机上计量检测技术降低模具的可变性

采用独特的机上计量软件，可确保注塑模的加工稳定性。

Badger Meter公司（位于威斯康星州的Milwaukee市）是一家有着悠久历史的水表生产企业，其生产的水表质量稳定，计量精度高。他们始终不渝地期待着能够使用一种新的软件和设备，帮助他们解决在生产中出现的零件加工一致性较差的问题。

由于有这样一个信念在他们前面指引，从而导致他们的机上检测（采用PC-DMIS NC机上计量软件）成为注塑模生产工艺中不可缺少的一个部分（见图1）。在采用这种检测方法以后，他们解决了在关键计量元件生产中时而出现的和难以捉摸的可变性问题。因而，废品率和零件的返工现象减少，既节约了时间，也节省了资金。在这个竞争激烈的市场中，他们这样做的结果，不但直接提高了仪表的使用寿命，而且也提高了客户的计量精度。

图1 Badger Meter公司的注塑模设计师Jay Prill先生正在使用
PC-DMIS NC测量软件来进行类似于CMM坐标测量机的机上检测

注塑模设计师Jay Prill先生对此这样描述：“从历史观点来看，模具制造往往被认为是生产工艺的一种艺术形式。这是因为对模具元件作最后调节的结果，从而纠正了它的收缩率和翘曲率，而飞边的形成和零件的性能则取决于模具制造工人的经验和技术。现在，我们可以通过一种软件使这种工艺达到流水线作业的水平，并消除了不确定性因素。采用PC-DMIS NC机上检测软件，我们既可以预测必须提前确定的修正值，然后通过在机上检查所制造的零件来验证修正值。在采用这种更加科学的测量方法后，Badger公司已经获得了相当大的竞争优势。现在，我们已经拥有了更加快速、更加稳定和更有预测力的工艺，用于注塑模的开发和维护。

重要的补充说明

2007年，该公司又朝着这个方向迈出了重要的一步，他们订购了一台Mikron HSM 400型高速加工中心，用于生产精密模具的型腔，以及加工由热处理钢材制造的模具插件，从而减少了模具加工车间对EDM加工机床的依赖性（见图2）。在同一时期，Prill先生参加了一个模具制造研讨会，他从那里了解到有关机上检测的潜在好处，它有利于提高模具元件在CNC机床上加工的尺寸精度。

图2 George Schlehlein先生（左）和Jay Prill先生正
在检测一个模具的插件，Badger Meter公司在机上
计量检测的目的是为了确定加工元件是否与CAD模型
吻合，并使其在离开工具车间前尽可能接近这个模型

nextpagePrill先生向其老板做了汇报，他的老板认为在新型精密加工中心上采用机上计量检测软件会具有强大的组合优势，有利于确定精密模具元件的尺寸。于是，该公司开始进行市场调研，寻求一种能够进行复杂测量和分析的产品，同时又不会在很大程度上影响CNC机床的加工切削时间。

多年来，Badger公司一直使用Brown & Sharpe 公司生产的CMM坐标测量机，及其所配置的PC-DMIS 3D测量软件。这种产品的新版软件（PC-DMIS NC Server服务器）建立在同一软件的平台基础之上，在这种情况下，允许用户采用CMM坐标测量机软件，在同样的CAD环境下，创建测量探针的程序和脱机分析结果。采用共同操作的EMS软件（企业计量解决方案）也将使其有可能在加工中心与装有PC-DMIS软件的CMM坐标测量机之间共享程序和测量数据。

工作原理

采用这种方式，对切削加工时间的影响能够降到最低。一个后处理器可以将测量程序转变成G代码和M代码，用于驱动主轴探针。Prill先生将这种驱动程序安装到他的机床上，然后像其他程序那样执行这种驱动程序。在执行过程中，探针对每一个点进行测量，并利用网络连接，将测量结果传送到装有PC-DMIS NC服务器的远距离计算机内的一个文件之中。一旦当探针完成检测后，CNC机床就开始切削加工。在那个点上，PC-DMIS NC服务器开始打开那个文件，并使用PC-DMIS评价引擎来分析各点的测量数据，并提供相关的特性和关键的尺寸报告。它也可将分析结果储存到DataPage SPC数据库之中，以便于继续进行工艺分析和做出工艺改进。

继续运行

在PC-DMIS NC服务器系统安装过程中，Prill先生抽出了几天时间参加了一个很有价值的培训班。他发现，PC-DMIS NC软件中使用的编程技术与CAM软件十分相似。由于质检专家Bill Kurz先生也在同一工厂工作，因此Prill先生从他那里学到了不少东西。因为Kurz先生曾经使用过该公司的9台CMM坐标测量机，有多年应用PC-DMIS软件的丰富经验，他总是乐于提供您所需要的编程咨询。

Prill先生说：“使用起来并不觉得那么困难，原点和较准早已准备就绪，我只是使用加工这个零件所使用的同样较准程序。因此，PC-DMIS NC的编程是一件十分简单的事情，只要提出要求就行，如测量一个圆或一个直径，以及找出工件表面需要留出多少可加工的材料余量等。”

Prill先生一般采用他的CAM程序来生成高速加工的刀具路径。然后，在零件加工时，将CAD模型输入到PC-DMIS NC之中，接着就开始编制测量路线的程序。创建测量程序需要从零件的关键区域采集10或15个测量点的数据，这将近花费30min。Prill先生说：“与其在生产工艺运行过程中所节约的时间相比，花费5min或10min运行这个程序实在算不了什么。”

机上计量检测的目标

在Badger公司，机上计量检测的目标是确定所加工的元件是否与CAD模型吻合，应保证该元件在离开工具室之前尽可能与CAD模型接近。Prill先生解释说：“如果测量不合格，那么我们必须找出不合格的原因。是因为刀具磨损，刀具路径不正确，还是跨步区域的加工稍微过量，或是精加工切削后留下的材料余量过多。”当元件的测量不合格时，必须立即对加工工艺做出必要的调整（见图3）。

图3 Prill先生正在请教质检专家Bill Kurz先生，
因为PC-DMIS 软件在工具室使用前，Kurz先生
已经拥有了使用该软件应用的丰富经验

实践证明，这种交互式加工工艺十分简单，看起来一目了然，在他取得了一些相关的编程经验以后，Prill先生就开始在Micron CNC数控机床上检验其加工零件的关键特性。他说：“PC-DMIS NC软件允许我检验每个刚加工完的零件。如果有某些事情需要确认，我可以随时做出决定，不再需要将其送交质检实验室，向他们解释我需要什么，然后再等待24h得到反馈。而更重要的是，如果我想要根据测量报告上所获知的情况，检查其他某些尺寸，我可以直接在机床上测量，不再需要将零件送到实验室进行检测。”nextpage

图4 检测程序由PC-DMIS NC服务器创建，而由机上检
测程序生成的信息，可帮助Badger Meter公司尽最大
的努力更紧密地控制过量的收缩率、翘曲度和模具的闭
合面，减少模具到模具的可变性，缩短产品的开发周期

鉴于Badger公司采用机上计量检测技术提高了生产能力，因此该公司已在短期内取得了重要的进展，他们也希望能够从中获得长期的利益（见图4）。但必须考虑以下几方面的问题。

1.模具的闭合问题

Prill先生现在能够采用PC-DMIS NC软件生产出非常匹配的模具元件，这些产品与它们第一次离开该车间时的元件完全一样。他解释说：“许多模具闭合面的公差必须保持在0.0001in（1in=25.4mm，下同）的范围之内。如果这这些表面太紧，就无法使模具适当地闭合。如果太松，熔融的塑料就会从模具两半的闭合缝隙中外溢。”今天，Prill先生对模具配合面上具有代表性的各点都进行了测量，如果超过了公差尺寸，就会立即重新加工处理。因此，模具制造商再也不会碰到熔融塑料外溢或模具闭合面配合不当的典型问题了。

尽管Badger公司在很大程度上依赖于高速加工，但仍然有许多型腔需要采用EDM机床加工。目前，该公司使用PC-DMIS NC软件进行检测，以确定型腔因过度烧蚀所必须的修补量。这就能从第一次开始保证使模具闭合面的EDM加工更加精确，从而消除模具元件以后的返工现象。

2.收缩率和翘曲度问题

在注塑成型以后，塑料件往往会发生收缩和翘曲现象。经验丰富的模具制造商会在他们的设计过程中，考虑到补偿问题，但模具往往需要在第一次注塑后进行大量的修正工作。从理论上来说，如果型腔和模具插件的尺寸越接近CAD模型，那么对于一个原型模具而言，其收缩率和翘曲度不会发生严重的变化。由于生产的可变性不再是一个较大的问题，因此采用设计补偿方式对这些问题进行修正是比较容易的。Prill先生说：“现已证明这个理论与实际相符”。

3.缩短产品开发周期

其中有三个注塑成型元件对确保水表长期、稳定的计量精度最为关键：上计量室、下计量室和摆盘。当水流通过计量室时，摆盘开始旋转，并对流水进行计量。其精密雕琢的几何形状，以及这些元件的匹配性都关系到水表的计量精度和Badger Meter公司系列产品的经久耐用性。

要达到长期、稳定的计量性能和最佳的几何形状，这是一项很费时间和资金的加工工艺。它涉及到系统的原型制造问题，接着是现场的试验，产品的优化，然后又是多次反复的现场试验，一直到正确的设计。为了防止盲目臆想的工作，机上检测技术帮助Badger公司对每个元件进行快速的珩磨，使其达到理想的几何形状。其结果是大幅缩短了产品的开发周期。

4.模具到模具的可变性

采用新的高速加工和机上检测策略也有助于解决模具到模具的可变性问题。生产真正完全一致的模具，提高了Badger Meter公司的生产灵活性，让他们可以自由地使用互换性很好的零件，不管其生产的是什么样的注塑机或模具。

他们仍需要更长的时间关注这个问题。“在两年内，如果销售额上升，我们还将需要增加另外一套工具，我们已经拥有了CAD模型，而且制造每一个元件的生产工艺都已经得到了验证。我们必须能够制造完全符合尺寸要求的成品模具，而不需要再进行任何微调。如果其中有一个模具在生产中遭到损坏，我们知道它的尺寸和特点，可以对其进行修理，使其重新成为符合尺寸要求的合格产品”。

因此，除了帮助Badger公司将产品更快地推入市场之外，采用机上计量检测技术，将有助于减少模具的更换周转时间，降低其长期的成本费用。