jié)束了。沖壓件經(jīng)過(guò)試拼,完成整個(gè)白車身各零件的調(diào)整后,模具才算最終完成。零件的試拼需要專門設(shè)備(如主模型匹配樣架),若由專業(yè)的人員裝配,則會(huì)耗費(fèi)很大的人力物力。利用掃描設(shè)備對(duì)沖壓件進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)化,再在CAD軟件中進(jìn)行虛擬拼裝調(diào)整,這一過(guò)程就顯得比較輕松隨意。

圖9(a)為側(cè)圍與中柱加強(qiáng)板的模擬拼裝。模擬過(guò)程中可以不斷嘗試,從而找到最佳的匹配位置。圖中綠色區(qū)域?yàn)橘N合理想的位置,而紅色區(qū)域則為2個(gè)零件的干涉區(qū)域,需要對(duì)中柱加強(qiáng)板或側(cè)圍相應(yīng)位置進(jìn)行型面反彈補(bǔ)償。其他零件如前后蓋內(nèi)外板、前后車門內(nèi)外板的拼裝等都可以進(jìn)行模擬拼裝,某些實(shí)物不易直接觀察的位置在模擬時(shí)也都可以測(cè)量,從而得到模具優(yōu)化的精確區(qū)域與尺寸。圖9(b)為后門與側(cè)圍的模擬裝配。通過(guò)后門與中柱的定位關(guān)系完成其虛擬調(diào)整,它們之間配合的間隙度與平整度都可以在CAD軟件中進(jìn)行測(cè)量,對(duì)裝配中的問(wèn)題具有很好的診斷作用。

利用掃描設(shè)備對(duì)沖壓件進(jìn)行的實(shí)物虛擬化拼裝使沖壓件的試拼更便利、更準(zhǔn)確。相應(yīng)的模具優(yōu)化也會(huì)少走很多彎路,優(yōu)化的效率更高。

圖9 沖壓件試拼示意

3 結(jié) 語(yǔ)

掃描設(shè)備作為實(shí)物數(shù)據(jù)化的橋梁,在模具的加工、質(zhì)量檢測(cè)、沖壓件的質(zhì)量檢測(cè)及試拼等方面都發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。通過(guò)CAD軟件的模擬,模具的制造優(yōu)化有了更加明確的方向,使模具的試模有了事半功倍的效果,提高了模具試模的整體效率。另外,對(duì)其他廠家制造的優(yōu)質(zhì)模具進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)化,再進(jìn)行分析對(duì)比,對(duì)積累與優(yōu)化模具的沖壓工藝,指導(dǎo)模面工程處理,提高模具制造的質(zhì)量,縮短模具制造的周期等都有深遠(yuǎn)的意義。利用以掃描設(shè)備為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)化模擬技術(shù)來(lái)完善模具制造技術(shù),模具制造質(zhì)量必然會(huì)越來(lái)越好。

[1]王 虎,周長(zhǎng)英,徐建華.逆向工程技術(shù)在汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用[J].上海汽車,2002(11):4-7.

[2]徐紅兵,任乃飛.A TOS流動(dòng)式光學(xué)掃描儀的工作原理與系統(tǒng)標(biāo)定[J].工具技術(shù),2006(9):10-12.

[3]劉德平,侯伯杰,劉武發(fā).逆向工程在模具制造中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓,2007(35):124-126.