模具制造中在線檢測技術的應用

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摘要：模具作為“工業之母”是制造行業的核心技術，是衡量一個國家制造業水平的重要標志。雖然我國是模具大國，但在高精度模具制造方面還和發達國家有一定的差距。因此，采用在線檢測技術作為有效過程控制手段，通過實時的檢測數據，不斷優化加工過程控制，及時發現制造過程中存在的問題，提高加工質量和加工效率，促進模具工業的高質量發展。本文概述了模具制造的現狀和存在的問題，分析了在線測量系統的組成及原理，闡述了在線測量技術應用，僅供參考。

關鍵詞：模具；在線檢測；機械加工；智能制造

2013年漢諾威工業博覽會上，德國正式推出德國工業4.0，即將生產中的供應、制造、銷售信息數據化、智慧化，最后達到快速、有效、個人化的產品供應。其核心是互聯網＋制造業，將信息物理系統（Cyber-PhysicalSystem簡稱CPS）廣泛深入地應用于制造業，構建智能工廠，實現智能制造[1]。這一概念的提出使得德國成為第四次工業革命的先行者，其他發達國家隨后也紛紛出臺了制造業創新戰略。新中國成立70年來，我國的制造業持續快速發展，成為全世界唯一擁有聯合國產業分類中所列全部工業門類的國家，41個工業大類，其中包含著207個工業中類、666個工業小類，構成了最完整的產業供應鏈條。2015年5月19日，國務院正式印發《中國制造2025》，提出通過“三步走”實現制造強國的戰略目標，要求加快新一代信息技術與制造業的深度融合。2020年伊始，突如其來的疫情將整個社會按下了暫停鍵。后疫情時代，一批能夠實現自動化流水線、全面智能化生產、個性化定制、網絡化協同、工業互聯網平臺的智能工廠率先復工復產。而更多的制造企業卻面臨著勞動力短缺、原輔材料吃緊、生產效率降低、產能壓縮等難題，一直以來制約企業發展的隱患和矛盾都集中顯現出來，中國制造向中國智造的轉型升級迫在眉睫。此次疫情對制造業的發展走向產生巨大影響，將成為中國制造業順應第四次工業革命發展趨勢，向數字化、網絡化、智能化轉型升級，共同探索新技術、新業態、新模式的催化劑。

1模具制造的現狀和存在的問題

模具是制造業的重要基礎工藝裝備，工業產品大批量生產和新產品開發都離不開模具，用模具生產制件所達到的四高二低（高精度、高復雜程度、高一致性、高生產率和低耗能、低耗材）使模具工業在制造業中的地位越來越重要[2]。模具作為“工業之母”是制造行業的核心技術，與上游原材料工業、機床裝備和下游機械、通訊、電子、輕工、汽車、建材等行業一起構成了一個巨大的產業鏈條，其制造水平是衡量一個國家制造業水平的重要標志。模具作為單件小批量的工裝，除了提高模具標準化率來有效的縮短模具制造周期外，對于非標準化的部分，提高模具制造的加工速度和精度，減少模具的反復試模、修模的次數，是有效縮短制模周期的重要途徑。特別是對于具有復雜曲面分型面的注射模，因機床的精度、刀具的磨損、環境溫度的變化、工件裝夾等原因，初步加工完成后的模具分型面產生修正余量，必須經過多次修模、試模才能合格。部分企業采用傳統手工方式修模，在定模分型面涂紅丹，通過合模機開合模，觀察動模分型面上紅丹分布面積及均勻性判斷動定模貼合間隙，此種方法費時費力，往往需要經過多次的修模才能達到配合間隙要求，做出來的模具粗糙，外觀顏值低，整體精細度低。還有一部分企業則會采用三坐標測量機進行離線測量，根據測量結果推算修正量，然后將模具重新上機返修，此種方法會因為重復裝夾產生累計誤差，精度同樣難以控制,中間流轉時間長，當加工余量過小時還會因重復定位造成的誤差使得零件報廢，造成損失。

2在線測量系統的組成及原理

目前許多廠商在數控機床和加工中心上加裝上各種在線檢測設備，有效避免了手工與離線檢測中存在的各種弊端[3]。在線測量系統通常由機床測頭、機床對刀儀、機床溫檢測頭、接收器、接口裝置、測量軟件、宏程序等組成。在線測量系統組成及工作原理如圖1所示。根據測量接觸方式不同，測頭分為接觸式測頭和非接觸式測頭。接觸式測量精度高，結構簡單，使用方便，在數控機床在線測量系統中應用廣泛。這類測頭按傳輸信號方式不同，又分為紅外線測頭和無線電測頭。無線電信號強，能在遠距離范圍內進行非可視傳輸，可完成大型龍門機床、有障礙物或工件深腔的測量。紅外測頭傳輸角度大，廣泛用于加工中心、數控車床上。測頭皆采用不銹鋼材質、密封性極好，能夠保證加工環境下的可靠使用。測量時測針觸碰工件表面，測頭內發送器將觸發信號傳輸到接收器，接收器將光信號或者無線電波轉換成電信號，通過接口裝置將電信號傳遞到機床控制系統，控制系統通過伺服系統使機床工作臺停機，此時定位系統就會存儲測頭中心的坐標值，再通過測頭半徑補償，確定被測工件觸點的坐標值，從而實現工件表面點的測量。數控機床通過搭載測頭系統、配合相應的測量軟件或者測量宏程序可作為一臺簡易的三坐標測量機來使用，對模具、夾具進行各種尺寸和形位公差的評價和分析。輔助對刀儀進行刀具磨損補償、系統溫度補償、機床運動誤差補償設定等技術的使用，可對產品加工過程中的各個環節進行實時管控和優化，確保生產的流暢性和穩定性。對于機械加工來講，不論普通加工機床還是數控機床，對刀都是非常重要的研究問題。實際加工過程中，由于受到各種因素的影響，機械加工過程中都會出現對刀誤差，從而嚴重影響加工的質量。只有快速準確地完成對刀，才能有效縮短加工前的準備時間。因此對刀儀的使用，能有效的解決對刀誤差問題，提高加工精度和加工效率。但是對刀儀安裝要求高，相對應用比較少。由于不同的加工設備其內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，目前實際使用還不是很普及。但是自動對刀儀對加工設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所趨。

3在線測量技術應用

3.1工件的測量

工件上機裝夾完畢，加工前通過精確地測量，可方便的核對毛坯的規格，找正工件位置，自動修正坐標系。使用測量軟件導入工件CAD模型數據，鼠標點選、定義測點，屏幕動態模擬碰撞檢測，生成測量程序，自動上傳至機床控制系統，使用安裝在機床主軸上的測頭執行在線測量。加工過程中可實時測量工件加工余量，并及時反饋給操作系統，進行相應補償，監控工件所有幾何特征是否超差。加工結束后，可根據測量結果自動生成圖形、表格等多樣化測量報告。可靈活實現全特征測量，包括點、線、平面、內孔、凸臺、球、槽、多邊形等的尺寸公差、形位公差，對工件的加工實現全過程控制，提高了工件的良品率，有效縮短了加工周期，減少了工人數量，降低了成本，擴展了機床的使用功能。

3.2夾具的測量

在機械加工的過程中，工件形狀結構和加工工序都存在著很大的差異，所以在加工生產之前，工件裝夾定位就顯得非常重要。工裝夾具具有很悠久的發展歷史，初期工裝夾具樣式簡單，作用比較單一，主要起輔助固定工件的作用。隨著現代工業技術的發展，工裝夾具的種類越來越多，結構形式越來越復雜，作用也越來越大，成了機械生產中是必不可少的工具。由于夾具結構越來越復雜，也出現了一些新問題。比如人工進行定位和調整的難度變大，定位調整的時間大幅增加，對加工的效率產生了較大的影響。現在隨著在線檢測技術的發展，通過檢測數據的分析優化，就能快捷找正夾具位置，減少手工調整時間。還能簡化夾具設計，降低夾具費用。進行循環中測量，監控工件的尺寸和位置，自動修正偏置量，保證批量加工尺寸的一致性。完美解決了裝夾工件重復性差，工藝過程控制不完善的問題，大幅提升了一次裝夾加工零件尺寸的合格率，縮短機床的輔助時間，提高生產率[4]。

3.3刀具的測量

刀具測量系統是及時發現加工問題非常有效的手段，如工藝參數不合適、裝夾定位偏差、因刀具磨損等原因導致的加工尺寸偏差等。尤其是某些工件易變形、不能二次加工修復，或某些大型工件移動到專業測量設備上有難度。通過快速測量、修正刀具長度和直徑偏置值，避免了手工對刀的人為介入誤差，保證工件的準確尺寸精度。加工大型復雜硬度較高的工件時，刀具的磨損會產生較大的殘余加工量，利用安裝在機床工作臺上的對刀儀可在靜態或動態下測量刀具的長度和半徑，并將檢測結果傳輸給控制系統進行智能修正，測量過程快捷、提高了生產的安全性和可靠性。

3.4溫度檢測補償

在機械加工的過程中，刀具和工件接觸面會形成很高的加工溫度。而高溫的存在會對加工的工件質量產生較大的影響。比如影響加工的尺寸精度、改變工件的表面形狀，有時甚至會造成工件的嚴重變形，從而降低企業的生產效率，增加企業生產成本。因此對加工溫度的檢測和控制就顯得非常重要。在線測量技術能夠全自動的獲取加工前和加工中的零件溫度，實時控制潤滑劑和冷卻液的使用，改進生產的過程控制以及合理調整加工過程中機床的參數設置。在工件進入精加工階段之前，與溫度有關的參數均可以準確得到補償，從而獲得穩定高質量的測量數據，及時修正刀長、刀徑、工件坐標系偏置等機床加工參數，提高加工質量。

4結束語

綜上所述，在線檢測技術就是將加工與檢測過程融為一體，在加工過程中實現實時檢測、實時反饋，以便更好地指導生產，減少不必要的浪費。模具制造中引入在線檢測技術，通過實時的檢測數據，不斷優化加工過程控制，提高加工質量和加工效率。縮短模具的加工周期，確保一次成功率，實現智能修正和質檢合一，降低企業的加工成本，提高收益，促進模具工業的高質量發展。

參考文獻：

[1]林建平.“工業4.0”下的模具智能化發展趨勢[J].模具工業，2016，42(5)：1-4.

[2]許伯勇.模具行業現狀與前景的探討[J].南方農機，2017，48(17)：86-88.

[3]趙宏霞，魏東坡.加工中心在線檢測技術探究[J].南方農機，2015，46(6)：67-69.

[4]趙傳彬，許忠保.在線檢測技術在華中8型數控系統上的應用研究[J].時代農機，2019，46(2)：35-37.

作者：余志偉 單位：江漢大學機電與建筑工程學院