藍光掃描技術在模具日常維護中的應用

文/石旭東·北京奔馳汽車有限公司

藍光掃描技術目前已經是一項相對成熟的技術，其在汽車制造行業得到普遍應用。該設備在汽車模具制造廠主要應用于鑄件毛坯檢查，而在汽車主機廠主要用于零件的質量監控。

在汽車主機廠，沖壓模具一直是沖壓工廠的核心，維護模具并使其持續穩定地生產出合格的零件是沖壓工藝技術團隊的主要任務。隨著模具周邊相關技術的飛速發展，模具的日常維護工作也逐漸在從傳統的以鉗工為主的手工維修轉變為以數控技術為主的機械化維修。

BBAC作為汽車主機廠，為提高模具日常維護質量，于2017年引入3+2軸龍門銑床，之后，該設備在協助模具維修工作中發揮了重要作用。但是，在使用過程中我們也發現了一個非常棘手的問題，即模具的加工數據和實物不匹配。由于數控機床的動作完全受到加工數據的驅動，所以加工數據和實物不匹配的問題極大限制了數控機床的應用范圍。通過分析，我們發現造成數據不匹配的主要原因是：模具在模具廠加工完畢后，需要經歷多次手工優化和調試才能達到交付標準，但這種手動更改無法同步反饋到已有的加工數據上，才最終造成了數據不匹配問題。同時，很遺憾受限于現有的生產制造流程和條件，這種在交付階段的手動更改無法完全規避。

針對上述問題，為了進一步提高數控設備參與模具日常維修的比重，提高模具維修質量，解決數據不匹配問題，BBAC于2018年引入GOM藍光掃描設備。本文主要針對藍光掃描技術在模具維護中的應用進行闡述。

設備介紹

基本原理

BBAC使用的是GOM的ATOS II TRIPLE SCAN，ATOS測量系統以三角測量原理為基礎，將每個測量點提取到某一準三角測量里，在測量時，ATOS測量頭投射條紋到物體上兩個相機都攝取得到的地方，該攝像頭每次測量都能生成多達1,600萬個高精度三維點。

此外，該設備配置了1個投影頭和左右共2個相機，如圖1所示；通過系統標定，軟件事先已知左右相機和投影頭的角度關系，通過條紋投影，如圖2所示；只要有其中一個相機看到的區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域的掃描效率。

圖1 ATOS II 掃描頭

圖2 有參考點和條紋投影的測量物

圖3 三重掃描原理

精度提升

由于模具的加工都是以0.01mm為最小單位進行更改，藍光掃描精度問題是我們使用該設備非常關注的一個方面。通過我們在使用過程中不斷的摸索，總結了大量的經驗，對于精度提升有以下幾個主要方面需要特別關注：

⑴設備本身精度。設備本身精度是保證掃描結果準確的基礎。首先，要清楚設備的標稱精度，再和測量需求進行對比，就能提前判斷我們的設備是否能滿足測量要求。其次，掃描設備需要定期的校準和保養，以保證精度不會因長時間使用而下降。最后，在設備使用過程中，要準確填寫環境溫度，如果環境溫度與標定溫度溫差超過5℃，需要及時重新標定掃描頭，如圖4所示。

圖4 掃描頭標定

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

圖5 不合理的編碼點布置路徑

圖6 合理的編碼點布置路徑

⑶優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。經過實驗確認，零件因支撐工況不一致使彈性變形量發生變化時導致掃描精度不穩定，是掃描數據無法很好支持數控加工的主要原因。其影響數量值在0.2mm左右，最大值可達到0.4mm。

解決方案：圖7為專用的藍光掃描平臺，平臺具備調平功能，這樣零件放置在掃描平臺上實施掃描的狀態與放置在機床臺面實施加工的狀態基本一致，可將精度提高至0.1mm以內。

圖7 藍光掃描平臺

設備應用案例

藍光掃描技術在沖壓工廠針對模具的應用有著自己的特點，以下我們分別介紹幾個典型的應用場景和案例，以說明其有別于主機廠和模具廠的使用特點。

⑴日常維護、持續改進、設計變更。

在主機廠，針對系列化生產的模具，大量的加工制造不再是主題，而是以日常維護工作為主，同時根據產品設計變更、日常生產表現、后工序零件裝配情況等可能會實施持續優化工作或者工程更改。前文提到過，模具更改最大的問題是數據不匹配，藍光技術的應用很好的解決了這個痛點，通過對模具進行掃描，可以獲得實際模具的數字化信息，進而在此數據基礎上實施更改。其實施過程如圖8所示。

圖8 實施過程流程圖

⑵輔助裝配。

藍光掃描設備，可以基于掃描數據實現虛擬裝配，通過軟件分析提前發現裝配過程中的干涉點，如圖9所示。觀察功能面配合狀態，指導鉗工去除干涉區域以及功能面的研配方向。圖10是某套模具的滑車機構在更換備件的過程中因局部干涉導致無法正常裝入，如果沒有藍光掃描介入，鉗工需要反復安裝，并觀察發生干涉的區域，分多次手動去除。本次我們分別對新、老滑車進行了掃描，通過數據對比找到了鑄件的不吻合區域，同時，利用該設備的反投影技術，準確的在新滑車上標示了需要去除的區域，之后，借助數控設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 干涉區域分析

圖10 干涉區域標示

⑶模具復制。

主機廠因模具意外損壞或因模具鑄件缺陷造成頻發生產問題，有可能會重新復制模具，如圖11所示。模具復制相對于模具制造有著更高的要求，其本質區別在于我們制作的新模具不再是要求和加工數據一致，而是要與已有的在產模具一致，以保證新模具能夠快速的投入生產，同時保證生產出的零件與原有零件各方面尺寸和形狀參數保持高度一致。此時，我們也是借助藍光掃描設備獲得現有模具的數據，并逆向成曲面，如圖12所示，再基于此數據進入正常的加工制造環節。

圖11 模具復制加工

圖12 機蓋掃描逆向數據

⑷數據備份和恢復。

藍光設備引入后，我們針對交付的模具，會對成形敏感的拉延工序進行全面掃描，并留存數據，如圖13所示。當零件質量發生波動時，再次對模具進行掃描，通過與之前留存的數據對比，可以輔助分析零件質量波動的原因，同時，依托留存的數據，可以通過數控機床對模具狀態進行快速的恢復。

圖13 頂蓋備份數據

結束語

藍光掃描技術在模具日常維護中發揮了極其重要的作用，切實解決了數據不匹配的痛點，直接提升了數控銑床的利用率，提高了模具維護質量和效率，推動了模具維護向智能制造的方向轉變。