模具制造中在线检测技术的应用

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摘要：模具作为“工业之母”是制造行业的核心技术，是衡量一个国家制造业水平的重要标志。虽然我国是模具大国，但在高精度模具制造方面还和发达国家有一定的差距。因此，采用在线检测技术作为有效过程控制手段，通过实时的检测数据，不断优化加工过程控制，及时发现制造过程中存在的问题，提高加工质量和加工效率，促进模具工业的高质量发展。本文概述了模具制造的现状和存在的问题，分析了在线测量系统的组成及原理，阐述了在线测量技术应用，仅供参考。

关键词：模具；在线检测；机械加工；智能制造

2013年汉诺威工业博览会上，德国正式推出德国工业4.0，即将生产中的供应、制造、销售信息数据化、智慧化，最后达到快速、有效、个人化的产品供应。其核心是互联网＋制造业，将信息物理系统（Cyber-PhysicalSystem简称CPS）广泛深入地应用于制造业，构建智能工厂，实现智能制造[1]。这一概念的提出使得德国成为第四次工业革命的先行者，其他发达国家随后也纷纷出台了制造业创新战略。新中国成立70年来，我国的制造业持续快速发展，成为全世界唯一拥有联合国产业分类中所列全部工业门类的国家，41个工业大类，其中包含着207个工业中类、666个工业小类，构成了最完整的产业供应链条。2015年5月19日，国务院正式印发《中国制造2025》，提出通过“三步走”实现制造强国的战略目标，要求加快新一代信息技术与制造业的深度融合。2020年伊始，突如其来的疫情将整个社会按下了暂停键。后疫情时代，一批能够实现自动化流水线、全面智能化生产、个性化定制、网络化协同、工业互联网平台的智能工厂率先复工复产。而更多的制造企业却面临着劳动力短缺、原辅材料吃紧、生产效率降低、产能压缩等难题，一直以来制约企业发展的隐患和矛盾都集中显现出来，中国制造向中国智造的转型升级迫在眉睫。此次疫情对制造业的发展走向产生巨大影响，将成为中国制造业顺应第四次工业革命发展趋势，向数字化、网络化、智能化转型升级，共同探索新技术、新业态、新模式的催化剂。

1模具制造的现状和存在的问题

模具是制造业的重要基础工艺装备，工业产品大批量生产和新产品开发都离不开模具，用模具生产制件所达到的四高二低（高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低耗能、低耗材）使模具工业在制造业中的地位越来越重要[2]。模具作为“工业之母”是制造行业的核心技术，与上游原材料工业、机床装备和下游机械、通讯、电子、轻工、汽车、建材等行业一起构成了一个巨大的产业链条，其制造水平是衡量一个国家制造业水平的重要标志。模具作为单件小批量的工装，除了提高模具标准化率来有效的缩短模具制造周期外，对于非标准化的部分，提高模具制造的加工速度和精度，减少模具的反复试模、修模的次数，是有效缩短制模周期的重要途径。特别是对于具有复杂曲面分型面的注射模，因机床的精度、刀具的磨损、环境温度的变化、工件装夹等原因，初步加工完成后的模具分型面产生修正余量，必须经过多次修模、试模才能合格。部分企业采用传统手工方式修模，在定模分型面涂红丹，通过合模机开合模，观察动模分型面上红丹分布面积及均匀性判断动定模贴合间隙，此种方法费时费力，往往需要经过多次的修模才能达到配合间隙要求，做出来的模具粗糙，外观颜值低，整体精细度低。还有一部分企业则会采用三坐标测量机进行离线测量，根据测量结果推算修正量，然后将模具重新上机返修，此种方法会因为重复装夹产生累计误差，精度同样难以控制,中间流转时间长，当加工余量过小时还会因重复定位造成的误差使得零件报废，造成损失。

2在线测量系统的组成及原理

目前许多厂商在数控机床和加工中心上加装上各种在线检测设备，有效避免了手工与离线检测中存在的各种弊端[3]。在线测量系统通常由机床测头、机床对刀仪、机床温检测头、接收器、接口装置、测量软件、宏程序等组成。在线测量系统组成及工作原理如图1所示。根据测量接触方式不同，测头分为接触式测头和非接触式测头。接触式测量精度高，结构简单，使用方便，在数控机床在线测量系统中应用广泛。这类测头按传输信号方式不同，又分为红外线测头和无线电测头。无线电信号强，能在远距离范围内进行非可视传输，可完成大型龙门机床、有障碍物或工件深腔的测量。红外测头传输角度大，广泛用于加工中心、数控车床上。测头皆采用不锈钢材质、密封性极好，能够保证加工环境下的可靠使用。测量时测针触碰工件表面，测头内发送器将触发信号传输到接收器，接收器将光信号或者无线电波转换成电信号，通过接口装置将电信号传递到机床控制系统，控制系统通过伺服系统使机床工作台停机，此时定位系统就会存储测头中心的坐标值，再通过测头半径补偿，确定被测工件触点的坐标值，从而实现工件表面点的测量。数控机床通过搭载测头系统、配合相应的测量软件或者测量宏程序可作为一台简易的三坐标测量机来使用，对模具、夹具进行各种尺寸和形位公差的评价和分析。辅助对刀仪进行刀具磨损补偿、系统温度补偿、机床运动误差补偿设定等技术的使用，可对产品加工过程中的各个环节进行实时管控和优化，确保生产的流畅性和稳定性。对于机械加工来讲，不论普通加工机床还是数控机床，对刀都是非常重要的研究问题。实际加工过程中，由于受到各种因素的影响，机械加工过程中都会出现对刀误差，从而严重影响加工的质量。只有快速准确地完成对刀，才能有效缩短加工前的准备时间。因此对刀仪的使用，能有效的解决对刀误差问题，提高加工精度和加工效率。但是对刀仪安装要求高，相对应用比较少。由于不同的加工设备其内部空间的大小和布局都存在较大的差异性，安装限制条件多，安装困难大，目前实际使用还不是很普及。但是自动对刀仪对加工设备的性能有极大地提升作用，相信今后大范围的普及也必然是大势所趋。

3在线测量技术应用

3.1工件的测量

工件上机装夹完毕，加工前通过精确地测量，可方便的核对毛坯的规格，找正工件位置，自动修正坐标系。使用测量软件导入工件CAD模型数据，鼠标点选、定义测点，屏幕动态模拟碰撞检测，生成测量程序，自动上传至机床控制系统，使用安装在机床主轴上的测头执行在线测量。加工过程中可实时测量工件加工余量，并及时反馈给操作系统，进行相应补偿，监控工件所有几何特征是否超差。加工结束后，可根据测量结果自动生成图形、表格等多样化测量报告。可灵活实现全特征测量，包括点、线、平面、内孔、凸台、球、槽、多边形等的尺寸公差、形位公差，对工件的加工实现全过程控制，提高了工件的良品率，有效缩短了加工周期，减少了工人数量，降低了成本，扩展了机床的使用功能。

3.2夹具的测量

在机械加工的过程中，工件形状结构和加工工序都存在着很大的差异，所以在加工生产之前，工件装夹定位就显得非常重要。工装夹具具有很悠久的发展历史，初期工装夹具样式简单，作用比较单一，主要起辅助固定工件的作用。随着现代工业技术的发展，工装夹具的种类越来越多，结构形式越来越复杂，作用也越来越大，成了机械生产中是必不可少的工具。由于夹具结构越来越复杂，也出现了一些新问题。比如人工进行定位和调整的难度变大，定位调整的时间大幅增加，对加工的效率产生了较大的影响。现在随着在线检测技术的发展，通过检测数据的分析优化，就能快捷找正夹具位置，减少手工调整时间。还能简化夹具设计，降低夹具费用。进行循环中测量，监控工件的尺寸和位置，自动修正偏置量，保证批量加工尺寸的一致性。完美解决了装夹工件重复性差，工艺过程控制不完善的问题，大幅提升了一次装夹加工零件尺寸的合格率，缩短机床的辅助时间，提高生产率[4]。

3.3刀具的测量

刀具测量系统是及时发现加工问题非常有效的手段，如工艺参数不合适、装夹定位偏差、因刀具磨损等原因导致的加工尺寸偏差等。尤其是某些工件易变形、不能二次加工修复，或某些大型工件移动到专业测量设备上有难度。通过快速测量、修正刀具长度和直径偏置值，避免了手工对刀的人为介入误差，保证工件的准确尺寸精度。加工大型复杂硬度较高的工件时，刀具的磨损会产生较大的残余加工量，利用安装在机床工作台上的对刀仪可在静态或动态下测量刀具的长度和半径，并将检测结果传输给控制系统进行智能修正，测量过程快捷、提高了生产的安全性和可靠性。

3.4温度检测补偿

在机械加工的过程中，刀具和工件接触面会形成很高的加工温度。而高温的存在会对加工的工件质量产生较大的影响。比如影响加工的尺寸精度、改变工件的表面形状，有时甚至会造成工件的严重变形，从而降低企业的生产效率，增加企业生产成本。因此对加工温度的检测和控制就显得非常重要。在线测量技术能够全自动的获取加工前和加工中的零件温度，实时控制润滑剂和冷却液的使用，改进生产的过程控制以及合理调整加工过程中机床的参数设置。在工件进入精加工阶段之前，与温度有关的参数均可以准确得到补偿，从而获得稳定高质量的测量数据，及时修正刀长、刀径、工件坐标系偏置等机床加工参数，提高加工质量。

4结束语

综上所述，在线检测技术就是将加工与检测过程融为一体，在加工过程中实现实时检测、实时反馈，以便更好地指导生产，减少不必要的浪费。模具制造中引入在线检测技术，通过实时的检测数据，不断优化加工过程控制，提高加工质量和加工效率。缩短模具的加工周期，确保一次成功率，实现智能修正和质检合一，降低企业的加工成本，提高收益，促进模具工业的高质量发展。

参考文献：

[1]林建平.“工业4.0”下的模具智能化发展趋势[J].模具工业，2016，42(5)：1-4.

[2]许伯勇.模具行业现状与前景的探讨[J].南方农机，2017，48(17)：86-88.

[3]赵宏霞，魏东坡.加工中心在线检测技术探究[J].南方农机，2015，46(6)：67-69.

[4]赵传彬，许忠保.在线检测技术在华中8型数控系统上的应用研究[J].时代农机，2019，46(2)：35-37.

作者：余志伟 单位：江汉大学机电与建筑工程学院