王本日

(上海大眾汽車有限公司，上海 201805)

掃描設備是一種把實物曲面以空間點三維坐標的形式離散數(shù)據化的設備。通過掃描設備實物掃描得到的點云數(shù)據,是快速成型及逆向造型等的基礎環(huán)節(jié)[1]。目前,設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)碼相機獲取實物數(shù)碼點的三維坐標,從而構成整個掃描體的坐標系統(tǒng),然后將光柵投影到物體表面,形成一塊待測區(qū)域,再由光學掃描系統(tǒng)測取實物的表面數(shù)據。不同區(qū)域的表面數(shù)據最后通過坐標系統(tǒng)形成實物的點云數(shù)據[2]。Gom公司Atos的掃描設備就屬于此種原理,其他大多數(shù)的便攜式掃描設備(如美國阿泰科三維掃描儀)也屬光柵式投影掃描。②線狀激光束掃描,即點光源線掃描。這種掃描設備一般都需要安裝在三坐標測量機上,相當于測量機的一個測量頭,如法國的Kreon掃描頭。線狀激光束設備掃描時,投影到實物上的是一條線,通過測量機的運動進行掃描,最后由測量機的坐標系統(tǒng)把所有的掃描點組合成實物的整體點云數(shù)據。上述2種掃描設備相比較,光柵式掃描設備的掃描范圍更大,綜合精度在0.1/1000mm以內,相對精度高;而線狀激光束式掃描的效率稍低,若安裝在測量機上掃描還會受到測量機的精度及工作范圍的限制。隨著掃描技術的成熟,掃描設備在汽車、航天、制鞋和消費電子產品等制造行業(yè),特別是在模具制造行業(yè)得到了廣泛的應用[3]。

1 三維掃描設備在模具制造中應用

在模具的加工制造過程中,三維掃描設備主要用于加工毛胚數(shù)據的獲取、模具加工質量檢測、模具的修補等,對于沖壓件的質量檢測及沖壓件試拼也起到重要的應用。

圖1 光柵投影式掃描原理

1.1 模具加工毛胚的數(shù)據獲取

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

圖2所示,模座長 4500mm,寬 2400mm,翻砂鑄造后變形較大。底面加工后,正面的裝刀面、導板面及斜楔安裝面等部分會有余量不足的現(xiàn)象。利用掃描設備,對模座的重要加工面貼好十字標簽(大面4點,小面1點),再進行照相掃描,得到各加工面的實際毛胚空間位置尺寸(圖2所示紅色點)。在CAM軟件中可對紅色點再進行調整,從而均勻分配各個面的加工余量,且拍照不受場地的限制,耗時約1 h,效率很高。

圖2 模座的照相掃描

1.2 模具加工質量的檢測

模具型面質量檢測通常是用三坐標測量機進行的,對于重要型面、功能型面及其他特定的面進行截面測量或均勻分布打點測量,從而得到型面的加工質量測量報告?？梢哉f,三坐標測量機對型面的質量檢測是部分的,而利用掃描設備進行模具型面質量的檢測則是全部的。

圖3為中央通道op30凸模的型面,通過公差帶的顏色定義,將掃描后的模具型面與理論數(shù)據進行對比,通過公差顏色渲染,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。通過對多個模具型面加工過程中刀具的讓刀誤差對比,得出刀具讓刀的規(guī)律,對模具型面工程處理及加工時刀具的半徑補償都有重要的指導意義。

圖3 模具型面檢測

1.3 模具型面的貼合率檢測

模具型面的貼合率反映了上、下模型面的貼合狀況,是評判模具質量的重要指標,通常通過模具的藍油度來評判。評判時,先在沖壓件上涂好藍油,然后放進模具在壓機上進行沖壓,打開模具后觀察模具型面藍油的附著率,從而得到模具型面的貼合率。對模具型面進行研配時,也要反復重復這一過程,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時間,研配的周期也較長。而利用掃描設備對模具的型面及導板(或其他上、下模導向面)進行掃描,如圖4所示,可得到上、下模具的型面及導向面數(shù)據,在CAD軟件中沿著導向面移動模具型面,從而模擬出模具做藍油度時的壓合狀態(tài),通過型面的誤差對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,甚至不用上壓機就可以完成前期的型面貼合檢測工作。

圖4 模具型面掃描貼合示意圖

1.4 模具的修補

模具在使用過程中由于損壞、修改等原因,型面經燒焊后由鉗工進行修補,然而修補的質量經常“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,圖示部位經常會損壞,經電焊后鉗工的打磨研配工作量很大,效果也不理想。而利用掃描設備對鑲塊進行掃描數(shù)據化,再進行逆向造型優(yōu)化,并且可適當改進結構,如圖6所示,模具得到比較完美的修補及完善。對于模具的磨損優(yōu)化、型面改型等模具修補類項目,此種方法同樣適用,不僅保證了模具修補的質量,也降低了模具鉗工的勞動強度。

圖5 型面修補前

圖6 型面修補后

2 沖壓件的檢測

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收的最終標準。因此沖壓件的質量直接反映了模具的質量。沖壓件的測量為模具的調試優(yōu)化提供了方向。利用掃描設備對沖壓件掃描,不僅可以對沖壓件的型面及切邊尺寸進行分析,而且多個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,通過三坐標測量機進行檢測。測量過程與模具型面的測量相似,都是測量特定的點,范圍較稀疏。而掃描設備是對零件自由狀態(tài)的完全掃描,反映零件的狀態(tài)更加準確,更加全面。圖7和圖8為加強板的掃描數(shù)據化檢測,掃描時零件自由狀態(tài)放置,不需要特定支架,相對節(jié)省了沖壓件檢具的費用。由于是自由狀態(tài),也不存在支架夾持時產生的變形誤差;另外,因掃描為非接觸式測量,不存在測量力對沖壓件的影響,故掃描測量能更加準確地反映沖壓件的實際狀態(tài)。

圖7 型面掃描檢測

圖8 切邊尺寸檢測

掃描檢測的結果是以對整個沖壓件區(qū)域顏色渲染的方式反映的。對零件型面的誤差區(qū)域反映得越準確、直觀,則對模具的優(yōu)化就能提供更明確的方向。而掃描設備對切邊尺寸的檢測,得到的是一根數(shù)據化的實際切邊線,可通過誤差向量顯示,也可以如圖8相同的方式顯示數(shù)字,反映切邊線的誤差,使設計員在對加工數(shù)據線進行優(yōu)化時有更大的自主性,避免了缺少某些測量點的遺憾。

2.2 沖壓件的試拼

沖壓件單件檢測合格并不等于模具調整優(yōu)化就結束了。沖壓件經過試拼,完成整個白車身各零件的調整后,模具才算最終完成。零件的試拼需要專門設備(如主模型匹配樣架),若由專業(yè)的人員裝配,則會耗費很大的人力物力。利用掃描設備對沖壓件進行掃描數(shù)據化,再在CAD軟件中進行虛擬拼裝調整,這一過程就顯得比較輕松隨意。

圖9(a)為側圍與中柱加強板的模擬拼裝。模擬過程中可以不斷嘗試,從而找到最佳的匹配位置。圖中綠色區(qū)域為貼合理想的位置,而紅色區(qū)域則為2個零件的干涉區(qū)域,需要對中柱加強板或側圍相應位置進行型面反彈補償。其他零件如前后蓋內外板、前后車門內外板的拼裝等都可以進行模擬拼裝,某些實物不易直接觀察的位置在模擬時也都可以測量,從而得到模具優(yōu)化的精確區(qū)域與尺寸。圖9(b)為后門與側圍的模擬裝配。通過后門與中柱的定位關系完成其虛擬調整,它們之間配合的間隙度與平整度都可以在CAD軟件中進行測量,對裝配中的問題具有很好的診斷作用。

利用掃描設備對沖壓件進行的實物虛擬化拼裝使沖壓件的試拼更便利、更準確。相應的模具優(yōu)化也會少走很多彎路,優(yōu)化的效率更高。

圖9 沖壓件試拼示意

3 結 語

掃描設備作為實物數(shù)據化的橋梁,在模具的加工、質量檢測、沖壓件的質量檢測及試拼等方面都發(fā)揮著越來越大的作用。通過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,對其他廠家制造的優(yōu)質模具進行掃描數(shù)據化,再進行分析對比,對積累與優(yōu)化模具的沖壓工藝,指導模面工程處理,提高模具制造的質量,縮短模具制造的周期等都有深遠的意義。利用以掃描設備為基礎的數(shù)據化模擬技術來完善模具制造技術,模具制造質量必然會越來越好。

[1]王 虎,周長英,徐建華.逆向工程技術在汽車產品開發(fā)中的應用[J].上海汽車,2002(11):4-7.

[2]徐紅兵,任乃飛.A TOS流動式光學掃描儀的工作原理與系統(tǒng)標定[J].工具技術,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用[J].機床與液壓,2007(35):124-126.