（化工过程机械专业论文）电火花成型加工电极辅助设计与加工仿真系统的开发.pdf

浙汀大学硕士学位论文摘要 摘要 随着社会产品小型化和精密化程度的提高，电火花成型加工技术作为现代制 造技术发展趋势之一被广泛应用于航空航天、医学、传感器、精密模具等方面。 但在电火花成型加工的实际应用中遇到电极设计效率低下、电极设计完成后难以 判断所设计的电极能否加工出所需型腔等问题。 电极设计属大公司作业分工的重要一环，且电极设计的效率和好坏直接影响 电火花成型加工的速度和质量；同时，传统检测电极设计质量的途径是机床试模， 显然，此种方法费时费力，得不偿失。因此，如何快速高效的设计电极、快速得 知电极设计质量成为电火花成型加工研究的一大重点。而目前广泛应用于工程设 计及制图的大型三维c a d c a m c a e 软件u gn x 却无专门的电极设计模块，基 于此本文提出了基于u g n x 二次开发技术的电极辅助设计与加工仿真系统。 本文参考了其它三维设计软件，如p r o e n g i n e e r 、p o w e r m i l l 、c i m a t r o n 等在电极设计方面的功能，并根据u gn x 三维设计的特点，利用v c + + ，结合 u g n x 提供的二次开发工具o p e n a p i 、m e n u s c r i p t 、u i s t y l e r 等，设计开发了电 极辅助设计与加工仿真系统。 本文完成的主要工作有： 1 ) 深入企业调研，完成系统需求分析。系统需求分析是软件开发的重要基 础工作，是保证系统满足实际用户需要的必须。本文从系统开发平台及语言、系 统功能等方面进行详细的分析。 2 1 在完成系统需求分析的基础上，本文详细介绍了系统实现过程中的若干 关键技术。作为一个工程应用软件，系统功能的实现依赖于若干关键技术的实现， 本文详细介绍了其中四个：二维封闭环识别技术、电极快速建模技术、非均匀偏 置补偿技术和加工仿真技术。 3 1 从系统功能和数据结构两个方面介绍了系统实现过程。在系统实现的基 础上，本文使用无锡某精密模具有限公司一个电火花成型加工实例详细介绍了本 系统的结构设计以及功能实现、操作步骤等。 实际使用和试验对比显示，本系统有效的提高电极设计效率，同时降低型腔 误差，有效节约生产成本。 关键词：电火花成型加工；u g 二次开发；电极设计；加工补偿；加工仿真 浙江大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t w i t ht h es o c i a lp r o d u c tm i n i a t u r i z a t i o na n dp r e c i s i o n ，t h ed e g r e eo fi m p r o v e m e n t i ne d mt e c h n o l o g ya so n eo ft h et r e n d so fm o d e mm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yh a s b e e nw i d e l yu s e di n a e r o s p a c e ，m e d i c i n e ，s e n s o r s ，p r e c i s i o nm o l d sa n ds o o n h o w e v e r , i nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fe d m ，l o wi n e f f i c i e n c yt ot h ed e s i g no f e l e c t r o d e a f t e re l e c t r o d ed e s i g nh a sb e e nc o m p l e t e d , i ti sh a r dt od e t e r m i n ew h e t h e r t h ee l e c t r o d ec a np r o d u c et h er e q u i r e dc a v i t y e l e c t r o d ed e s i g ni sa l li m p o r t a n tp a r to fal a r g ec o m p a n yo p e r a t i n gd i v i s i o n ，a n d t h ee l e c t r o d ed e s i g nh a sad i r e c ti m p a c to nt h ee f f i c i e n c yo fe d m s p e e da n dq u a l i t y a tt h es a m et i m e ，t h et r a d i t i o n a lm e a n so f t e s t i n gt h eq u a l i t yo f e l e c t r o d ed e s i g ni st h e m a c h i n et e s tm o d e ，i ti sc l e a rt h a ts u c hm e t h o d si st i m e - c o n s u m i n ge f f o r t ，n o tw o r t h t h ec a n d l e t h e r e f o r e ，h o wf a s ta n de f f i c i e n td e s i g no fe l e c t r o d e s ，e l e c t r o d ed e s i g n q u a l i t yq u i c k l yl e a r n e da r et h ef o c u so ft h es t u d y a tp r e s e n t ，w i d e l yu s e di n e n g i n e e r i n gd e s i g na n dg r a p h i c sw i t hl a r g e - s c a l et h r e e - - d i m e n s i o n a lm e c h a n i c a lc a d c a m c a es o f t w a r eu g n xh a sn os p e c i f i ce l e c t r o d ed e s i g nm o d u l e ，s ot h i sp a p e r p r e s e n t se l e c t r o d e a i d e dd e s i g na n dm a c h i n i n gs i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nu g n x s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g i e s i nt h i s t h e s i s ，t h ef u n c t i o n so fe l e c t r o d ed e s i g no fs o m e3 ds o f t w a r ea r e r e f e r e n c e d ，s u c ha sp r o e n g i n e e r , p o w e r m i l l ，a n dc i m a t r o ne t c a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so f3 dd e s i g no fu gn x ，u s i n gv c + + ，c o m b i n i n gt h es e c o n d a r y d e v e l o p m e n tt o o l sm e n u s c r i p ta p i ，u i s t y l e rw h i c hu g n xp r o v i d e d ，d e s i g n e dt h e d e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o d ec o m p u t e r - a i d e dd e s i g na n dm a c h i n i n gs i m u l a t i o n s y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h em a i na c c o m p l i s h e dw o r k sa r e ： 1 ) i n - d e p t hc o m p a n yr e s e a r c h ，c o m p l e t e do ft h es y s t e mr e q u i r e m e n t sa n a l y s i s s y s t e mr e q u i r e m e n t sa n a l y s i si sa ni m p o r t a n tb a s i sf o rs o f t w a r ed e v e l o p m e n tw o r k i t c a l le n s u r et h a tt h es y s t e mm u s tm e e ta c t u a lu s e rn e e d s t h i st h e s i sg a v ead e t a i l e d a n a l y s i s o nd e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dl a n g u a g ef r o mt h es y s t e m , t h es y s t e m f u n c t i o n s v n 浙江大学硕士学位论文 摘要 2 ) o nt h eb a s i so fs y s t e m a t i ca n a l y s i s ，t h i sp a p e rd e s c r i b e si nd e t a i lt h ek e y t e c h n o l o g i e so ft h es y s t e mi m p l e m e n t a t i o n a sa l li n t e g r a t e de n g i n e e r i n gs o f t w a r e a p p l i c a t i o n ，s y s t e mf u n c t i o n st oc o m et r u ed e p e n d so nan u m b e ro fk e yt e c h n o l o g i e s ， t h i s a r t i c l ed e t a i l st h ef o u ro ft h e m ：t w o d i m e n s i o n a lc l o s e dl o o pi d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y , e l e c t r o d er a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , n o n u n i f o r mb i a sc o m p e n s a t i o n t e c h n o l o g ya n dp r o c e s ss i m u l a t i o nt e c h n o l o g y 3 ) f r o mt h es y s t e mf u n c t i o n sa n dd a t as t r u c t u r e sd e s c r i b e dt w oa s p e c t so f s y s t e mi m p l e m e n t a t i o n i nt h es y s t e mi m p l e m e n t a t i o n , b a s e do nt h ea r t i c l eu s e sa p r e c i s i o nm o l dc o ，l t d w u x ie x a m p l e sd e s c r i b e di n d e t a i lt h es t r u c t u r eo ft h e s y s t e md e s i g na n df u n c t i o n a li m p l e m e n t a t i o n ，s t e p s ，e t c c o m p a r i n gt h ea c t u a lu s ea n dt e s t i n g ，t h i ss y s t e me f f e c t i v e l yh a si m p r o v e d e l e c t r o d ed e s i g ne f f i c i e n c y , w h i l er e d u c i n gt h ec a v i t ye r r o r s ，e f f e c t i v e l ys a v i n gt h e c o s to fp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ；u gs e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ； e l e c t r o d ed e s i g n ；p r o c e s sc o m p e n s a t i o n ；p r o c e s ss i m u l a t i o n 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：獬 签字日期：汐p年 弓月。黟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝垄盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权澎姿苤堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者繇际求痰 签字日期：砂叼。年p 岁月。孑日 i v 导师签名： 签字日期：乒j d 年哆月( ) 名日 浙江大学硕+ 学位论文致谢 致谢 值此硕士论文完成、即将离开校园、踏上社会之际，回首研究生两年半的学 - - j 与生活，我心中万分激动。在此向给予我指导、帮助的老师、同学以及亲人们 致以我最诚挚的谢意! 首先，真诚的感谢我的导师一一单岩副教授。单岩副教授在我攻读硕士学位 期间，不管是在学 - j 上，还是在生活上，都给予我悉心的指导和无尽的关怀，使 我在此期间得到充分的锻炼和提高。单老师不仅以他渊博的知识、独到的见解使 我受益匪浅，更因为他严谨的治学态度、忘我的工作精神和锐意进取的事业心使 我深受感触，这些都使我终身收益。在此，忠心的祝愿单老师及其家人在以后的 日子里工作顺利、身体健康。 感谢所里另一位老师蔡娥副研究员。蔡老师踏实、严谨的科研作风，对学生 无私奉献的精神深深的感动着我。忠心的感谢蔡老师在研究生两年半的时间里对 我学习上的指导以及生活上的关怀；感谢无锡某精密模具有限公司的蒋工，在课 题进行期间对我的帮助和指点，从中我学到了许多在学校无法学到的实践知识。 感谢化机所的所有老师和同学，工业造型与产品设计实验室的章烈老师、吴 纬纬硕士、平芳硕士、嵇艺吉硕士、古立福硕士、赵悦硕士和苗盈博士! 虽然求 学的道路是漫长和艰辛的，但因为你们的陪伴，我的学 - - j 和生活变得如此多彩， 感谢你们在这两年多的时间里对我的帮助和关心! 感谢朋友史艳会在我写毕业论 文期间对我的照顾与帮助! 我衷心祝愿他们在今后的工作和学习中一帆风顺。 同时还将以本文献给养育我关爱我的母亲、姐姐、哥哥和所有关心我、支持 我的亲朋好友，正是你们对我的无尽的爱、无私的付出以及博大的包容，才使我 克服种种困难，顺利完成学业! 感谢男友娄相芽在毕业设计的半年里给我的鼓励 与支持! 再次向所有关心、支持、帮助、指导过我的老师、朋友和亲人表示我最诚挚 的感激和衷心的谢意。 陈扣杰 二零一零年一月 于求是园 v 浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 随着国民经济和科学技术的发展，人们对产品精密化和小型化的要求也越来 越高，微细加工技术作为现代制造技术发展两大趋势之一，在航空航天、医学、 传感器、精密模具、生物技术、微电子器件制造等方面有着广泛的应用。 电火花加工技术作为一种实用的特种加工技术，具有设备简单、可实施性强 等特点，在微细轴、孔加工及微三维结构制作，尤其是对难切削导电材料、难加 工结构的成形，已经显示出了相当大的发展潜力【1 1 。由于电火花成型加工属于非 接触式加工，加工过程没有切削力的附加影响，非常适合于小尺寸零件的成形。 目前，不论是在国内还是国外，这种加工技术都日益受到重视【2 1 。 但是，电火花成型加工在模具设计应用中也遇到一些问题，使其使用效率大 大降低。其中一个主要问题是：电极结构复杂，使得电极设计效率低下，同时在 电火花成型加工过程中，由于放电间隙和平动量的存在，电极需要根据不同的平 动方式进行几何补偿，平动补偿和放电间隙使得电极设计更加复杂，也因此设计 人员需要花很大的精力，针对不同的平动加工方式对电极进行补偿。这也使得电 极设计效率大大降低，并且有时会出现错误补偿，导致电极设计失败。 设计中的另一个重要问题是：电极设计结束后，设计人员希望尽可能快地得 到由所设计的电极加工出来的模具型腔，以此对电极的设计做出评估。而传统的 方法是：在电火花成型加工机床上进行试样加工，之后进行测量评估，根据评估 结果对电极进行修改，然后再进行试模，如此反复。显然，这样做费时费力费资 源，得不偿失。 鉴于此，本课题提出了“电火花成型加工电极辅助设计与仿真系统”的构想。 针对电火花成型加工过程中电极设计、加工补偿和加工仿真的实际需求，开发出 一套集电火花成型加工电极辅助设计与电火花加工仿真于一体的系统软件。 1 1电火花成型加工 1 1 1电火花成型加工原理 电火花成型加工，即“e d m ”( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g 的缩写) ，是 一种利用火花放电时产生的腐蚀现象对材料进行尺寸加工的方法。电火花加工是 在液体介质中进行的，机床的自动进给调节装置使工件和电极之间保持适当的放 电间隙，当电极和工件之间施加很强的脉冲电压( 达到间隙中介质的击穿电压) 浙江大学硕士学位论文绪论 时，会击穿介质绝缘强度最低处，如图1 - 1 所示由于放电区域很小，放电时问 极短，所以，能量高度集中，使放电区的温度瞬时高迭1 0 0 0 0 - 1 2 0 0 0 c ，工件表 面和电极表面的金属局部熔化、甚至汽化蒸发局部熔化和汽化的金属在爆炸力 的作用下抛入工作液中，井被玲却为盎属小颗粒，然后被工作液迅速冲高工作区， 从而使工件表面形成一个微小的凹坑一次放电后，舟质的绝缘强度恢复等待下 一次放电如此反复使工件表面不断被蚀除，并在工件上复制出电极的形状，从 而达到成型加工的目的 固1 = i 电火花加工原理 电火花加工技术诞生干1 9 4 3 年，主要是围绕着横具的需要发展起来的，因 其特殊的加工能力( 如高硬度材料加工非接触加工、狭窄型腔加工等等) 而成 为模其制造中必备的加工技术和最常用的加工方式之一如日丰名古屋金型是一 家专业生产汽车前后尾灯灯罩注塑模具的企业，其2 0 多台加工设备中电火花成 型加工设备约占tl 3 电火花成型加工的最大特点是适合于单件生产，这个特 点符合当前人们需求多样化的要求 电大花成型加工是模具成型加工的重要手段，在模具加工成本中往往占有很 大的比重，在某些具有复杂成型表面的横具产品中甚至可高达6 0 e 1 上。 电火花成型加工的主要应用形式是电投利用电火花放电对型腔进行加工。王 要有如下特点：型腔形状复杂、精度要求高、表面粗糙度低；对型腔的加工一般 为盲孔加工，工作藏循环和电蚀物排除比较困难，电极的损耗不能进给补偿：加 工面积变化大，电极损耗不均匀，对加工的精度影响太 园此，电火花成型加工鞍传统机械加工更能适应对具有高熔点、高硬度、高 强度，高脆性、高粘性和商纯度等性能的新材抖的加工需求 1 12 电极加工方法 常甩的加工方法主要有单电极平动法、多电极更换法和分解电板加工浩等 浙 ：【大学硕士学位论文绪论 单电极平动法是使用一个电极完成型腔的粗加工、半精加工和精加工。加工 时根据先粗加工后精精加工的顺序改变加工参数，同时加大电极的平动量，以补 偿前后两个加工参数之间的放电问隙差和表面误差，实现型腔的“仿形”，完 成整个型腔的加工。单电板平动法加工只需要一个电极，一次装夹，便可达到较 高的加工精度，同时，由于电极的平动改善了工作液的供给和撵屑条件，使电板 损耗比较均匀，加工过程比较稳定缺点是不能免除早动本身造成的几何形状误 差，难以达到高精度。 多电极更换法是依次更换多个形状相似、尺寸有差异的电极来加工同一个型 腔每个电扳都对型腔进行加工，但采用不同的加工参数。多电极更换法加工 型腔的精度鞍高，尤其适用于多尖角、多窄缝等精密型腔和多型腔模具的加工 这种方法加工精度高、加工质量好，但要求电极的尺寸一致性要好，制造精度高， 更换电极时要保证一定的重复定位精度 分解电极涪是上进两种方法的综合应用。先用主电极加工型腔主体，后用剐 电极进行清角，适奢于复杂型腔的加工。 电极设计的主要内容是选择电极材料、确定电极结构形式与尺寸等电极的 尺寸是根据型腔的大小形状、加工方式、放电问隙、电极损耗瞄及朴偿方式和补 偿量来决定的 1 l3 电火花成型加工补偿原理 理论上，电极的外髟与模具型胜的外形是耦合的，但是在实际的电火花成型 加工中，为了改善工作液的排屑条件，井获得较好的表面加工质量和更高的加工 精度，经常采用电极平动的加工方式，即除了主轴电极的z 向进给外，工件所在 工作台按一定轨迹做微量x y 平面运动【，然而平动加工必然导致被加工的型腔 面偏离设计目标【川，如图1 2 所示 函。 图l 也电极平动导致型腔尺寸的偏高 因此，为了保证模具型腔的精确加工，有必要对电极的表面形状按照早动方 3 浙江大学硕士学位论文 绪论 式、平动距离进行补偿。但是由于电火花加工机理的复杂性，电极平动所造成的 加工误差仍无法得到有效解决。现有的解决方案是凭经验进行手工修配，虽然这 样可以在一定程度上降低加工误差，却无法保证加工质量的稳定性，而且延长了 产品的制造周期，提高了生产成本。电极平动补偿技术的滞后已成为电火花成型 加工技术发展的一个瓶颈。 1 2国内外研究现状 随着社会的进步、经济的发展以及人们对精密化的需求，电火花成型加工技 术越来越受到世界各国的重视，其发展也非常迅速，如今国内外的电火花加工进 入实用阶段已有数十载。 国内外围绕着电火花加工电极设计、电极补偿和加工仿真等问题进行了许多 有益的研究，取得了丰硕的成果。 1 2 1 电极辅助设计模块的研究现状 近年来，随着c a d 技术的发展，电极的设计的准确度以及设计效率均有大 大的提高。c i m a w o n 、p o w e r m i l l 、u g 等软件中设有电极设计模块，大大提高 了电极设计速度，为电极设计提供有效的途径，大大缩短了设计人员设计电极的 时问，使得整个电火花成型加工的周期大大缩短。 作为一个集成的c a d c a m 产品， c i m a 仃o ne 以其简单易用统一的界面从 结构设计零件设计、到模具设计、电极和加工提供了一个完整的解决方案。电极 设计( 快速电极) 遵循着与模具设计相似的流程，能更方便快捷地识别放电区域 并抽取电极。 p o w e r m i l l 中的p s e l e c t r o d e 是一简化后的自动电极产生模块，其功能不 是非常丰富，使用该模块可设计较简单的电极，但不能对电极进行精细处理，因 为它不具备p o w e r s h a p e 提供的全部功能。 p r o e n g i n e e r 没有提供独立的电极设计模块，在设计电极的过程中操作 比较烦琐。通常是在p r o e n g i n e e r 的装配模块下，对需要进行电极加工的工 件手工绘制电极三维毛坯实体图，然后再以工件为参照，利用布尔运算来设计出 电极，最后得到电极工程图。华南理工大学的刘斌、刘荣亮等人开发了基于p r o e 二次开发的电极设计模块【川 u g 在m o l d w i z a r d 模块中有电极设计功能，其放电部分的成型是通过布尔 4 浙汀大学硕士学位论文绪论 运算来实现，与传统的设计方法相比， 电极设计的速度有了很大提高。但其专 业性较低、步骤繁琐，远远不能满足电极设计者的要求。 1 2 2电极加工补偿的研究现状 电火花加工一般分为粗加工和精加工，当然也可以根据精度要求对加工过程 进一步细化。在使用电火花精加工时，往往需要同时对电极做不同类型的平动， 这样做的目的是为了使得被加工工件具有更光滑的表面和更高的加工精度。但是 这样做也带来了问题，不同类型的平动会使得电极与所需加工结果( 型腔) 出现偏 差，而这种偏差往往是非均匀的，因此通过一定的手段来进行补偿。同时对于电 火花成型加工补偿的研究也是国内外学者研究的重点。 西安交通大学员敏于源等人提出了基于八叉树模型的电极补偿损耗补偿算 法【1 5 1 ；哈尔滨工业大学王朝新等人应用放电时的能量关系，建立了电极损耗的基 本模型，并在电火花加工机床上对电极损耗模型进行了实验验证，提出了电火花 加工中的电极损耗补偿策略，包括减小电极损耗、对损耗后的电极进行修整、更 换电极以及电极损耗的在线补偿 1 叼；浙江大学化工机械研究所的谢龙汉等，提出 了基于n c 技术的电极平动补偿方法；浙江大学化工机械研究所单岩、王刚等人 对电火花成型加工中的电极曲面非均匀偏置补偿做了系统的研究，解决了一定加 工条件下的电极平动补偿问题【1 刀；上海交通大学王长法，顾琳，蒋毅等人研究了一 种根据有效放电脉冲次数来进行实时补偿的方法设计了基于可编程逻辑控制器 ( c p l d ) 的微细电火花补偿控制电路【1 8 】。国外对于电火花成型加工补偿的研究成 果还有k a t h o l i e k eu n i v e r s i t e i tl e u v e n 的b l e y s ，e 对电火花成型铣削加工中的实时 补偿做了深入的研究【1 9 1 。在解决电火花成型加工补偿方面，也有学者尝试用其他 手段解决电火花成型加工牢i 、偿的方法，例如使用运动控制器对电火花成型加工进 行容积补偿。国外也有类似对电极补偿的研究，例如通过研究控制电极加工路径 起到加工补偿的作用 2 0 1 。 1 2 3电火花成型加工仿真的研究现状 对于电火花加工仿真的研究，国内外均具有较多的实例。清华大学韩福柱通 过对放电点的探索、工件的去除以及对线电极丝振动的分析，开发出加工仿真系 统；西安交通大学员敏于源等人将零件实体的c s g 模型或b r e p 模型转换为相 应的混合式八叉树数据结构，并在这一混合式八叉树模型的基础之上进行仿真 浙汀大学硕士学位论文 绪论 【1 5 1 ；南京航空航天大学的刘绍琼等人设计并实现了基于实体造型法的电火花线切 割仿真模块，此模块可进行动态模拟加工过程，并可显示最终的仿真结果 2 1 1 。北 京邮电大学和清华大学开发出基于p r o e 的电火花线切割曲面加工仿真软件，其 主要目的为计算出电极丝的位姿、生成机床进行曲面加工所需要的n c 指令代 码。但其针对于电火花加工中的线切割，而不能适用于电极加工，且其平台为 p r o e ，不能满足某些特定用户的需求。 但是对于单纯的加工仿真来说，研究的意义并不大，大多作为电火花加工的 参考，于是有些学者把电火花加工仿真加入到电火花加工的设计、工艺参数管理 等系统中去，使用者可以通过计算机仿真了解加工的结果，使得电火花加工的流 程管理更加完美。大连理工大学的周燕等，研究了电火花加工金属钛，由于金属 钛的加工比较特殊，作者使用了基于神经网路学习算法，对电火花加工钛的参数 进行了优化，并能使用优化的参数在计算机上进行仿真，这样就保证了优化可靠 性【2 2 1 ；武汉理工大学的程化一等，研究了套料电火花加工与传统电火花加工的工 艺参数区别，为了能够使得用户能方便的使用套料电火花加工工艺，作者也使用 了加工仿真的方法，使得设计人员能够在实际加工前知道选用的参数是否能够得 到正确的结果【2 3 1 。 综上所述，国内外均展开了对电火花成型加工电极设计、加工补偿方面的研 究，是电火花成型加工研究的主要发展趋势，同时加工仿真也具有举足轻重的作 用。现有的研究主要关注于加工补偿。而关于电火花成型加工电极的设计与加工 补偿方面的模块非常欠缺，尤其是基于u g 平台的电极设计模块非常不成熟。因 此基于u g 二次开发技术的具有电极设计功能、复杂加工补偿、加工仿真于一体 的电火花成型加工系统就显然非常重要。 1 3本文研究的主要内容 本课题的主要内容是基于u g 平台，利用u g 二次开发语言，根据用户需求， 开发出电火花成型加工电极辅助设计与加工仿真系统。本文主要研究内容如下： 1 1 电极快速建模 本功能有三种方式实现电极的快速建模：一种是根据电极二维图纸，人机交 互式提取电极截面轮廓，根据用户设置的具体参数生成电极三维模型；另一种是 根据电极三维轮廓提取最小包围盒，再根据用户设置的具体参数生成三维模型； 6 浙汀大学硕士学位论文 绪论 最后一种是从已经做好的电极库中直接导入三维模型。 2 ) 电极平动补偿 本功能有两种实现方式：一种是对二维电极截面的封闭环进行平动补偿；另 一种是对三维电极模型进行加工补偿。 3 1 电火花成型加工仿真 在计算机虚拟环境中进行加工仿真，需定位毛坯和电极，指定加工参数、加 工顺序以及其他加工参数，模拟加工过程。模拟过程是人机交互的，用户可以根 据需要随时中断或终止加工过程；也可以实现加工任一过程的查看、参数修改等。 4 、辅助功能 本系统除了主要功能外，还进行了一些辅助功能的开发，如电极定位、电极 阵列、电极库、加工参数的导入、导出等。 5 ) 系统加密 对系统进行了加密处理，只有通过解密才能在特定的计算机上运行。 1 4章节安排 本文详细介绍了“电火花加工电极快速建模与加工仿真系统”的设计与实 现过程，内容安排如下： 第一章“绪论”部分，介绍了电火花成型加工的基本原理，电极的设计，综 合分析国内外电极设计软件、电极加工补偿、电火花成型加工仿真研究与应用现 状，同时还介绍了本文主要研究内容以及章节安排。 第二章“系统功能需求分析”部分，从用户实际需求出发，并结合现有相关 功能应用模块分析系统开发需求；同时本文还分析系统所依托的相关开发平台， 系统开发技术和系统开发进行了分析。 第三章“系统关键技术”部分，介绍了本文所涉及到的若干关键技术，包括 技术难点、技术实现等。若干技术包括二维封闭环识别技术、电极快速成型技术、 非均匀偏置补偿术、加工仿真技术等。 第四章“系统结构与应用实例”在第三章关键技术的基础上介绍系统结构以 及设计实现；再以无锡某精密模具有限公司的一个电火花加工实例，详细介绍了 本系统的电极辅助设计、加工仿真的详细过程。 第五章是系统开发的总结与展望。 浙江大学硕士学位论文系统需求分析 2 系统需求分析 系统需求分析是软件开发的重要基础工作，全面且科学的需求分析是软件开 发成功的基础。对于经过可行性分析确定要开发的软件项目，通过需求分析，可 以明确用户对软件系统的各项功能要求，同时为系统框架的建立确定方向。 本文开发的系统主要应用于企业加工精密模具过程中的电极设计阶段，因此 通过对相关企业的调研，并分析电极设计过程中的具体需求，将分析结果作为系 统开发的重要技术依据，确保开发出来的系统符合用户的需求。并通过用户需求 分析确定系统架构，使系统的总体目标具体化。 本项目开发的目标是实现电火花成型加工电极快速建模、加工补偿、加工仿 真功能。本章将根据企业对电火花成型加工电极设计、开发和生产的实际需要对 电火花成型加工电极辅助设计与加工仿真系统进行功能分析。 2 1系统开发平台 2 1 1 三维软件平台分析 u gn x 软件是美国e d s 公司( 现已被西门子公司收购) 的一套集 c a d c a m c a e p d m p l m 于一体的软件集成系统。c a d 功能使工程设计及制 图完全自动化；c a m 功能为现代机床提供了n c 编程，用来描述所完成的部件； c a e 功能提供了产品、装配和部件性能模拟能力。p d m p l m 帮助管理产品数据 和整个生命周期中的设计重用。 运用u g 功能强大的复合式建模工具，设计者可根据工作的需求选择最适合 的建模方式；关联性的单一数据库，使大量零件的处理更加稳定。除此之外，。装 配功能、制图功能、数控加工功能及与p d m 之间的紧密结合，使得u gn x 软 件在工业界成为的高端p d m c a d c 删c a e 系统之一。 u g 进入中国以来，业务有了很大的发展，中国已成为远东区业务增长最快 的国家。几年来，u g 在中国的用户已超过8 0 0 家，装机量达到3 5 0 0 多台套。 作为三维c a d 建模的最重要工具软件之一的u gn x 软件。 基于u g 在中国的较大的使用率、良好的发展趋势，本文选择u gn x 为三 维c a d 平台。 2 1 2 开发语言分析 如前文所述，u g 在企业中得到广泛使用，但在软件的具体操作使用过程中， 浙江大学硕士学位论文系统需求分析 在不同的应用领域，如汽车覆盖件冲压模具的设计，如果采用系统提供的完全交 互式功能虽然可以完成开发设计任务，但是由于许多常规性的工作未能实现自动 化，同时已有的设计经验和成功事例没有集成到交互式系统中，因此具体的产品 设计和开发效率非常低，而u g 二次开发则为弥补这一缺陷，进一步提高设计效 率提供了可能。 u g 二次开发提供了两种语言模块( u g o p e ng r i p 、u g o p e na e i ) n 种辅 助开发模块( u g o p e nm e n u s c r i p t 、u a o p e nu i s t y l e r ) 弘2 5 1 。 1 ) u g o p e ng r i p u g o p e l lg r i p 是u g 提供的二次开发语言模块，也具有外部高级开发语言 的接口。g r i p 是u g 的内嵌语言，能够实现强大的图形绘图、装配、工程图的 生成和一定的文件管理功能，主要进行u g 的功能调用。 2 1u g o p e na p i u a o p e n a p i 是u g 提供的另外一个二次开发语言，也具有外部高级开发语 言接口。t j g o p e l l a p i 程序所能实现的u g 功能与u g o p e n g r i p 程序大致相同， 不同的是，u g o p e na p i 程序是用c 语言编写的，因此，它除了能够在u g 环境 下对u g 进行功能调用外，还能在程序中使用c 语言支持的全部功能，并且支持 对u g o p e ng r i p 程序的调用，且有很大的灵活性。u g o p e n a p i 提供的u g 功 能全部包含了不同的u g 功能( h 文件) 的形式保存在u g 安装目录下的u g o p e n 目录中，不同的头文件包含了不同的u g 功能。如u f h 文件包含了u g 接口，任 何u g o p e na p i 程序都必须包含这个头文件；u fu i h 文件包含了简单的对话框 功能。其他功能如三维建模、二维制图、图层管理等都有相应的头文件。由于与 各种c 语言编辑环境( 如t u r b oc 、v c 等) 都有良好的兼容性，u g o p e n a p i 程序 的使用范围最为广泛。本课题采用u g o p e l l a p i 也是考虑到其与v c 良好的通用 性和兼容性。 3 ) u g o p e nm e n u s c r i p t 和u g o p e nu l s t y l e r 除了上面提到的两个二次开发模块外，u g o p e l lm e n u s c r i p t 模块和u g o p e n u l s t y l e r 模块对于u g 的二次开发有重要的辅助作用。 u g o p e nm e n u s c r i p t 模块是u g 提供的专用模块，主要用于制作用户菜单。 用户菜单的生成有两种方式，第一种是重新生成，并替换u g 标准菜单，第二种 9 浙江大学硕士学位论文系统需求分析 是对标准u g 菜单进行编辑，从而生成自己的菜单。其中对标准u g 菜单进行编 辑的方式手段灵活，语言简洁，可以满足大部分的用户需求。 u g o p e n u i s t y l e r 是u g 提供的专用模块，主要用于对话框的制作，实现u g 的参数化绘图。u g o p e l lu l s t y l e r 程序是在u g 环境下开发的。在u g 菜单中点 a p p l i c a t i o n - - ) u l s t y l e r 就可以进入对话框编辑界面。使用u l s t y l e r 的编辑工具，可 以生成包含数据输入、文字输入、选择框、按钮、图片等要素的对话框，可以实 现这些要素的任意组合，完全符合u g 风格，完全支持u g 操作。编辑完成后， 生成一个c 语言文源文件( 幸c 文件) 、一个c 语言头文件( 宰h 文件) 、一个u g 的 对话框文件( 木d l g 文件) 。其中，c 语言源文件和头文件需要与u g o p e n a p i 程序 相组合，编制成动态链接库文件( 车d l l 文件) 。在使用用户自定义的对话框时，所 生成的动态链接库文件和u g 对话框文件必须存放在用户目录下的a p p l i c a t i o n 目 录下。 2 2电极辅助设计 由电火花成型加工的基本原理可知，电极设计是电火花成型加工的前提，在 电火花成型加工中占有很大的 匕重，同时也关乎电火花成型加工的成败。 电火花成型加工中电极的重要性，可以总结为以下两个方面 2 6 - 3 4 1 ： 1 ) 从模具本身材料的硬度考虑 因为模具成型产品的材料或产品本身其它方面的特殊要求，有些模具的材料 硬度很高，有时甚至与刀具的硬度很接近，对于这样的模具，如果用常规刀具进 行加工，势必造成刀具磨损讷大幅增加，甚至使得刀具毁坏；同时，常规刀具的 磨损也使得型腔难以达到加工要求。而用于电极的材料通常为铜，铜的材质相对 比较软，延展性很好。在实际加工中，铜的一些特性使得其加工比钢材容易很多。 而电火花成型加工的工作原理是火花放电，对被加工材料的硬度没有要求。所以， 电极的使用，使得电火花成型加有更广的使用范围。 2 ) 从电极形状来考虑 理论上来讲，电极的外形与模具型腔的外形是耦合的，这也是电火花成型加 工的基本要求。在模具成型加工中最为常用的加工方法就是利用铣床、加工中心、 雕刻机、线切割等方法对工件进行加工。对于铣床、加工中心和雕刻加工这三种 比较相似的加工方法，相同点在于都是用刀具进行受力加工，因为力的作用，考 1 0 浙江大学硕士学位论文 系统需求分析 虑刀具强度、刀具直径和刃长比例的限制，在实际中要加工比较深而且窄的成型 区域，采用刀具加工显然不太适合，而实际的产品造型中这种情形却非常普遍。 线切割加工虽然可以解决尖角问题，但它只能加工通孔的部位，如果是盲孔该方 法就不适合了。对于上述出现的难题，可以利用电火花成型来很好地解决。 在电极快速建模方面，国内外较权威的软件有c i m a t r o n 、u g 的m o l d w i z a r d 模块中的电极辅助设计功能。本节通过对c i m a t r o n 和u gm o l d w i z a r d 模块中的电 极设计功能进行分析，得出其在设计过程中存在的缺陷，针对这些缺陷提出开发 专门的具有电极辅助设计功能的系统软件的构思。 2 2 1 现有电极辅助设计功能 c i m a t r o n 是以色列c i m a t r o n 公司为工模具制造者提供的c a d c a m 解决方 案，是业界内公认的最优秀的c a d c a m 软件之一，而且是专门针对模具行业 定制的，因而成为目前在模具行业应用较为广泛的c a d c a m 软件。在我国珠 三角和长三角地区一带应用十分广泛，特别在模具企业中，有很高的市场占有率， 它的电极设计也是目前电极设计软件中较为成熟和完善的软件之一【2 6 1 。c i m a t r o n 电极设计主要是对产品的三维造型来创建电极的，是以电极在模具中需要放电区 域的一个反向模型为出发点，以精确地确定放电曲面来设计电极的。在c i m a t r o n 的电极设计中，最为突出的是可以使用向导方式进行对电极的设计，是一个逻辑 过程，拥有动态的友好的用户界面而且具有独特的灵活性，向导条可以引导用户 一步一步地完成所有的设计环节。向导条可以引导用户一步一步地完成所有设计 环节，如图2 - 1 所示。 浙汀大学硕士学位论文系统需求分析 选择电极区域 土 抽取曲面 上 i 选择毛坯基座和电极柄 上 创建边界 0 延伸曲面 上 创建图纸 图2 - 1c i m a t r o ne 电极设计步骤 p r o e n g i n e e r 没有提供独立的电极设计模块，在设计电极的过程中操作 比较烦琐。通常方法是在p r o e n g i n e e r 的装配模块下，对需要进行电极加工 的工件手工绘制电极三维毛坯实体图，然后再以工件为参照，利用布尔运算设计 出电极，最后得到电极工程图。 p