分享——轿车覆盖件模具磨损维修精密测量分析方法

混世魔王

轿车覆盖件模具磨损维修精密测量分析方法
; m& a, B9 o" {: p7 G; h( u　　目前轿车覆盖件模具的磨损缺陷都是由维修人员根据经验实施的，这样导致维修质量参差不齐，维修后的调试工作量十分繁重。本文研究了基于逆向工程的模具磨损精密测量技术和模具测量比对技术，可以为模具磨损维修提供定量化的数据，并在积累大量数据后可以对模具实现前期的预见性维修。
　　轿车覆盖件的冲压生产中其模具与金属板料之间存在剧烈的摩擦现象，在使用一段时间后模具的局部表面就会出现磨损，例如拉深筋、模具圆角等，如果磨损量大到足以引起冲压质量时就需要对模具进行维修，以回复模具的原有尺寸和表面状态。但由于模具的表面一般都是自由曲面，磨损量也比较小，所以在维修时没有明确的定量化标准，完全依靠维修人员的经验，长此以往，对模具的破坏是相当大的，因此有必要对磨损维修进行定量化规范。基于精密测量技术的逆向工程已经比较成熟，因此将该项技术应用于模具磨损维修的辅助分析是定量化维修和预见性维修的必行之路。本文以中柱外板拉深模拉深筋的测量、建模和对比分析为例探讨了精密测量技术在模具维修中的应用。
　　1 基于逆向工程的模具磨损精密测量技术
+ \! x+ k9 b0 H0 C　　模具磨损的维修工作需先获知模具的磨损量，但模具的磨损情况具有以下两个特点：
　　（1）模具磨损部位一般是圆角或者双曲面等自由曲面。
　　（2）模具磨损部位周围一般没有明显的测量基准或参考面。
　　传统的测量方法对于模具磨损这样的微量变化显然是无能为力的，因此需要运用精密测量技术对模具磨损部位进行测量，然后采用逆向技术对测量结果进行处理后获得模具磨损状况，以便为维修和寻求产量与磨损之间的量化关系提供数据。
　　就本文的测量工作来说，就是采用先进的测量设备对模具磨损部位进行测量，建立其数字模型，将不同时间（生产批次）测量的CAD模型进行比较，以便寻找生产时间（产量）与模具关键部位的磨损之间的量化关系。覆盖件模具的精密测量分析过程，如图1所示。
8 x9 m+ c- e* t　　2 模具测量比对技术
! w: j+ x1 S+ q0 R& M　　模具在使用一段时间后必然会出现磨损，导致形面尺寸发生变化，尤其是关键部位，如成形圆角，拉深筋等部位的磨损更为严重，如果将前后两次模具进行测量，并对数据进行比对就可以知道模具的磨损情况。
! N0 V9 A! e5 D; X9 F8 j　　将磨损前的模具进行测量创建其曲面，将该曲面视为理想要素，将磨损后的模具定义为实际要素，模具测量比对技术就是检测理想要素和实际要素之间的差值。
　　2.1 理想要素
　　具有几何意义上的要素，即几何的点、线、面，它们不存在任何误差。
/ K4 p3 \* D7 x+ a) H$ |) @　　2.2 实际要素
　　磨损后的模具，由于测量过程不可避免存在测量误差，磨损后模具的真实情况几乎不可能测的，因此在评定形状和位置误差时，通常以测得的要素替代实际要素，而忽略测量误差。
　　2.3 被测要素
　　即模具上需要测量的部位。
9 T( w. H! h' F+ ?3 F( |　　2.4 基准
; X* y9 `8 @& B4 d) \　　基准是确定用以限定被测要素变动理论边界的公差带方向和位置的理想几何要素，是确定具有特定功能关系的要素之间，实际几何关系的依据。
" L$ ?. @5 M% m# b3 R　　从原理上可以将常用的比对技术可以概括为与理想要素比对原则和比较特征参数原则。与理想要素比对原则是指将实际被测要素与理想要素作比较，在比较过程中获得测量资料，并据此评定差值；而比较特征参数原则是指通过比较理想模型与实际模型上具有代表性的参数，用它来表示整个被测要素的差值。显然与理想要素比较原则更为全面准确，比较特征参数原则精度比较低。
　　由于拉深模表面基本都是自由曲面，没有十分明显的特征，因此其比对方法较为麻烦。在比对前需要将实际被测要素和理想要素对齐，方法是通过移动、旋转测量坐标系以实现两要素的对齐。具体的比对方法可以分为三种：
* y* ?( C# c1 n* q* Y" ~, ]　　（1）点云直接比对法。点云是测量的最原始的数据纪录，将两次测量的点云对齐后可以直接进行点云之间的差值分析，在比对前需要将两块点云删除、修改，使其在相同的特征域内。另外，如果一次测量的数据是分为几块点云的，需要将点云合并为整体。这种方法简单方便，易于操作，但容易受到点云数据的质量不佳的影响。
) g4 l% e$ F9 r! L$ ]& `, A　　（2）对应线比对法。通过比对理想模型和实际模型曲面上对应位置的参数线，以反映局部情况的误差。首先将两个点云（曲面）对齐后，采用截面的方法获取点云（曲面）相同位置的点（曲线），如果是点数据，采用B-Spline方法构造曲线，然后比较两条曲线，读取误差值。
　　（3）曲面比对法。将被测要素的点云数据进行处理后生成曲面模型，然后将该曲面与理想模型进行面间的差值分析。两个曲面之间应在相同的特征域内。
　　在完成比对工作后，对磨损后的拉深模进行维修，然后再次进行测量，并将测量结果作为下一次比对的理想要素保存。
　　3 测量目的与方法
　　在测量前必须清楚测量工作的目的，即测量得到的结果到底用于何种后续工作。目前的逆向工程的目的主要有几种：加工、实体模型、分析等，不同的目的对测量的要求是不同的。对于本项目的测量工作，其主要目的是对不同测量结果进行比较分析，而测量对象（模具表面）一般使用时间比较长，模具表面损坏后光顺、连续性都不太好，因此曲面处理时更注重曲面的尺寸及其精度，不强求曲面的光顺、漂亮。
　　测量方法对测量数据的准确性和精确性有重要影响。对于模具磨损部位的测量时应考虑到三方面的因素：
( R$ u4 Q$ X1 V0 `+ z8 H　　（1）对同一部位的测量是多次进行的，不同测量数据之间需要比较。
　　（2）测量面积比较小。
% g3 O9 n' h* l5 }& ^　　（3）测量部位基本是自由曲面。因此在测量应做好以下几个步骤：
　　① 测量基准的选择。拉延模一般比较大，在加工过程中会留下加工定位孔，例如左后叶子板拉延模，这些定位孔在生产过程中不参与工作，因此可以作为测量基准。但有些模具没有这些定位孔，也找不到合适的测量基准，此时可以考虑在非工作面上加工出测量基准，以作为测量基准面。切忌使用模具定位零件作为测量基准，因为定位零件在生产中会出现磨损。
+ ^, u9 L/ O7 |) Q& S1 k& l　　② 测量区域的确定。模具的关键部位通常是成形圆角、压边圈、压延筋等磨损剧烈的部位，因此测量区域的确定首先应初步判断关键部位的磨损区域，然后稍微放大即可，如果区域过大导致测量工作量增大，而区域过小会忽略许多有用的信息。
! R) b  }! o$ t) ~4 [　　③ 测量方式的选择。测量仪提供了多种测量方法，针对测量对象和测量精度要求的不同，可以采用不同的测量方法，例如扫描等。
( s4 U+ R( |# s+ T( q) l2 N- q2 F　　④ 测量参数的选择。测量参数主要指测量过程中的某些参数的确定，例如测量温度的补偿、被测材料的性能、测量间距等。
　　⑤ 测量数据的输出。测量软件的数据格式是*.sat文件，逆向软件IMAGEWARE软件不识别这种文件格式，因此测量后应输出*.igs或*.vda数据格式文件。
　　4 测量实例
- C' ~, c1 m" s4 |0 J　　由于本文测量的最终目标是对同一部位的多次测量结果的比较以获取模具使用过程中的局部变化，因此需要对进行多次测量，并将不同的测量结果进行比较分析，因此下面以中柱外板的测量为例来说明这个问题。
8 N$ N/ c$ Q# S- e. b　　中柱外板的拉深成形程度较深，板料较厚，因此其拉延模的压边面及其压延筋磨损大。中柱外板的拉延模照片，如图2所示。
$ p$ [$ `) d) V5 ?9 Z　　测量中以模具上不工作的三个精加工面为测量基准，建立测量坐标系，对其压边面的测量采用锁定平行平面的扫描方式，扫描面间隔0.25mm，每个扫描面上取扫描点150（由于模具形状的缘故，许多扫描线的扫描点不足150），获取其扫描数据线。中柱外板拉深模的拉深筋进行了两次测量，两次测量之间模具冲压两件10，000张左右，两次测量中取同一测量基准，测量参数也相同，这样才能保证两次测量结果具有可比性。对测量数据采用上述的三种比对方法进行分析：
$ x) d# {: K3 G: p3 F# N　　（1）点云直接比对法。通过原始点云数据的对比可以反映出模具磨损的主要情况，当然这种方法可能会将一些测量误差以及考虑进去。
8 U. w+ t2 Z) V+ F( ^　　从图3所示可看出，两根拉深筋的侧面存在差异，两次测量之间的差值0.3mm左右，而且拉深筋不同部位的磨损状况也不相同。
3 p) P! R, n( `$ u; g　　（2）对应线比对法。剖面曲线的比较首先要对原始点云进行剖切，然后构造曲线后再进行对比。
, r  a* S5 v' `8 @　　截取了拉深筋上两个部位的剖面曲线，分别对两组曲线进行了比较，第一组曲线（nl1和ol1）中拉深筋的磨损主要在左侧，磨损量达到0.3mm，而第二组曲线（nl2和ol2）中拉深筋的磨损主要在右侧，磨损量达到0.2mm，说明板料在拉深筋上的流动分布是不一样的，这与压边面形状、模具形状以及压边状况是有直接关系的。另外剖面曲线呈现不对称的现象，即拉深筋两侧圆弧半径不相同，这是由于拉深筋圆弧面经过了多次补焊、打磨，其几何形状已经与原有几何形状有了很大的区别。
- w0 ~& x5 H5 w6 p) Z$ s. s  j　　在拉深筋的设计中，一般拉深筋的剖面形状应该是半圆形，由于原始的半圆半径数据已经无法获取，因此以磨损较小的一侧圆弧拟合完整的半圆曲线，这样得到拉深筋的理论剖面曲线，然后将理论剖面曲线与磨损后的拉深筋剖面曲线进行比较，如图5所示。
2 `3 F; _5 J7 Z0 ^% \　　拉深筋在经过长时间的使用和维修后，磨损的剖面曲线与理论曲线之间有很大区别，差值最大之处达到1.84mm，其中磨损严重的左