模具制造中在線檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

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摘要：模具作為“工業(yè)之母”是制造行業(yè)的核心技術(shù)，是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。雖然我國(guó)是模具大國(guó)，但在高精度模具制造方面還和發(fā)達(dá)國(guó)家有一定的差距。因此，采用在線檢測(cè)技術(shù)作為有效過(guò)程控制手段，通過(guò)實(shí)時(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化加工過(guò)程控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)制造過(guò)程中存在的問(wèn)題，提高加工質(zhì)量和加工效率，促進(jìn)模具工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。本文概述了模具制造的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，分析了在線測(cè)量系統(tǒng)的組成及原理，闡述了在線測(cè)量技術(shù)應(yīng)用，僅供參考。

關(guān)鍵詞：模具；在線檢測(cè)；機(jī)械加工；智能制造

2013年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，德國(guó)正式推出德國(guó)工業(yè)4.0，即將生產(chǎn)中的供應(yīng)、制造、銷售信息數(shù)據(jù)化、智慧化，最后達(dá)到快速、有效、個(gè)人化的產(chǎn)品供應(yīng)。其核心是互聯(lián)網(wǎng)＋制造業(yè)，將信息物理系統(tǒng)（Cyber-PhysicalSystem簡(jiǎn)稱CPS）廣泛深入地應(yīng)用于制造業(yè)，構(gòu)建智能工廠，實(shí)現(xiàn)智能制造[1]。這一概念的提出使得德國(guó)成為第四次工業(yè)革命的先行者，其他發(fā)達(dá)國(guó)家隨后也紛紛出臺(tái)了制造業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略。新中國(guó)成立70年來(lái)，我國(guó)的制造業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，成為全世界唯一擁有聯(lián)合國(guó)產(chǎn)業(yè)分類中所列全部工業(yè)門(mén)類的國(guó)家，41個(gè)工業(yè)大類，其中包含著207個(gè)工業(yè)中類、666個(gè)工業(yè)小類，構(gòu)成了最完整的產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈條。2015年5月19日，國(guó)務(wù)院正式印發(fā)《中國(guó)制造2025》，提出通過(guò)“三步走”實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)，要求加快新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合。2020年伊始，突如其來(lái)的疫情將整個(gè)社會(huì)按下了暫停鍵。后疫情時(shí)代，一批能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化流水線、全面智能化生產(chǎn)、個(gè)性化定制、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能工廠率先復(fù)工復(fù)產(chǎn)。而更多的制造企業(yè)卻面臨著勞動(dòng)力短缺、原輔材料吃緊、生產(chǎn)效率降低、產(chǎn)能壓縮等難題，一直以來(lái)制約企業(yè)發(fā)展的隱患和矛盾都集中顯現(xiàn)出來(lái)，中國(guó)制造向中國(guó)智造的轉(zhuǎn)型升級(jí)迫在眉睫。此次疫情對(duì)制造業(yè)的發(fā)展走向產(chǎn)生巨大影響，將成為中國(guó)制造業(yè)順應(yīng)第四次工業(yè)革命發(fā)展趨勢(shì)，向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，共同探索新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式的催化劑。

1模具制造的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

模具是制造業(yè)的重要基礎(chǔ)工藝裝備，工業(yè)產(chǎn)品大批量生產(chǎn)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)都離不開(kāi)模具，用模具生產(chǎn)制件所達(dá)到的四高二低（高精度、高復(fù)雜程度、高一致性、高生產(chǎn)率和低耗能、低耗材）使模具工業(yè)在制造業(yè)中的地位越來(lái)越重要[2]。模具作為“工業(yè)之母”是制造行業(yè)的核心技術(shù)，與上游原材料工業(yè)、機(jī)床裝備和下游機(jī)械、通訊、電子、輕工、汽車(chē)、建材等行業(yè)一起構(gòu)成了一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)鏈條，其制造水平是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。模具作為單件小批量的工裝，除了提高模具標(biāo)準(zhǔn)化率來(lái)有效的縮短模具制造周期外，對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)化的部分，提高模具制造的加工速度和精度，減少模具的反復(fù)試模、修模的次數(shù)，是有效縮短制模周期的重要途徑。特別是對(duì)于具有復(fù)雜曲面分型面的注射模，因機(jī)床的精度、刀具的磨損、環(huán)境溫度的變化、工件裝夾等原因，初步加工完成后的模具分型面產(chǎn)生修正余量，必須經(jīng)過(guò)多次修模、試模才能合格。部分企業(yè)采用傳統(tǒng)手工方式修模，在定模分型面涂紅丹，通過(guò)合模機(jī)開(kāi)合模，觀察動(dòng)模分型面上紅丹分布面積及均勻性判斷動(dòng)定模貼合間隙，此種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，往往需要經(jīng)過(guò)多次的修模才能達(dá)到配合間隙要求，做出來(lái)的模具粗糙，外觀顏值低，整體精細(xì)度低。還有一部分企業(yè)則會(huì)采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行離線測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果推算修正量，然后將模具重新上機(jī)返修，此種方法會(huì)因?yàn)橹貜?fù)裝夾產(chǎn)生累計(jì)誤差，精度同樣難以控制,中間流轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，當(dāng)加工余量過(guò)小時(shí)還會(huì)因重復(fù)定位造成的誤差使得零件報(bào)廢，造成損失。

2在線測(cè)量系統(tǒng)的組成及原理

目前許多廠商在數(shù)控機(jī)床和加工中心上加裝上各種在線檢測(cè)設(shè)備，有效避免了手工與離線檢測(cè)中存在的各種弊端[3]。在線測(cè)量系統(tǒng)通常由機(jī)床測(cè)頭、機(jī)床對(duì)刀儀、機(jī)床溫檢測(cè)頭、接收器、接口裝置、測(cè)量軟件、宏程序等組成。在線測(cè)量系統(tǒng)組成及工作原理如圖1所示。根據(jù)測(cè)量接觸方式不同，測(cè)頭分為接觸式測(cè)頭和非接觸式測(cè)頭。接觸式測(cè)量精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，在數(shù)控機(jī)床在線測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。這類測(cè)頭按傳輸信號(hào)方式不同，又分為紅外線測(cè)頭和無(wú)線電測(cè)頭。無(wú)線電信號(hào)強(qiáng)，能在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)進(jìn)行非可視傳輸，可完成大型龍門(mén)機(jī)床、有障礙物或工件深腔的測(cè)量。紅外測(cè)頭傳輸角度大，廣泛用于加工中心、數(shù)控車(chē)床上。測(cè)頭皆采用不銹鋼材質(zhì)、密封性極好，能夠保證加工環(huán)境下的可靠使用。測(cè)量時(shí)測(cè)針觸碰工件表面，測(cè)頭內(nèi)發(fā)送器將觸發(fā)信號(hào)傳輸?shù)浇邮掌鳎邮掌鲗⒐庑盘?hào)或者無(wú)線電波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)接口裝置將電信號(hào)傳遞到機(jī)床控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過(guò)伺服系統(tǒng)使機(jī)床工作臺(tái)停機(jī)，此時(shí)定位系統(tǒng)就會(huì)存儲(chǔ)測(cè)頭中心的坐標(biāo)值，再通過(guò)測(cè)頭半徑補(bǔ)償，確定被測(cè)工件觸點(diǎn)的坐標(biāo)值，從而實(shí)現(xiàn)工件表面點(diǎn)的測(cè)量。數(shù)控機(jī)床通過(guò)搭載測(cè)頭系統(tǒng)、配合相應(yīng)的測(cè)量軟件或者測(cè)量宏程序可作為一臺(tái)簡(jiǎn)易的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來(lái)使用，對(duì)模具、夾具進(jìn)行各種尺寸和形位公差的評(píng)價(jià)和分析。輔助對(duì)刀儀進(jìn)行刀具磨損補(bǔ)償、系統(tǒng)溫度補(bǔ)償、機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償設(shè)定等技術(shù)的使用，可對(duì)產(chǎn)品加工過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)管控和優(yōu)化，確保生產(chǎn)的流暢性和穩(wěn)定性。對(duì)于機(jī)械加工來(lái)講，不論普通加工機(jī)床還是數(shù)控機(jī)床，對(duì)刀都是非常重要的研究問(wèn)題。實(shí)際加工過(guò)程中，由于受到各種因素的影響，機(jī)械加工過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)對(duì)刀誤差，從而嚴(yán)重影響加工的質(zhì)量。只有快速準(zhǔn)確地完成對(duì)刀，才能有效縮短加工前的準(zhǔn)備時(shí)間。因此對(duì)刀儀的使用，能有效的解決對(duì)刀誤差問(wèn)題，提高加工精度和加工效率。但是對(duì)刀儀安裝要求高，相對(duì)應(yīng)用比較少。由于不同的加工設(shè)備其內(nèi)部空間的大小和布局都存在較大的差異性，安裝限制條件多，安裝困難大，目前實(shí)際使用還不是很普及。但是自動(dòng)對(duì)刀儀對(duì)加工設(shè)備的性能有極大地提升作用，相信今后大范圍的普及也必然是大勢(shì)所趨。

3在線測(cè)量技術(shù)應(yīng)用

3.1工件的測(cè)量

工件上機(jī)裝夾完畢，加工前通過(guò)精確地測(cè)量，可方便的核對(duì)毛坯的規(guī)格，找正工件位置，自動(dòng)修正坐標(biāo)系。使用測(cè)量軟件導(dǎo)入工件CAD模型數(shù)據(jù)，鼠標(biāo)點(diǎn)選、定義測(cè)點(diǎn)，屏幕動(dòng)態(tài)模擬碰撞檢測(cè)，生成測(cè)量程序，自動(dòng)上傳至機(jī)床控制系統(tǒng)，使用安裝在機(jī)床主軸上的測(cè)頭執(zhí)行在線測(cè)量。加工過(guò)程中可實(shí)時(shí)測(cè)量工件加工余量，并及時(shí)反饋給操作系統(tǒng)，進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，監(jiān)控工件所有幾何特征是否超差。加工結(jié)束后，可根據(jù)測(cè)量結(jié)果自動(dòng)生成圖形、表格等多樣化測(cè)量報(bào)告?？伸`活實(shí)現(xiàn)全特征測(cè)量，包括點(diǎn)、線、平面、內(nèi)孔、凸臺(tái)、球、槽、多邊形等的尺寸公差、形位公差，對(duì)工件的加工實(shí)現(xiàn)全過(guò)程控制，提高了工件的良品率，有效縮短了加工周期，減少了工人數(shù)量，降低了成本，擴(kuò)展了機(jī)床的使用功能。

3.2夾具的測(cè)量

在機(jī)械加工的過(guò)程中，工件形狀結(jié)構(gòu)和加工工序都存在著很大的差異，所以在加工生產(chǎn)之前，工件裝夾定位就顯得非常重要。工裝夾具具有很悠久的發(fā)展歷史，初期工裝夾具樣式簡(jiǎn)單，作用比較單一，主要起輔助固定工件的作用。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工裝夾具的種類越來(lái)越多，結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越復(fù)雜，作用也越來(lái)越大，成了機(jī)械生產(chǎn)中是必不可少的工具。由于夾具結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，也出現(xiàn)了一些新問(wèn)題。比如人工進(jìn)行定位和調(diào)整的難度變大，定位調(diào)整的時(shí)間大幅增加，對(duì)加工的效率產(chǎn)生了較大的影響?，F(xiàn)在隨著在線檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析優(yōu)化，就能快捷找正夾具位置，減少手工調(diào)整時(shí)間。還能簡(jiǎn)化夾具設(shè)計(jì)，降低夾具費(fèi)用。進(jìn)行循環(huán)中測(cè)量，監(jiān)控工件的尺寸和位置，自動(dòng)修正偏置量，保證批量加工尺寸的一致性。完美解決了裝夾工件重復(fù)性差，工藝過(guò)程控制不完善的問(wèn)題，大幅提升了一次裝夾加工零件尺寸的合格率，縮短機(jī)床的輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)率[4]。

3.3刀具的測(cè)量

刀具測(cè)量系統(tǒng)是及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工問(wèn)題非常有效的手段，如工藝參數(shù)不合適、裝夾定位偏差、因刀具磨損等原因?qū)е碌募庸こ叽缙畹?。尤其是某些工件易變形、不能二次加工修?fù)，或某些大型工件移動(dòng)到專業(yè)測(cè)量設(shè)備上有難度。通過(guò)快速測(cè)量、修正刀具長(zhǎng)度和直徑偏置值，避免了手工對(duì)刀的人為介入誤差，保證工件的準(zhǔn)確尺寸精度。加工大型復(fù)雜硬度較高的工件時(shí)，刀具的磨損會(huì)產(chǎn)生較大的殘余加工量，利用安裝在機(jī)床工作臺(tái)上的對(duì)刀儀可在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)下測(cè)量刀具的長(zhǎng)度和半徑，并將檢測(cè)結(jié)果傳輸給控制系統(tǒng)進(jìn)行智能修正，測(cè)量過(guò)程快捷、提高了生產(chǎn)的安全性和可靠性。

3.4溫度檢測(cè)補(bǔ)償

在機(jī)械加工的過(guò)程中，刀具和工件接觸面會(huì)形成很高的加工溫度。而高溫的存在會(huì)對(duì)加工的工件質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。比如影響加工的尺寸精度、改變工件的表面形狀，有時(shí)甚至?xí)斐晒ぜ膰?yán)重變形，從而降低企業(yè)的生產(chǎn)效率，增加企業(yè)生產(chǎn)成本。因此對(duì)加工溫度的檢測(cè)和控制就顯得非常重要。在線測(cè)量技術(shù)能夠全自動(dòng)的獲取加工前和加工中的零件溫度，實(shí)時(shí)控制潤(rùn)滑劑和冷卻液的使用，改進(jìn)生產(chǎn)的過(guò)程控制以及合理調(diào)整加工過(guò)程中機(jī)床的參數(shù)設(shè)置。在工件進(jìn)入精加工階段之前，與溫度有關(guān)的參數(shù)均可以準(zhǔn)確得到補(bǔ)償，從而獲得穩(wěn)定高質(zhì)量的測(cè)量數(shù)據(jù)，及時(shí)修正刀長(zhǎng)、刀徑、工件坐標(biāo)系偏置等機(jī)床加工參數(shù)，提高加工質(zhì)量。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在線檢測(cè)技術(shù)就是將加工與檢測(cè)過(guò)程融為一體，在加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)、實(shí)時(shí)反饋，以便更好地指導(dǎo)生產(chǎn)，減少不必要的浪費(fèi)。模具制造中引入在線檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化加工過(guò)程控制，提高加工質(zhì)量和加工效率。縮短模具的加工周期，確保一次成功率，實(shí)現(xiàn)智能修正和質(zhì)檢合一，降低企業(yè)的加工成本，提高收益，促進(jìn)模具工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[4]趙傳彬，許忠保.在線檢測(cè)技術(shù)在華中8型數(shù)控系統(tǒng)上的應(yīng)用研究[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2019，46(2)：35-37.

作者：余志偉 單位：江漢大學(xué)機(jī)電與建筑工程學(xué)院