汽车模具加工精度控制之在线测量技术

文/石旭东·北京奔驰汽车有限公司

模具精度控制的重要性模具是汽车覆盖件批量生产的核心，其使用周期伴随对应车型生产的整个过程，因此模具制造阶段的精度控制是至关重要的。

高精度的模具制造，带来的利好包括：第一，充分实现前期的工艺设计，保证制造出的模具实物与设计方案完美吻合；第二，模具一次上机就要加工到位，避免二次返工带来的成本增加以及对项目关键时间节点的影响；第三，充分发挥高精加工设备和技术的优势，大幅度缩减调试阶段钳工优化的工作量和周期，降低个人技术差异对模具状态的影响；第四，交付的高精度模具，是零件稳定序列化生产的保证。

行业常见精度监测方案介绍及弊端

影响模具加工精度的因素有很多，包括：结构设计强度、材料性能、加工工艺、装卡方案、机床精度等多方面。控制以上因素同时积累经验并持续改进，是高精度模具制造的基础。

模具加工后的精度检测工作是确认模具精度合格、完成质量闭环的关键。目前行业常见的精度检测方案包括以下三个。

方案1：

曲面检测(图1)。程序驱动球头刀具以线驱动的方式执行理论轨迹，采取有限取样的方式，通过塞规检测刀具和模具的间隙，从而获得曲面的加工偏差。该方案的缺点包括，属于半自动测量方式，操作者需要频繁启停刀具进给、进出模具、塞规测量、手动记录数据，过程复杂，周期长；测量点凭操作者经验控制，无法按照编程者意图精确控制；测量结果受操作者水平和熟练度影响，变得不稳定；刀具有损伤模具的风险。

图1 借助塞规实施曲面测量

曲线测量(图2)。程序驱动杠杆表沿着曲线行进，采取有限取样的方式，通过读取杠杆表数值，获得加工偏差。该方案的缺点包括，属于半自动测量，需要频繁操作，周期长；测量点由操作者确定，无法按照编程者意图精准控制。

图2 利用杠杆表实施曲线测量

方案2：

使用接触式巡边器代替刀具和杠杆表实施测量(图3)，缺点包括，仍然属于半自动测量，需要频繁操作，周期长；测量点无法按照编程者意图控制；无法实现法线方向测量，存在测量偏差。该方案仅仅是解决了刀具损伤模具的风险。

图3 光电式寻边器测量曲面

方案3：

都说结婚是人生大事，从要登记何东就开始思考自己的人生：他就准备这么过下去了？朝九晚五，结婚生子，地球上大多数人都这么过的……这是他想要的生活吗？

使用蓝光设备离线扫描(图4)，检测加工精度。该方案的优点，不同于上述方案的有限取样方式，扫描数据可以全面检测加工精度；不存在损伤模具的风险。缺点，扫描精度低于数控检测精度；对于扫描资源不富裕的工厂，无法做到每个模具都进行扫描；最大的问题是，如果离线检测发现问题，模具需要返回机加工，重新装卡加工，完成返修，造成制造周期拉长，对整个项目周期控制是十分不利的。

图4 蓝光扫描设备检测曲面

在线测量技术的介绍和关键技术点

在线测量技术( 图5、图6) 是利用机床自带的高灵敏度接触式探头，通过程序驱动探头到达测量点，并自动实施法向测量动作，同时自动记录测量结果至机床文件，编程软件可自动读取测量结果，并分析偏差值，出具测量报告。整个过程属于全自动测量，无需人工参与，效率和稳定性都有保障；测量点根据编程者意图由程序精确控制；接触式探头有超程保护，不存在损伤模具的风险；测量精度不受人工干预，精度高且稳定；测量过程的高效在线实施，可以节约占用机床时间，同时，若发现精度问题，可及时实施维修，避免二次装卡的时间浪费。

图5 在线测量技术-曲面测量

图6 在线测量技术-曲线测量

在线测量技术的研发过程包括的关键技术点有六个方面：

⑴测量程序编制，关键是实现了法向测量(图7)，编程者只需在曲面上选取测量点，设置法向接触距离和过行程距离以及安全高度等基本参数，软件会自动生成测量轨迹，同时配合软件的虚拟机床技术，可实现程序模拟，避免机床碰撞。

图7 法向测量

⑵探头关键动作的控制代码(OKUMA 系统)包括以下内容。

* CALL OO16 测量头打开；

* CALL OO17 测量头关闭；

* 探头在行进过程中，接触到物体会停止，可读取机床当前位置并补偿运算，获得测量点坐标；

* M130 关闭主轴无转速无法进给的限制条件，探头进给时的转速为0。

⑶探头偏差的补偿包括：读取测量头X+/X-/Y+/Y-四个方向的半径补偿和长度补偿；将偏差值在XYZ 三个方向上做分量补偿，抵消探头的校准偏差。偏差分析如图8 所示。

图8 偏差分析

⑷探头精度的定期校准。参考机床的相关指导文件，严格按照要求周期做精度校准，保证探头的精度合格。

⑸测量结果的自动记录。[VMOFX+VZOFX[VACOD]-VSAPX] 获得机床当前位置坐标，并记录至后台文件。

⑹测量结果的分析和测量报告。读取机床的测量文件，将测量点在软件中实体化，并分析出与理论值的偏差，出具相关测量报告，如图9 所示。

图9 测量报告

结束语

在线测量技术可明显提高汽车模具制造行业检测的精度、效率、安全性，相对传统方案有明显优势，是控制模具精度、形成质量闭环的关键技术。