CN112828683A - 外覆盖件模具仿生表面形貌检测装置及多因素耦合控制加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种外覆盖件模具仿生表面形貌检测装置及多因素耦合控制加工方法，旨在提高汽车外覆盖件模具加工质量。检测装置包括工业相机、整体支撑装置、刀柄和环形LED光源，工业相机通过安装挡板与整体支撑装置连接，安装挡板与整体支撑装置通过销式装置连接，刀柄通过整体支撑装置中央的环形槽与之装配，环形LED光源安装在各个工业相机的正前方，提供光源；通过旋转螺栓可调节安装挡板角度，进而调整工业相机的图像采集角度，检测装置整体通过主轴中的拉刀爪夹持刀柄实现与机床连接。该装置主要用于外覆盖模具仿生表面形貌的检测，根据检测结果综合考虑加工过程中诸多因素对模具加工表面形貌的影响，加工出所需的仿生形貌特征。

Description

外覆盖件模具仿生表面形貌检测装置及多因素耦合控制加工 方法

技术领域

本发明应用在高速铣削过程中，根据功能需求来设计结构参数并通过高速铣削的方法控制其表面形貌的生成。

背景及现有技术存在的问题

表面磨损是模具失效的主要形式之一，如何提高模具表面的耐磨性能、延长使用寿命一直是模具制造领域研究的热点问题。目前提高模具表面耐磨性能的方法，主要集中在表面强化处理和仿生非光滑表面处理两个方面。

仿生非光滑表面处理在模具制造中的应用正处于探索阶段，为提高模具表面性能提供了新的思路和方法，但其在汽车覆盖件模具制造中的实际工程应用受到了很大限制。一方面，目前对于模具仿生非光滑表面处理的研究多以激光加工为主，加工方式较为单一；另一方面，与表面强化处理类似，现有的模具表面的仿生非光滑表面处理技术在无形之中增加了制造成本、延长了制造周期。已有的研究表明，凹坑形仿生表面具有良好的耐磨和润滑性能。

采用球头铣刀进行铣削加工时，由于刀具的球头部分具有独特的螺旋边缘线结构，因此表面形貌由与加工条件密切相关的凹坑形表面微单元的规则排列形成，这类似于网状凹坑仿生非光滑表面。形态结构非常相似。而随着铣削加工的条件愈发完善，铣削加工技术的发展与进步，使得已加工表面形貌的精确控制成为可能。

发明内容:

本发明提供仿生表面形貌测装置及多因素耦合控制加工方法。

上述目的通过以下的技术方案实现：

仿生表面形貌检测装置及多因素耦合控制加工方法，其组成包括：检测装置，其特征是：所述的检测装置包括整体支撑装置，所述的整体支撑装置的中心位置安装有数控机床的刀柄。所述的整体支撑装置与相机安装挡板通过销孔连接，所述的相机安装挡板通过定位孔与工业相机连接，所述的相机安装挡板分别安装有左侧工业相机、右侧工业相机和前侧工业相机。所述的工业相机通过扭转一侧的螺栓进行位置调整。

所述的仿生表面形貌检测装置，其特征是：所述的检测装置分别通过所述的左侧工业相机、所述的右侧工业相机和所述的前侧工业相机对模具曲面进行检测。所述的检测装置通过所述的照相装置对所述的模具曲面进行数据采集。

所述的仿生表面形貌检测装置其特征是：所述的左侧工业相机、右侧工业相机镜头拍摄角度与水平面呈45°夹角斜向内对模具表面进行照相，所述的前侧工业相机镜头拍摄角度与机床主轴中心线呈60°向内对模具表面进行照相。

所述的仿生表面形貌检测装置及多因素耦合控制加工方法，其特征是：该方法包括如下步骤：首先，对汽车外覆盖件模具进行加工区域划分，针对不同的加工区域选取相应的仿生形貌，提取不同加工区域的仿生形貌特征。然后，对模具样件进行仿生表面形貌的铣削加工，基于在机测量装置检测样件表面加工误差，分析表面加工误差来源，修正铣削加工各工艺参数。最后，对外覆盖件模具进行仿生表面加工，并检测外覆盖件模具加工后的表面形貌特征，获得满足表面轮廓精度和仿生形貌的表面特征。

有益效果：

1.本发明是外覆盖件模具仿生表面形貌检测装置及多因素耦合控制加工方法，采用非接触式测量，利用光学原理测量表面的非接触式测量方法。本发明采用三台工业相机来对模具表面进行拍摄测量，全面满足工件对机械加工表面粗糙度和表面轮廓误差的要求。

2.本发明可以在不接触被测物体的前提下进行精准测量，其中光学法是测量的主体，其测量精度高，适于对软质材料、易损工件等进行测量，采用光学原理测量表面的非接触式测量方法，可以较好的弥补触针式仪器的不足。

3.本发明基于仿生学设计了三个镜头对目标物体进行图像拍摄，其中每两个镜头之间组成双目拍摄***。整体呈现出在不同方位进行双目观测的特点，形成生物群观测效应。

4.本发明所涉及的仿生表面形貌检测装置能与加工机床形成良好的连接，并且能有效控制所安装相机的调整方位，工作精度高。

5.本发明基于模具仿生表面形貌检测装置的多因素耦合控制仿生表面加工的方法能够综合考虑加工过程中诸多因素对模具加工表面形貌的影响，该方法能有效加工出所需的仿生形貌特征。

6.本发明所涉及的仿生表面形貌检测装置，该设备在在机测量范畴，实现了检测与加工、仿生数值化分析一体化。

7.本发明所涉及的仿生表面形貌检测装置，该装置结构简单，成本低。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图

附图2是检测装置的分解图

附图3是附图1的正视图

附图4是附图2的俯视图

附图5是检测装置原理图

附图6是检测装置视场分布图

附图7是本发明的***工作示意图

附图8是模具加工表面仿生形貌示意图

附图9是本发明的流程图

1-检测装置，2-整体支撑装置，3-相机安装挡板，4-右工业相机，5-环形LED光源，6-前工业相机，7-调整螺栓，8-左工业相机，9-刀柄，10-汽车外覆盖件模具，11-工作台，12-仿生形貌特征，13-信号处理器，14-笔记本电脑。

发明的具体实施方法

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1：

仿生表面形貌检测装置及多因素耦合控制加工方法，首先，对汽车外覆盖件的加工特点和功能要求进行分析.同一般的冲压件相比，汽车外覆盖件具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大和表面质量要求高的特点。覆盖件表面上任何微小的不合理加工在漆涂后都会引起光线的漫反射而造成汽车外观的不美观。所以，覆盖件表面不允许有波纹、皱折、凹痕、擦伤等易造成影响汽车外在美观的缺陷。汽车覆盖件的装饰棱线和筋条要求清晰、平滑、左右对称和过渡均匀。覆盖件之间的棱线衔接应吻合流畅，避免出现参差不齐的情况。覆盖件的形状多为空间立体曲面，其形状很难在覆盖件图上完整准确的表达出来。覆盖件具有材料薄的特点。在加工过程中，其刚度受加工的影响较大，刚性差的覆盖件受到振动后会产生空洞声，用这样的零件装车，汽车在高速行驶时就会发生振动，造成覆盖件早期破坏。所以覆盖件的刚性要求在加工过程中应受到重视。覆盖件的加工不仅要满足功能上的要求，也要满足表面装饰的要求。

实施例2：

根据实施例1所述的仿生表面形貌检测装置及多因素耦合控制加工方法,在加工前，对外覆盖件的特征进行区域划分及选取相应的仿生模型。汽车外覆盖件包括：汽车车门、发动机罩盖、行李箱盖、车顶盖和前翼子板等总成零件。对于不同的外覆盖件在加工过程中有着不同的加工要求。汽车车门门把手是平时最易和驾驶者接触摩擦的部分。因此，在加工汽车车门过程中，不仅要考虑到加工效果的美观性，更应满足使用过程中的功能性。在生物界中，蜣螂头部的表面耐磨性良好，结合本次发明，车门门把手处的零件加工采用以蜣螂头部表面形貌特征作为仿生原型的加工方法。车身外覆盖件普遍存在体积大的特点，因此加工过程中多采用拼接加工的方法。为保证拼接件的外观和功能方面的要求，拼接过缝处的表面形貌要严格满足特定的表面质量要求。结合本次发明，对于汽车外覆盖件拼接处的加工采用以蛇鳞表面形貌特征作为仿生原型的加工方法。车顶盖和引擎盖大面积暴露在外界中，在汽车行驶过程中与空气的接触面积较大，因而在汽车行驶过程中会产生较大的阻力，造成能源的非功能消耗。结合本次发明，兼考虑能源的合理使用，对于起减阻功能的零件处的加工采用以鲨鱼皮表面形貌特征作为仿生原型的加工方法。

实施例3：

根据实施例1-2所述的仿生表面形貌检测装置及多因素耦合控制加工方法。基于上述实施例1-2的工作，通过测定典型生物的体表形状、尺寸、和分布规律，确定了功能表面的仿生设计原型。在此基础上，进一步推导功能表面的高速铣削加工策略并获得功能表面高速铣削过程中的精确控制方法。基于高速切削理论、切削几何学，根据球头铣刀刃形和刀具在加工过程中的走到路径，分析切削参数、加工倾角、切削次数等条件对表面形貌单元机构参数及分布的影响规律。利用加工中心控制加工参数进行高速铣削试验，获得其表面微观形貌。观测球头刀高速铣削加工表面形成过程并对表面形貌进行精准测，依据测结果对所建立的表面形貌模型进行修正，获得精确实现功能表面结构的高速铣削工艺控制方法。

实施例4：

根据实施例1-3所述的仿生表面形貌检测装置及多因素耦合控制加工方法。在实施例1-3的工作上，根据上述方法获得铣削工况下功能表面结构的高速铣削工艺控制方法，测试加工符合要求的功能表面结构的工件。由于汽车覆盖件尺寸较大，对于不同分区的外覆盖件有着与其对应的功能要求，并考虑试验加工成本的影响。结合本次发明，此次测试试验采用合适尺寸的样件来反映大尺寸汽车外覆盖件的加工过程。选取加工四个一定尺寸的样件，分别表示外覆盖件中具有拼接特征的分区、具有易磨损特征的分区、具有难清洗特征的分区、具有抗风阻特征的分区。采用实施例1-3所获得的铣削工况下铣削工艺参数的控制方法，针对不同的分区，加工出相应的符合该分区功能特性的表面形貌特征。根据实施例1-3的说明，对于确立的仿生设计原型，测量出其表面形貌特征。基于高速切削理论、切削几何学，根据球头铣刀刃形和刀具在加工过程中的走到路径，分析切削参数、加工倾角、切削次数等条件对表面形貌单元机构参数及分布的影响规律。进而推导出满足在特定功能形貌的要求的铣削工艺参数。对于不同的汽车外覆盖件分区，基于其不同的功能特点，在确立的仿生设计原型上，推导出各自的加工工艺参数。在相应的铣削工艺参数下，对四个样件分别进行加工，检测各个样件表面形貌的形成过程并最终测各个样件的表面形貌特征。

实施例5：

根据实施例1-4所述的仿生表面形貌检测装置及多因素耦合控制加工方法。在实施例1-4的工作上测出加工样件的表面仿生形貌的特征。基于已加工表面的往复摩擦磨损试验以及经过往复摩擦磨损试验后的微观形貌测，获得了具有良好耐磨性能的高速铣削加工参数。在本次发明中获得耐磨性仿生表面形貌加工工艺参数。其样件的微观形貌近似与蜣螂体表的凹坑形貌，得出铣削加工出的表面形貌与自然界蜣螂头部体表微观形貌尺寸或长宽比例近似时，该表面具有较小的粗糙度以及良好的耐磨性能。在本次发明中获得减阻性仿生表面形貌加工工艺参数，其样件的微观形貌近似与鲨鱼体表的纹理形貌，得出铣削加工的表面形貌与自然界鲨鱼体表微观形貌尺寸或长度比例近似时，该表面具有良好的减阻性能。在本次发明中获得自洁性仿生表面形貌加工工艺参数，其样件的微观形貌近似与荷叶表面的纹理形貌，得出铣削加工的表面形貌与自然界荷叶表面形貌尺寸或长度比例近似时，该表面具有良好的自洁性能。在本次发明中获得平顺性仿生表面形貌加工工艺参数，其样件的微观形貌近似与蛇鳞表面的纹理形貌，得出铣削加工的表面形貌与自然界蛇鳞表面形貌尺寸或长度相似时，该表面具有良好的平顺性能。

实施例6：

根据实施例1-5所述的仿生表面形貌检测装置及多因素耦合控制加工方法。在实施例1-5的工作上获得了具有耐磨性能的仿生表面形貌铣削加工控制方法与铣削加工工艺参数。在实施例1-5的工作上获得了具有自洁性能的仿生表面形貌铣削加工控制方法与铣削加工工艺参数。在实施例1-5的工作上获得了具有平顺性能的仿生表面形貌铣削加工控制方法与铣削加工工艺参数。在实施例1-5的工作上获得了具有减阻性能的表面仿生形貌铣削加工控制方法与加工工艺参数。通过样件加工试验，测出通过铣削加工出的仿生表面形貌具有相对应自然界嗯生物的特定优良性能。采用样件加工工程中的铣削工艺参数和表面形貌铣削加工控制方法来对汽车外覆盖件进行加工。对加工的零件进行区域划分，设定各个分区需要的仿生表面形貌铣削加工工艺参数。加工过程中，主轴上方安置三台均匀分布的高像素相机，用来采集加工过程中已加工表面的形貌特征。根据不同相机采集图像位置的差异性，合成出三维的仿生表面特征，用来实时的对已加工表面形貌进行检测。将检测的已加工仿生表面形貌与要求的仿生形貌对比，分析表面形貌特征，控制表面加工误差，提高表面加工质量。结合本次发明，采用三台相机对已加工表面的实时监控和表面形貌铣削加工控制方法，对汽车外覆盖件加工进行过程检测，通过调整优化铣削加工工艺参数，优化铣削过程中零件的表面加工质量。

实施例7：

所述的仿生表面形貌检测装置，采用三台照相机对模具表面形貌特征进行拍摄，提取模具表面形貌特征信息。在立体视觉中，双目立体视觉应用的很广泛。在双目立体视觉法中，两个相机就如同人的两个眼睛，两个相机从不同角度拍摄同一场景。通过左右两个相机对表面特征进行拍摄。第一组数据有左相机拍摄目标物体的表面图像，第二组数据由右相机同步拍摄目标的表面图像，并把这两组图像传回计算机，计算机根据两幅图像进行被动双目匹配，得到深度信息，根据测距原理，得到精确的表面形貌特征。双目立体视觉原理简单，没有编码信息，可利用的信息少，得到的结果精度不是很高。本次发明在双目立体视觉法上增加一个相机，这三台照像机的光轴分别成一定的角度，可以看做是三个双目视觉***。如图5，在没有误差的情况下，摄像机1和摄像机2组成的双目***的测量值、摄像机1和摄像机3组成的双目体统的测量值、摄像机2和摄像机3组成的双目***的测量值都应该与被测点P的实际坐标重合。即O₁P₁、O₂P₂、O₃P₃应交于空间的同一点P。但在实际场景下，由于双目视觉测量***的误差，测量值与被测点的实际坐标并不重合。这三条直线会交于空间三个不同的点，分别是直线O₁P₁、O₂P₂、O₃P₃两两相交的点，他们的三维坐标值可以经过双目视觉的定位算法求出，故双目视觉测量***求解出的被测点坐标偏差比较大，三目视觉测量***比双目测量***有着明显的优势。利用三台摄像机之间的关联性，采取融合求解三维坐标的方法，使得特征点的位置更为准确。并且对于单一双目视觉***，三目视觉测量***集中了3个双目视觉测量***，使得有效测量范围变大，可以检测更广泛的物体，如图7。由于三目视觉测量***的每一部分都可以单独完成测量工作，即使坏掉一台设备，其他两台设备仍能互相配合正常工作，所以稳定较性高。

实施例8：

多因素耦合控制加工方法

模具加工过程中，其表面形貌的形成是由切削刃上所有微元连续切削运动并最终形成表面残留轮廓而构成的表面形貌。其加工过程中影响模具表面形貌的因素很多，采用多因素耦合控制加工方法能有效加工出所需要的模具表面形貌。振动的存在对表面形貌的影响非常明显，刀具振动较大时，会出现单齿切削的现象，，这样造成的结果时一齿在正常切削的基础上会切掉大部分材料，而另一齿基本不切削或完全不切削的现象，出现残留表面轮廓比理想的轮廓更长的现象，残留轮廓的规律性也不是很强，总体趋势看就是残留轮廓变长，残留高度和深度也会更大，表面粗糙度增加。本发明通过分析以下因素来进行耦合控制加工实现模具加工表面形貌的优化：每齿进给量的变化对表面形貌的影响。每齿进给量是严重影响表面形貌的因素，每齿进给量的怎加会使表面形貌的残留高度增加，并伴随一齿切削另一齿部分切削的现象和单齿切削的现象；转速的变化对表面形貌的影响。主轴转速增大，金属的切削效率提高，同时切削区温度会变很高，使得表面金属层软化效应加剧，积屑瘤减少，摩擦因数减小，铣削过程较稳定，使得表面粗糙度下降，所以低速铣削范围内，选择较大的主轴转速可以获得较高的表面加工质量；铣削深度的变化对表面形貌的影响。随着铣削深度的增加，刀口半径和铣削深度相差较大，且刀具底刃对表面的刮擦作用的影响明显下降，而金属热软化作用加剧，影响表面加工质量。所以在低速铣削参数范围内，铣削深度尽可能大，以减小诸多因素的共同作用对表面质量和轮廓的影响。通过对转速、每齿进给量、切深等加工参数的合理选取，得到符合要求的模具表面形貌。

实施例9：

加工过程中振动对模具表面仿生形貌的影响及耦合控制。

刀具在切削过程中由于刀具本身的高速旋转以及切削力的变化一定会导致刀具的振动，这种振动也称为由激励函数引起的稳态受迫振动，稳态受迫振动其实是由加工过程中刀齿的断续切削造成的。因此需要建立一种考虑振动因素的切削运动轨迹方程，分析各种切削参数下的振动对表面形貌的影响。

当刀具产生冲击振动时，其冲击振动位移转换矩阵如下：

式中：x(t)和y(t)为在时间t时球头刀处于刀具坐标系下的振动位移，其数值由动力学方程解出的公式给出。

考虑冲击振动的切削刃切削运动模型如下，其中Maw、Mtaw、Mjt、[x0,y0,z0,1]T已知。通过以下转换关系即可得到切削刃的运动模型。进而得出振动对表面形貌的影响规律。

[x y z 1]^T＝M_awM_ta1M_ta2M_jt[x₀ y₀ z₀ 1]^T+L

式中：N为Y轴方向的间歇进给次数，P为间歇进给宽度。

实施例10：

加工过程中曲面曲率对模具表面形貌的影响分析及耦合控制。

在球头刀铣削曲面模具时，球头铣刀的进给为空间曲线，铣刀同时进行旋转运动和进给运动，因而任意刀齿的运动轨迹其实是一条三维摆线，产生的切屑是沿切削刃从刀尖顶点开始逐渐变化且双重弯曲的，这种弯曲会根据接触条件的不同、切入面的不同而不同。

1)行距方向曲面曲率ρ_φ影响轴向位置角

行距方向曲率半径ρ_φ影响刀具和工件接触区域的轴向切削切入角φ_st和轴向切出角φ_ex,从而决定了刀工接触区切削刃上任一点的轴向位置角φ以及实际的切削半径R_φ的大小。铣削曲面的切削刃轴向位置角可以表示为：

ρ_φ的正负由被加工工件的凹凸决定，当被加工工件为凸曲面是，ρ_φ为正；当被加工工件为凹曲面时，ρ_φ为负。然而不论在铣削的是凹曲面还是凸曲面，轴向切入角φ_st和轴向切出角φ_ex都是相同的，即：

式中：β_c式刀工接触点处的法向量和刀轴之间的夹角，称之为侧偏角。当β_c一定时且具有相同的切入位置，那么当ρ_φ与实际切削半径φ_st和φ_ex的差值和轴向位置角均呈正相关关系。

2)进给方向曲面曲率ρ_φ影响径向位置角

在铣削加工中可根据工件进给方向和刀具旋转方向分为顺铣和逆铣，两种加工方式对应的切入切出角也有所不同。

顺铣时：

逆铣时：

式中：当工件为凸曲面时，i＝1,当工件为凹曲面时，i＝-1。

Claims (7)

1.本发明所述的外覆盖件模具仿生表面形貌检测装置,其特征在于：它包括检测装置(1)，检测装置(1)包括整体支撑装置(2)，整体支撑装置(2)平面中间安装由数控机床刀柄(9)，刀柄(9)由主轴抓到爪央持，在内套的作用下将拉钉拉紧，整体支撑装置(2)两侧对称布置，前侧置于装置的中央，整体支撑装置(2)周围的三个相机安装位末端设计有55°倾角，能最大程度扩展相机的拍摄场且维持装置的重心稳定，整体支撑装置通过销孔与相机安装挡板(3)相连接，安装挡板一侧有定位凸起，保证与调整螺栓(7)紧密连接，左侧相机安装挡板上安装由左工业相机(8)，右侧相机安装挡板上安装有右工业相机(4)，前侧相机安装挡板上安装有前工业相机(6)，各工业相机镜头前端镶有环形LED光源(5)，各个相机可由对应的安装挡板来调整定位，整体支撑装置上加工有螺栓孔，通过旋转螺栓(7)可以推动与之相连接的相机安装挡板，调节相机的拍摄位置。

2.一种如权利要求1所述的外覆盖件模具仿生表面形貌检测装置及多因素耦合控制加工方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：首先，对汽车外覆盖件模具进行加工区域划分，针对不同的加工区域选取相应的仿生形貌，提取不同加工区域的仿生形貌特征，然后，对模具样件进行仿生表面形貌的铣削加工，基于在机测量装置检测样件表面加工误差，分析表面加工误差来源，修正铣削加工各工艺参数，最后，对外覆盖件模具进行仿生表面加工，并检测外覆盖件模具加工后的表面形貌特征，获得满足表面轮廓精度和仿生形貌的表面特征。

3.根据权利要求1所述的外覆盖件模具仿生表面形貌检测装置，其特征在于：所述检测装置(1)基于仿生学设计了三个镜头对目标物体进行图像拍摄，其中每两个镜头之间组成双目拍摄***,整体呈现出在不同方位进行双目观测的特点，形成生物群观测效应。

4.根据权利要求1所述的外覆盖件模具仿生表面形貌检测装置，其特征在于：所述检测装置能与加工机床形成良好的连接，并且能有效控制所安装相机的调整方位，工作精度高。

5.根据权利要求2所述的外覆盖件模具仿生表面形貌检测装置及多因素耦合控制加工方法，其特征在于：所述多因素耦合控制方法能够综合考虑加工过程中诸多因素对模具加工表面形貌的影响，该方法能有效加工出所需的仿生形貌特征。

6.根据权利要求3所述的外覆盖件模具仿生表面形貌检测装置，其特征在于：所述的左侧工业相机(8)、右侧工业相机(4)镜头拍摄角度与水平面呈45°夹角斜向内对模具表面进行照相，所述的前侧工业相机(6)镜头拍摄角度与机床主轴中心线呈60°向内对模具表面进行照相。

7.根据权利要求3所述的外覆盖件模具仿生表面形貌检测装置，其特征在于：所述检测装置在机测量范畴，实现了检测与加工、仿生数值化分析一体化。

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