藍(lán)光掃描技術(shù)在模具日常維護(hù)中的應(yīng)用

文/石旭東·北京奔馳汽車有限公司

藍(lán)光掃描技術(shù)目前已經(jīng)是一項(xiàng)相對(duì)成熟的技術(shù)，其在汽車制造行業(yè)得到普遍應(yīng)用。該設(shè)備在汽車模具制造廠主要應(yīng)用于鑄件毛坯檢查，而在汽車主機(jī)廠主要用于零件的質(zhì)量監(jiān)控。

在汽車主機(jī)廠，沖壓模具一直是沖壓工廠的核心，維護(hù)模具并使其持續(xù)穩(wěn)定地生產(chǎn)出合格的零件是沖壓工藝技術(shù)團(tuán)隊(duì)的主要任務(wù)。隨著模具周邊相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，模具的日常維護(hù)工作也逐漸在從傳統(tǒng)的以鉗工為主的手工維修轉(zhuǎn)變?yōu)橐詳?shù)控技術(shù)為主的機(jī)械化維修。

BBAC作為汽車主機(jī)廠，為提高模具日常維護(hù)質(zhì)量，于2017年引入3+2軸龍門銑床，之后，該設(shè)備在協(xié)助模具維修工作中發(fā)揮了重要作用。但是，在使用過(guò)程中我們也發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常棘手的問(wèn)題，即模具的加工數(shù)據(jù)和實(shí)物不匹配。由于數(shù)控機(jī)床的動(dòng)作完全受到加工數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)，所以加工數(shù)據(jù)和實(shí)物不匹配的問(wèn)題極大限制了數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍。通過(guò)分析，我們發(fā)現(xiàn)造成數(shù)據(jù)不匹配的主要原因是：模具在模具廠加工完畢后，需要經(jīng)歷多次手工優(yōu)化和調(diào)試才能達(dá)到交付標(biāo)準(zhǔn)，但這種手動(dòng)更改無(wú)法同步反饋到已有的加工數(shù)據(jù)上，才最終造成了數(shù)據(jù)不匹配問(wèn)題。同時(shí)，很遺憾受限于現(xiàn)有的生產(chǎn)制造流程和條件，這種在交付階段的手動(dòng)更改無(wú)法完全規(guī)避。

針對(duì)上述問(wèn)題，為了進(jìn)一步提高數(shù)控設(shè)備參與模具日常維修的比重，提高模具維修質(zhì)量，解決數(shù)據(jù)不匹配問(wèn)題，BBAC于2018年引入GOM藍(lán)光掃描設(shè)備。本文主要針對(duì)藍(lán)光掃描技術(shù)在模具維護(hù)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

設(shè)備介紹

基本原理

BBAC使用的是GOM的ATOS II TRIPLE SCAN，ATOS測(cè)量系統(tǒng)以三角測(cè)量原理為基礎(chǔ)，將每個(gè)測(cè)量點(diǎn)提取到某一準(zhǔn)三角測(cè)量里，在測(cè)量時(shí)，ATOS測(cè)量頭投射條紋到物體上兩個(gè)相機(jī)都攝取得到的地方，該攝像頭每次測(cè)量都能生成多達(dá)1,600萬(wàn)個(gè)高精度三維點(diǎn)。

此外，該設(shè)備配置了1個(gè)投影頭和左右共2個(gè)相機(jī)，如圖1所示；通過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定，軟件事先已知左右相機(jī)和投影頭的角度關(guān)系，通過(guò)條紋投影，如圖2所示；只要有其中一個(gè)相機(jī)看到的區(qū)域就能完成圖形信息采集，三重掃描原理如圖3所示；此功能大大提升了下凹區(qū)域的掃描效率。

圖1 ATOS II 掃描頭

圖2 有參考點(diǎn)和條紋投影的測(cè)量物

圖3 三重掃描原理

精度提升

由于模具的加工都是以0.01mm為最小單位進(jìn)行更改，藍(lán)光掃描精度問(wèn)題是我們使用該設(shè)備非常關(guān)注的一個(gè)方面。通過(guò)我們?cè)谑褂眠^(guò)程中不斷的摸索，總結(jié)了大量的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于精度提升有以下幾個(gè)主要方面需要特別關(guān)注：

⑴設(shè)備本身精度。設(shè)備本身精度是保證掃描結(jié)果準(zhǔn)確的基礎(chǔ)。首先，要清楚設(shè)備的標(biāo)稱精度，再和測(cè)量需求進(jìn)行對(duì)比，就能提前判斷我們的設(shè)備是否能滿足測(cè)量要求。其次，掃描設(shè)備需要定期的校準(zhǔn)和保養(yǎng)，以保證精度不會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間使用而下降。最后，在設(shè)備使用過(guò)程中，要準(zhǔn)確填寫環(huán)境溫度，如果環(huán)境溫度與標(biāo)定溫度溫差超過(guò)5℃，需要及時(shí)重新標(biāo)定掃描頭，如圖4所示。

圖4 掃描頭標(biāo)定

⑵參考點(diǎn)布置需要考慮對(duì)稱和均勻，條件允許的情況下，做到多路徑對(duì)稱路徑鏈接，從而提高多張照片的拼接質(zhì)量，減少累積誤差，如圖5，圖6所示。

圖5 不合理的編碼點(diǎn)布置路徑

圖6 合理的編碼點(diǎn)布置路徑

⑶優(yōu)化掃描零件的支撐工況，減少模具彈性變形造成的掃描誤差。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，零件因支撐工況不一致使彈性變形量發(fā)生變化時(shí)導(dǎo)致掃描精度不穩(wěn)定，是掃描數(shù)據(jù)無(wú)法很好支持?jǐn)?shù)控加工的主要原因。其影響數(shù)量值在0.2mm左右，最大值可達(dá)到0.4mm。

解決方案：圖7為專用的藍(lán)光掃描平臺(tái)，平臺(tái)具備調(diào)平功能，這樣零件放置在掃描平臺(tái)上實(shí)施掃描的狀態(tài)與放置在機(jī)床臺(tái)面實(shí)施加工的狀態(tài)基本一致，可將精度提高至0.1mm以內(nèi)。

圖7 藍(lán)光掃描平臺(tái)

設(shè)備應(yīng)用案例

藍(lán)光掃描技術(shù)在沖壓工廠針對(duì)模具的應(yīng)用有著自己的特點(diǎn)，以下我們分別介紹幾個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景和案例，以說(shuō)明其有別于主機(jī)廠和模具廠的使用特點(diǎn)。

⑴日常維護(hù)、持續(xù)改進(jìn)、設(shè)計(jì)變更。

在主機(jī)廠，針對(duì)系列化生產(chǎn)的模具，大量的加工制造不再是主題，而是以日常維護(hù)工作為主，同時(shí)根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更、日常生產(chǎn)表現(xiàn)、后工序零件裝配情況等可能會(huì)實(shí)施持續(xù)優(yōu)化工作或者工程更改。前文提到過(guò)，模具更改最大的問(wèn)題是數(shù)據(jù)不匹配，藍(lán)光技術(shù)的應(yīng)用很好的解決了這個(gè)痛點(diǎn)，通過(guò)對(duì)模具進(jìn)行掃描，可以獲得實(shí)際模具的數(shù)字化信息，進(jìn)而在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上實(shí)施更改。其實(shí)施過(guò)程如圖8所示。

圖8 實(shí)施過(guò)程流程圖

⑵輔助裝配。

藍(lán)光掃描設(shè)備，可以基于掃描數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)虛擬裝配，通過(guò)軟件分析提前發(fā)現(xiàn)裝配過(guò)程中的干涉點(diǎn)，如圖9所示。觀察功能面配合狀態(tài)，指導(dǎo)鉗工去除干涉區(qū)域以及功能面的研配方向。圖10是某套模具的滑車機(jī)構(gòu)在更換備件的過(guò)程中因局部干涉導(dǎo)致無(wú)法正常裝入，如果沒(méi)有藍(lán)光掃描介入，鉗工需要反復(fù)安裝，并觀察發(fā)生干涉的區(qū)域，分多次手動(dòng)去除。本次我們分別對(duì)新、老滑車進(jìn)行了掃描，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比找到了鑄件的不吻合區(qū)域，同時(shí)，利用該設(shè)備的反投影技術(shù)，準(zhǔn)確的在新滑車上標(biāo)示了需要去除的區(qū)域，之后，借助數(shù)控設(shè)備快速完成干涉去除工作，最終，新滑車順利裝入完成替換。

圖9 干涉區(qū)域分析

圖10 干涉區(qū)域標(biāo)示

⑶模具復(fù)制。

主機(jī)廠因模具意外損壞或因模具鑄件缺陷造成頻發(fā)生產(chǎn)問(wèn)題，有可能會(huì)重新復(fù)制模具，如圖11所示。模具復(fù)制相對(duì)于模具制造有著更高的要求，其本質(zhì)區(qū)別在于我們制作的新模具不再是要求和加工數(shù)據(jù)一致，而是要與已有的在產(chǎn)模具一致，以保證新模具能夠快速的投入生產(chǎn)，同時(shí)保證生產(chǎn)出的零件與原有零件各方面尺寸和形狀參數(shù)保持高度一致。此時(shí)，我們也是借助藍(lán)光掃描設(shè)備獲得現(xiàn)有模具的數(shù)據(jù)，并逆向成曲面，如圖12所示，再基于此數(shù)據(jù)進(jìn)入正常的加工制造環(huán)節(jié)。

圖11 模具復(fù)制加工

圖12 機(jī)蓋掃描逆向數(shù)據(jù)

⑷數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)。

藍(lán)光設(shè)備引入后，我們針對(duì)交付的模具，會(huì)對(duì)成形敏感的拉延工序進(jìn)行全面掃描，并留存數(shù)據(jù)，如圖13所示。當(dāng)零件質(zhì)量發(fā)生波動(dòng)時(shí)，再次對(duì)模具進(jìn)行掃描，通過(guò)與之前留存的數(shù)據(jù)對(duì)比，可以輔助分析零件質(zhì)量波動(dòng)的原因，同時(shí)，依托留存的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)數(shù)控機(jī)床對(duì)模具狀態(tài)進(jìn)行快速的恢復(fù)。

圖13 頂蓋備份數(shù)據(jù)

結(jié)束語(yǔ)

藍(lán)光掃描技術(shù)在模具日常維護(hù)中發(fā)揮了極其重要的作用，切實(shí)解決了數(shù)據(jù)不匹配的痛點(diǎn)，直接提升了數(shù)控銑床的利用率，提高了模具維護(hù)質(zhì)量和效率，推動(dòng)了模具維護(hù)向智能制造的方向轉(zhuǎn)變。