基于3D扫描技术的数字测量工作站在压铸工序的应用.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 23 日 作者简介：王志阳（1971），男，北京人，大学本科，高级工程师，SMC（北京）制造有限公司，研究方向为铝合金精密成型。-39-基于 3D 扫描技术的数字测量工作站在压铸工序的应用 王志阳 王 磊 勾洪学 SMC（北京）制造有限公司，北京 101312 摘要：摘要：在压铸工序中，对于复杂、异形以及大体积模具或铸件尺寸的测量，传统测量方法不足以保证高精度、高效率。通过实践对比，基于 3D 扫描技术的数字测量工作站在保证测量精度的前提下，还可将被测物的尺寸具象化，与原始数据源模型进行对比后，快速突显异常尺寸，实现高效、高精度测量。根据异常反馈信息，有针对性的进行模具修理。此外还可以结合 CAE 模流分析软件进行铸造过程的仿真模拟，进而实现逆向设计改善，减少模具设计周期，提高模具制造的效率。关键词：关键词：3D 扫描；压铸；模具；测量 中图分类号：中图分类号：TP391 0 引言 随着工业技术的不断进步，传统压铸工序面临着巨大挑战。一方面是要在缩短交货期的同时保证铸件更精密的质量，另一方面是要与低成本、高效率、智能化的工业 4.0 对接。同时，越来越多的复杂、不规则的铸件被需求，这对压铸工序的模具精度和检测手法也是一种考验1。传统的测量手法存在一定的局限性，对于结构复杂的铸件和模具无法实现短时、精准测量，并且人员技能要求高，存在误差因素影响，针对复杂形状，往往需要反复核实后才可判断被测物是否真值2。同时，模具尺寸往往通过检测铸件尺寸来间接反馈，这种测量方式不直接，并存在极高的滞后性，无法满足高效生产时代。本文提出建立 3D 扫描技术的数字测量工作站，一站多用，运用 3D 扫描技术对模具和铸件全方面精确测量，解决了测量时效性差和对技能经验依赖性的问题，还实现了可视化测量，将模具和铸件的测量结果直接与模型比对，异常尺寸可直接体现在相对应部位，减少了经验式判断，提升了检验的精确度和质量。1 压铸工序常规检测现状简述 1.1 传统压铸工序测量现状 传统压铸工序通常采用手工测量工具测量，借助卡尺、高度尺、销规等进行测量，这些方法存在繁琐、耗时、不准确等问题。同时，生产中模具不方便采用直接测量，往往是以铸件的测量值来间接判断模具状况是否正常，再一步根据经验推断模具异常位置，进行修理，反复实践验证，直至铸件达到尺寸要求。随着市场需求的不断扩大，压铸模具也愈加多样化，模具复杂形位的测量给作业担当带来了更大的挑战。不仅对作业担当的技能水平要求高，还给测量技能、经验的传承带来了一定难度3。传统压铸工序测量工具种类多，存在测量功能重复性，方便进行测量结果的确认，但这也的确存在了一定的功能浪费。表 1 传统测量工具 测量工具 用途 卡尺 测量长度尺寸数值：宽度、外径、内径、深度等 高度尺 测量高度尺寸数值：台阶高度、孔深等 塞规 测量孔径尺寸是否满足公差要求，种类：限界塞规、销规、锥形光规、R 规、螺纹光规、卡规等 显微镜 测量精密尺寸数值：圆弧、点间距、面间距等 形状仪 测量素线形状和截面形状的尺寸数值：R角、点间距、拔模角度等 投影仪 有效检测各种复杂工件的轮廓和外观：孔径、孔形位等 三坐标 主要用于测量高精密零件尺寸、形位公差：平面度、同心度等 1.2 传统压铸工序测量方式的局限性 内部尺寸一般采用剖切式测量，无法保留被测物完整性；中国科技期刊数据库 工业 A-40-外形尺寸测量的局限性，不能测量过大或无法固定的物体；复杂形位测量的时效性差，测量时间交长；对测量担当技能要求高，存在人为因素影响的误差；场所占用面积大，需多种测量仪器。2 3D 扫描技术的数字测量工作站的介绍 3D 扫描仪：采用智能激光 3D 扫描仪，测量精度可达0.02mm。机械臂：可实现自动化全方面扫描，为全自动测量做铺垫 装卡治具：根据测量的需要，更换装卡固定被测物。电脑显示器：展现三维表面模型，将问题具象化。工作台：多功能测量平台规格：1.5m*2m*2.3m，还可用方箱进行传统测量，进行测量数据验证。2.1 数字化测量工作站的工作原理 利用激光三角测量原理，发射激光通过扫描镜头将激光投影在被测物表面上，测量激光点到相机的距离和角度，利用三角函数计算出点在三维空间中的坐标。获取坐标数据后，利用计算机内置的专用软件对采集到的数据进行预处理，包括数据校准、去噪、滤波、配准等，得到高精度的三维数据，再利用分析软件对测量数据进行分析、对比、拟合和统计等多种分析处理，得到测量数据的精度、误差、变形等重要信息4。还原真实尺寸数据，导出模型用三维软件与数据源图纸进行比对，快速准确的判断被测物尺寸有无问题，将测量尺寸问题具象化，精准定位问题。3 数字化测量工作站的实际应用 3.1 基于压铸工序的应用优势 可视化测量：减少修理经验依赖性，精准定位模具尺寸异常位置，降低人为的失误率。缩短修理周期：扫描各个部分，利用自动装配功能，将模具组装，无需进行着色检验面间配合；测量的便捷性：可取下 3D 扫描仪利用 Wifi 5G技术实现无线远距离测量，摆脱测量环境要求的束缚；模具的逆向设计改善：利用 3D 扫描技术复制原有模型，加以改善后用 CAE 软件进行仿真模拟，缩短模具改善周期。直接测量：无需通过铸件间接测量模具，可定期监测模具尺寸。3.2 模具方面的实际应用 3.2.1 模具主型平面度排查 压铸模具在长时间生产过程中，受到到铝液冲击与合模挤压，会导致分型面局部热变形或挤压变形，因此需要进行定时排查和修理分型面平面度，避免生产过程中模具打喷、飞边、尺寸超差等问题5。云点数据获取 将清洗干净的模具平放在测量平台上，选择好合适的扫描模式和参数后，机械臂将自动匀速全方面扫描模具，进行云点数据采样。（2）平面度测量与分析 在数据处理软件中，针对模具分型面的数据进行平面度测量与分析。平面度表示一个曲面与一个参考平面之间的最小距离，在数学上可以用平面到曲面上每个点的垂直距离的最大值来表示。根据测量需求，设定合适的基准面和平面度容差，判断该模具分型面是否符合要求，对不符合要求的位置进行针对性修理。（3）削减工时 对比 20 至 21 年模具维保和修理工时，如表 2 所示，建立数字化测量工作站每月可削减281.92h工时。表 2 工时核算 维保（h/月）修理（h/月）备品纳入（h/月）合计（h/月）传统测量 430.5 84 75.44 589.94 数字测量 280.36 3.5 24.16 308.02 削减工时 150.14 80.5 51.28 281.92 3.2.2 模具逆向设计改善 逆向设计可以通过对已有模具进行扫描和分析，获取模具的几何形状、表面信息、结构和性能，以了解其设计和制造过程的方法。这样可以实现对现有模具的数字化建模和仿真分析，然后再对原形进行复制或在原形的基础上进行再设计，进而实现模具设计的改进和优化。逆向工程还可以帮助减少模具设计周期，提高模具制造的效率。（1）问题描述 本次应用是解决AF32铸件的铸纹不良率高的问题，冒口侧杯口位置铸纹不良率30%，改善前浇口宽30mm，中国科技期刊数据库 工业 A-41-厚 1.5mm，扇形角度为 60 度。（2）模流分析 利用 3D 扫描数字测量技术，将模具和铸件的实际状况进行云点数据收集，在其基础上进行数据预处理6，结合 CAE 仿真模拟软件进行效果分析，铝液环绕铸件进出气口侧流动性很强，流动矢量较少较分散，铝液未完成铸件所有填充，就开始向冒口处排出，导致冒口侧杯口铸纹产生。（3）逆向设计 分析出问题点后，针对性的对模具浇口进行多次调整设计和模流分析验证，不断提高效果，从而实现生产效率最大化。最后方案，将浇口宽度改为 22mm，厚度改为 1.2mm，扇形角度改为 16 度，并优化了铸造工艺参数，铝液流动矢量明显改善，铝液流动矢量增加并呈直线流，铝液填充更充分。改善后铸纹不良率下降至 0.46%，改善前后对比不良率下降了 98%，效果显著。3.3 铸件测量方面的应用 在压铸工序中，新产品铸件正常生产前，需对模具进行的尺寸进行评价，也称之为“型检”。2020 年11 月至 2021 年 10 月，新产品型检数量为 201 件，据统计测量工时为2601小时/年。利用数字测量工作站，削减测量工时。（1）数字测量工作站的使用判断 根据测量结果显示，3D 扫描数字测量工作站可以将传统测量的 85%-90%工作代替但深孔处还需使用传统测量仪器。但是细且深的孔内尺寸还需要使用传统测量仪器来测量。利用3D扫描仪进行云点数据采样时，入射光无法完全进入孔内，即无法获取孔内真实尺寸数据，只能用于表面孔径的测量7。（2）降低测量成本 已用样品进行了测量试验比较，分别用两种测量方式对复杂和简易的两种铸件进行计时测量，试验结果如下表 3 所示。综合考虑，测量时间平均减少了 39%作为成本核算基础。表 3 成本核算 测量工时/年 费用（元/h）人件费（元/年）传统测量方式 2601 228 593028 数字测量方式 1586 228 361608 削减 1015 0 231420 以 21 至 22 年的测量工时进行成本核算，见表 4，全年测量工时可削减 1378h。表 4 计测时间结果对比 传统测量 数字测量 削减工时 测量工时h/年 3628 2250 1378 4 结束语 在本文中，我们系统地探讨了 3D 扫描技术的数字测量工作站在压铸工序中的应用。通过对实际案例的研究和分析，我们发现 3D 扫描在压铸工序中具有巨大的潜力，并能够显著改进设计、优化工艺以及提高生产效率。首先，通过数字测量工作站获取模具的几何形状和表面信息，对模具设计进行数字化建模和仿真分析，可以有效地减少设计过程中的试错和返工，提高模具的精度和寿命。其次用于模具故障分析和维修，通过扫描模具部品，我们可以准确识别故障原因并制定相应的维修方案8。此外，通过扫描铸件，获取其几何形状和缺陷信息，可以帮助制造工程师优化铸造工艺参数，提高铸件的质量并减少生产周期。从测量方面看，对比压铸工序的测量方式，结合考虑铸件和模具的复杂性，利用 3D 扫描技术的数字测量工作站拓展了新的测量方式，实现了复杂、异形以及大体积等物体的尺寸测量，提高了测量效率和测量精度，改善了技能传承方式，为压铸工序的自动化和智能化提供了坚实的基础。总而言之，数字测量工作站在压铸工序中的应用为现代制造业带来了巨大的机遇和优势。我们期待未来的研究和实践能够进一步推动数字测量在压铸工序中的应用，为制造业的发展做出更大的贡献。参考文献 1魏枫展,毕文波,刘璐,等.基于 3D 扫描的逆向建模实验教学研究与实践J.创新创业理论研究与实践,2022,5(19):38-41.2路秋兰,马民杰,刘凡荣.基于工程测量过程中精度的影响因素及控制分析J.居舍,2020(32):57-58.中国科技期刊数据库 工业 A-42-3李国柱.工程测量过程中精度的影响因素及控制分析J.中国地名,2020,325(8):39.4魏枫展,毕文波,刘璐,等.基于 3D 扫描的逆向建模实验教学研究与实践J.创新创业理论研究与实践,2022,5(19):38-41.5何键,蒋赫,朱明.采用 3D 扫描技术测量大型风电铸件的方法J.现代铸铁,2021,41(2):24-28.6魏枫展,毕文波,刘璐,等.基于 3D 扫描的逆向建模实验教学研究与实践J.创新创业理论研究与实践,2022,5(19):38-41.7周淑容,郑浩.基于 3D 扫描的误差影响因素J.模具制造,2021,21(10):64-67.8李文莲.模具设计制造中逆向工程技术的应用J.黑龙江科学,2022,13(12):47-49.