金属薄板冲压模具的计算机辅助测量集成系统的研究

金属薄板冲压模具的计算机辅助测量集成系统的研究

1.介绍

铸模和磨具产业是高科技和增值产业。铸模和模具的质量以及测量技术在产业竞争中显得日益重要。跟传统的测绘缩放仪相比较，设有触摸式触发探头的三坐标测量仪器能更为精确地检测被测产品的错误，迅速使用电脑数控法，此设备已在此产业广泛应用。然而，大部分的测量数据仍然是几何尺寸和设计点的识别，而对模具的实验却无法提供有用的信息。

铸模和磨具往往是用高度多项式，雕刻的或者多变曲率的自由曲面来设计。传统地，在模具制造过程中主模是非常必要的，由雕刻师进行雕刻。然后把正式模具放在靠模铣床进行机加工。然而，在模具制造过程中，由于机加工和主模的不精确，往往和图板上描绘的曲线不一致。计算机辅助几何设计的出现彻底解决了这个问题。铸模和模具的设计可以直接用电脑数控（CNC）协同计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制作软件（CAM）来完成。

用三坐标测量机测量自由曲面是很难的，因为测量探测点的法线方向是为了弥补探头的直径。这就使应用计算机辅助设计型的技术（CAD 型）来生成探测点和探测路径显得非常必要。很多研究已经提出要发展三坐标测量机检测路径规划的问题，但是鲜少有研究提出发展主要

用于冲压模具的三坐标测量机。另一方面，目前大部分的CMM软件包，例如PC_DMIS，CAPPS,CAMIO和SILMA都支持CAD型检测规划。然而，这些软件包都是为了由自由曲面来呈现的各种零件而设计的，非常的昂贵。

在这份研究中将会建立CAD型的CMM软件和板金件冲压模的分析系统。此系统可以分析IGES（基本图形转换规范）格式及格式的NURBS（非均匀有理B样条）曲面冲压模具的CAD模型，生成DMIIS （尺寸测量接口规范）格式的中性测量程序。此外，此系统开发乐基于窗口图形的界面，使探针路径模拟和预测的尺寸误差与模具CAD 模型都可动态地显示在屏幕上。实验测试也多次用三坐标测量机进行工业钣金冲压模具试验，并展示了本系统的有效性和实际应用。

2. 自由曲面展示

各种数学公式用来呈现自由曲面，而在这篇文章中选择非均匀有理B样条曲面（NURBS）作为几何实体建模，是因为它的一般形式呈现了许多分析曲面。并大多CAD/CAM系统以及标准交换格式（IGES）都支持这种格式。NURBS曲面的数学公式可以用Q（u，v）来表示，其中u和v是独立的参数。公式如下（见原文）

Q（u，v）=………………………..

其中Bi,j是多边形网的控制点，而Wi,j是控制点权重。Ni,k(u)和Mj,l(v)是u好v方向的标准基函数。在指定点的特定的u和v参数下，曲面

的正常方向n可以用微分几何计算：

n=………（见原文）

3. 探针路径的生成和尺寸误差的呈现

从公式（1）和（2）可以看出来，只要u和v参数确定下来，监测点的坐标和曲面的正常方向就可以决定。在实际测量，触摸驱动触发探头沿着法线方向趋向模具表面的。传统地，检测程序只能运用于特殊的CMM中。结果，为一种CMM生成的检测程序往往不能应运用其它CMM。因为有很多的CMM供应商，所以检测程序的发展就是一种劳动密集型和耗时的。在这种情况下，DMIS格式的程序就产生了。DMIS为各种CAD系统和CMM提供了一种中性的检测交流格式，所以这篇论文中探测路径是用DMIS格式的。

一旦这个测量程序完成，测量点的数据就会被收集起来并存到ASCII格式文件中，那么预计尺寸误差也可以被计算出来。这篇论文中运用了尺寸误差的概念。假设理论候选点T的坐标是[Qx Qy Qz 1]T,对应的北侧点M的坐标是[Mx My Mz 1]T。这样就形成了一个尺寸误差矢量E=[Mx- Qx My- Qy Mz- Qz 0]。外表面的正常矢量K 是[Kx Ky Kz 1]T。因此，可以根据以下公式得出预计尺寸误差的重要性：

{E，K}=……….（见原文）

注意，如果Eq.（3）的值是正的，说明M点在设计表面之外，如果是负的，说明M点在设计表面之内。预计尺寸误差可以帮助模具制造商，以确定例如圆凿的差异，以及制作的模具表面和设计表面之间的多余的材料。

4. 冲压模的测量程序

为了执行测量程序，首先要先建立冲压模的参考坐标系统。图.1.是测量模具的是一同，其中DDL代表的是模具基准线，DDH指的是模具基准孔，而MHZ代表的是维修零点，是模具制造的的程序零点。决定参数坐标系统的程序可连续标号1到4。首先，

检测模具底部的四点，以确定基面的正常适量（载体？？）（Z轴方向）。第二，检测两个DDH点以确定X轴方向。应用右手规则，就可以确定Y轴方向了。第三，检测MHZ点以确认参数坐标系统的原点。第四，检测不同成形操作的共同标准面的各个点。图1有显示这些点，做标记“*”。检测这些点主要是为了确保MHZ的准确性。如果这些点的预测的尺寸误差超出公差，那么MHZ应适当抵消，抵消的值可以根据以下来确定。

假设要测量共同标准面得n个点。第i个点有预测的尺寸公差Di 和正常矢量[Kxi Kyi Kzi 0]T.那么可以根据以下的公式得出MHZ的XYZ抵消值。

[X Y Z 1]T=………………………………

一旦这个MHZ被正确抵消之后，模具的其他部分就可以根据新

的MHZ坐标系统来测量。

5. 系统执行和验证

现以开发了用Borland C++ Builder和Open GL编写的窗口型C语言程序来验证本文中提出的方法。我们以一背面盖面板的一套工业冲压模具为例子。冲压模往往由两部分组成，例如冲头和模具。冲头是冲压模的突出部分，往往是模具装配的上端，而模是冲压模的凹进部分。

冲头和模具的CAD模式在CAD系统中生成并以IGES格式保存。本文中提出的系统可以用IGES分析器以IGES格式分析NURBS表面。自从引进CAD模式之后，表面的线框图可以系那是在屏幕上，并可以动态地旋转和移动。为了生成候选监测点，变长等参数的定义用来计算每个参数（u和v）的递增量。图2显示了探头的锯齿形探测路径，其中选了22个点进行检测，然后可生成对应的DMIS输出文件。

正如图3所示，该冲压模具冲压是使用布朗和夏普的DEA三坐标测量机以及雷尼绍的pH - 10M的触摸式触发探头测量的。图4说明了实测结果显示了预测尺寸误差被纳入了冲头CAD模式。显示的窗口列表的上端部分罗列出了测量数据，包括测了序列号，候选监测点的坐标，测量点的坐标，预测尺寸误差和表面正常方向。注意显示为红颜色的点，例如P1,P3,P4,….,P22, 都是超出公差的。如果用户选