模具设计与制造中的设备精度控制

guolvfenlitech6

2025-05-29               环球过滤分离技术网                guolvfenlitech6

卢锡锦

（广西玉林技师学院 广西 玉林 537000）

摘要：为了提升模具设计与制造中的设备精度控制水平，本文对相关技术与策略进行了系统研究。通过数学分析论证、

模拟试验及现场试验等，重点使用 CAD/CAM 进行初步设计，应用有限元分析验证结构强度，最终通过优化算法提升

了设计精度。在模具制造阶段，采用数控系统配置优化、光学测量与反馈控制以及部署温度环境管控体系等策略，以

确保制造过程的高精度。结果表明，CAD/CAM 技术的应用提高了设计效率和精度，有限元分析有效验证了设计方案

的可行性，而精度优化算法则进一步提升了最终产品的精度。集成化的设计与制造精度控制技术和策略不仅提高了模

具的设计和制造精度，还增强了产品的市场竞争力。

关键词：模具设计；制造技术；设备精度

0 引言

维模型，并通过有限元分析和热分析预测和验证设    计性能。参数化建模允许快速调整设计，确保一致

模具设计与制造在现代工业生产中占据重要地 性和可靠性。CAM 技术将 CAD 模型转化为加工指令，

位，其精度会直接影响产品质量与生产效率。然而， 通过数控机床执行高精度制造。该过程包括刀具路

模具制造过程中的设备精度控制技术复杂且要求严 径生成、加工参数设置、仿真验证和数控代码生成，

苛。随着智能制造技术的快速发展，传统的设计和制 确保加工的稳定性和精度 [1,2]。

造方法已无法满足高精度、高效率的生产需求。因此， 1.2 有限元分析

在模具制造过程中，数控系统的配置优化是实现高 有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）是

精度加工的关键，通过硬件配置和软件控制的优化， 一种基于数值计算的方法，用于模具设计中的结构

实现设备的高效稳定运行。光学测量与反馈控制技 强度和变形分析。FEA 通过将复杂的几何结构分解

术通过实时监测加工过程中的误差，并进行动态调 为有限数量的简单元素，并对这些元素进行应力、

整，使加工精度得到提升。温度环境管控体系则通 应变和位移的计算，预测模具在实际工作条件下的

过对生产环境的温度控制，减少因温度波动造成的 性能表现 [3-6]。此方法能够识别设计中的潜在问题，

加工误差，确保生产过程的稳定性。 优化材料使用，减少试验成本，提高设计的可靠性

1 模具设计中的设备精度控制技术

和精度，是模具设计中不可或缺的重要工具。具体    分析步骤如下。

1.1 CAD/CAM 技术 位移向量表示如式（1）所示：

CAD/CAM（计算机辅助设计与计算机辅助制造） u=Nd （1）

技术通过数字化手段，实现模具设计和制造的集成 式中：u －位移向量；

化和自动化。CAD 技术利用软件进行模具的几何设 N －形函数矩阵；

计、参数化建模和精度分析，创建精确的二维和三 d －节点位移向量。

卢锡锦（1983.08-），男，壮族，广西贵港人，本科，高级讲师，研究方向：机械制造。

65

file:///C:/Users/picmi/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg机械制造与智能化 中国机械 2024 年 第 34 期

应变 - 位移关系如式（2）所示： 组成。

ε=Bd （2） 交叉操作如式（9）所示：

式中：ε －应变向量；    B －应变 -  位移矩阵。

pi'' =αpi'+（1-α）pj'

（9）

应力 - 应变关系（线弹性材料的本构关系）如式 式中：pi'' －交叉后生成的新个体；

（3）所示： α －交叉系数；

σ=Dε （3）

pi' 、pj' －参与交叉的两个亲本个体。

式中：σ －应力向量； 变异操作如式（10）所示：

D －弹性矩阵。    单元刚度矩阵如式（4）所示：

p（i t+1）=pi'' β・N（0,σ2）

（10）

（4）

式中：pi (t+1) －变异后的新个体；    β －变异系数；

式中：K(e) －单元刚度矩阵；

N(0,σ2) －均值为 0、方差为 σ2  的正态分布噪

V(e) －单元体积。

声。

全局平衡方程如式（5）所示： 终止条件判断如式（11）所示：

Kd=F （5）    式中：K －全局刚度矩阵；

（11）

F －节点外力向量。 式中：t －当前代数；

		通过上述公式，有限元分析将模具的复杂结构简		T    max －最大代数；
	化为可计算的有限单元，利用数值方法求解这些方			pbest－最优个体；
	程，预测模具在各种工作条件下的性能表现。			Fth－适应度阈值。

1.3 精度优化算法

通过这些优化算法的应用，能够在设计阶段确定

精度优化算法是通过数学模型和计算方法，对模 最佳参数组合，并在制造过程中进行动态调整，确

具设计和制造中的各项参数进行优化配置，以此达 保模具的最终精度符合预期要求。

到提高产品精度的目的。本研究主要应用遗传算法，    具体流程如下。

2 模具制造过程中设备精度控制策略

种群初始化如式（6）所示： 2.1 数控系统配置优化

（6）

目前主流数控系统在模具制造中的应用存在一    些问题，主要包括硬件配置不够精细、软件控制算

式中：P(0) －初始种群，由随机生成的 N 个个体 pi

法不够先进及环境监控手段不足，导致加工精度和

组成。 效率难以达到更高的要求。例如，传统数控系统的

适应性评估如式（7）所示： 滚珠丝杠和直线导轨存在较大导程误差和反向间隙，

gj (pi)

（7）

伺服电动机响应速度和控制精度有限。另外，传统    插补算法、误差补偿技术和自适应控制技术在实时

式中：f(pi ) －个体 pi 的适应度值；

调整和动态响应方面存在不足，难以适应复杂加工

wj －权重系数；

条件的变化。

gj (pi) －目标函数值。

为解决这些问题，本文展开精准控制优化策略。

选择操作如式（8）所示： 硬件配置方面，选择高精度滚珠丝杠和直线导轨，

		（8）		确保导程误差小于 5μm，反向间隙小于 3μm，摩擦    系数低于 0.005 ；选择高性能伺服电动机，它具备高
	式中：P'  (t)  －初始种群，由随机生成的 N 个个体 p    '    i			转矩和低惯量特性，编码器分辨率达到 0.1μm，从

66

file:///C:/Users/picmi/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpg2024 年 第 34 期 MACHINE CHINA 机械制造与智能化

而提升系统的响应速度和控制精度。软件控制方面， 系统无法精确控制加工环境的温度波动，而基本的

采用高级插补算法，将复杂曲线轨迹分解为微小直 冷却措施难以均匀散热，导致局部过热和温度梯度

线段或圆弧段，减少速度波动和位置误差，控制误 较大。

差小于 2μm ；误差补偿技术通过高精度传感器实时

为解决此类问题，本文通过部署精确的温度环境

采集数据，动态调整刀具位置和加工参数，补偿精 管控体系展开优化策略。其一，通过恒温控制系统

度达到 1μm ；自适应控制技术实时监测切削力、切

维持加工环境的温度稳定。恒温控制系统利用精密

削温度和振动，自动调整切削参数，切削参数调整 空调设备和加热设备，温度控制精度可达 ±0.1℃，

范围为 ±10％，确保加工精度在 3μm 以内。 确保加工环境的温度波动控制在 ±0.5℃以内。这

相较于传统策略，精准控制优化策略在硬件精度、 种精确的温度控制能够显著减少环境温度波动对设

软件算法和环境监控方面均有提升，能够更有效地 备和工件的影响，降低热变形的风险。其二，冷却

保证模具制造的高精度和高稳定性。 系统通过循环冷却液和冷却气体实现高效散热。冷

2.2 光学测量与反馈控制

却液通过管路系统循环流动，冷却效果精度控制在

在模具制造过程中，依赖传统测量方法和手工调 ±0.2℃，确保工件和刀具在较低温度下工作，减少

整，会存在多种问题，如测量精度有限、反馈滞后， 热应力和热变形。

以及调整过程中的人为误差等。此外，传统测量方 相比传统方法，精确的温度环境管控体系在温度

法采用接触式测量，存在测量速度慢、对工件表面 控制精度、热源管理和环境监控方面显著提升，能

造成轻微损伤的问题。 够更有效地控制加工过程中的热变形，提高模具制

为解决这些问题，本文采用光学测量与反馈控 造的精度和质量。

制技术展开精准控制优化策略。光学测量技术利用    激光扫描和干涉测量等非接触式手段，实现高精度

3 设备精度控制的案例分析

和高速度的工件表面测量。激光扫描仪的测量精度 3.1 案例概况

可达到亚微米级，并且能够快速获取工件表面的三 本案例分析选取了某航空发动机叶片模具的设计

维数据。干涉测量技术进一步提升了测量精度，通 与制造项目。该项目旨在提升叶片模具的制造精度，

过光波干涉原理，可以实现纳米级别的精度。反馈 以满足高性能航空发动机对叶片的严格要求。在模

控制系统将光学测量数据实时反馈至数控系统，实 具设计阶段，利用 CAD/CAM 技术进行数字化建模

现闭环控制。反馈控制系统通过高精度传感器采集 和优化设计，生成精确的三维几何模型。设计过程

加工过程中的实时数据，检测误差并立即进行补偿。 中的关键参数包括叶片的弯曲半径、厚度和角度，

误差补偿精度可以达到 1μm，保证加工精度的一致 弯曲半径控制在 ±0.02mm，厚度控制在 ±0.01mm，

性。通过光学测量与反馈控制技术，可以显著提高 角度误差不超过 0.1°。

模具制造的精度和效率。 在设计完成后，进入模具制造阶段，采用高精

相比于传统测量和调整方法，光学测量技术具有 度数控机床进行加工。数控机床配置高精度滚珠丝

高精度、高速度和非接触式的优点，有效避免了测 杠和直线导轨，导程误差小于 5μm，反向间隙小于

量误差和工件损伤；反馈控制系统通过实时数据采集 3μm，确保加工精度。加工过程中，切削参数设定为

和动态调整，实现了加工过程的闭环控制，消除了 切削速度 300m/min，进给速度 0.05mm/r，切削深度

人为调整带来的误差和滞后问题。 0.1mm。光学测量与反馈控制技术用于实时监测和调

2.3 部署温度环境管控体系 整加工过程中的误差，测量精度达到 0.5μm，反馈控

目前模具制造过程中的温度环境控制普遍依赖简 制系统的误差补偿精度为 1μm。通过这些技术手段，

单的空调系统和基本的冷却措施，但这种传统方法 确保叶片模具的最终制造精度满足设计要求，表面

存在温度控制精度不足、热源管理不完善及环境监 粗糙度控制在 Ra0.4μm 以内。

控手段有限等问题，导致加工过程中热变形难以有 3.2 精度控制效果分析

效控制，从而影响加工精度和产品质量。传统空调 为了验证优化措施的有效性，本文对比了模具制

67

file:///C:/Users/picmi/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.jpg机械制造与智能化 中国机械 2024 年 第 34 期

造优化前后的精度控制效果。表 1 展示了关键参数    的优化前后对比数据，包括加工精度、表面粗糙度

4 结语

和误差补偿精度。 本文对模具设计与制造中的设备精度控制进行

表 1优化前后精度控制效果对比 了系统研究，应用了 CAD/CAM 技术、有限元分析、

精度优化算法、数控系统配置优化、光学测量与反参数 优化前 优化后

加工精度 /μm±4.8 ±1.9馈控制，以及温度环境管控体系。本文通过集成多

表面粗糙度 Ra/μm 0.650.38 种先进技术手段，实现了模具制造过程的高精度控

误差补偿精度 /μm 3.2 1.1    刀具寿命 /h 150 215    切削速度 /（m/min） 280.5 302.3    加工时间 /h 12.3 8.7    温度波动范围 /℃ ±1.2 ±0.4    制，提升了产品质量和生产效率。数控系统配置优    化有效提高了设备的定位精度和响应速度；光学测    量与反馈控制技术实现了实时误差监测和动态补偿，    确保加工过程的精确性；温度环境管控体系通过稳    定加工环境温度，减少了热变形对加工精度的影响。

从表 1 的数据可以看出，优化后的加工精度显著 未来研究可着眼于更智能化的控制系统和更高精度

提高，从优化前的 ±4.8μm 提升到 ±1.9μm。这主要

的测量技术，以应对日益复杂和严格的模具制造要

得益于高精度数控机床和先进的误差补偿技术的应 求，持续推动制造技术的进步和应用。

用。表面粗糙度从优化前的 0.65μm 下降到 0.38μm，

表明加工表面的光滑度有了明显改善，符合高性能

叶片的要求。

参考文献

误差补偿精度的提升也非常明显，从 3.2μm 提升

到 1.1μm，这归功于实时光学测量与反馈控制技术的

[1] 张碧清 . 冷冲压模具的精度控制与表面处理 [J]. 模具制实施。刀具寿命从 150h延长到 215h，显示出优化后造 ,2023,23(12):281-282+285.

的切削参数设置和温度控制体系有效减少了刀具磨

[2] 时胤皓 . 模具加工精度控制技术研究与展望 [J]. 农业工损，延长了其使用寿命。程与装备 ,2023,50(05):58-59.

另外，切削速度从 280.5m/min 提升到 302.3m/min，

[3] 王波 , 贺兆正 . 机械模具加工制造的精度控制技术措施 [J].加工时间则从 12.3h减少到 8.7h，表明优化措施不仅产业创新研究 ,2023(04):141-143.

提高了加工效率，还缩短了生产周期。温度波动范

[4] 石旭东 . 汽车模具加工精度控制之在线测量技术 [J]. 锻围从 ±1.2℃减少到 ±0.4℃，进一步确保了加工过造与冲压 ,2023(04):32-34.

程中热变形对精度的影响降到最低。

[5] 刘 智 . 机 械 模 具 加 工 精 度 控 制 研 究 [J]. 内 燃 机 与 配综合以上分析，本文研究优化后的工艺在加工精件 ,2022(06):149-151.

度、表面质量、效率和设备寿命等方面都获得了改善，

[6] 李玉霞 . 机械模具加工精度控制探析 [J]. 内燃机与配验证了精度控制优化措施的优势和可行性。件 ,2022(03):211-213.

来源于：网络，侵权告删              www.guolvfenlitech.com