（机械电子工程专业论文）数控弯丝机线材成形软件设计.pdf

摘要 摘要 我国是一个金属线材制品生产大国。然而由于国产装备技术落后，国内金 属线材的成形加工主要以劳动力密集型的生产方式为主，采用简单的手动弯丝 模具，加上少许半自动的成形设备。智能型金属线材制品生产设备一般从发达 国家引进。由于进口产品价格非常昂贵，故使用的不多。因此开展国产数控弯 丝机的研发具有重要的现实意义。论文根据柔性制造的理念，采用v c + + 结合 o p e n g l 的方法进行了数控弯丝机线材成形软件的设计。论文主要包括以下几 个方面的内容： 一、根据柔性制造的理念，详细介绍了数控弯丝机的机构组成和各个功能 模块的划分。 二、通过分析线材折弯的数学模型，采用了一种离散化的数学建模方法， 完成了在二维平面和三维空间的普通折弯、弹簧折弯、锥弹簧和平面螺旋线等 多种几何线形的数学造型。 三、通过分析比较，确定了采用v c + + 结合o p e n g l 作为软件设计的技术 平台，设计了软件操作界面。完成了线材三维实体的缩放、平移、旋转、复位、 清屏功能模块和文件读取和保存功能模块以及输入键盘功能模块的开发。 四、建立了仿真机床的模型，并根据o p e n g l 动画的工作原理，结合离散 化变量的设置，完成了线材折弯和推弯过程的运动仿真。 关键词：金属线材；折弯；几何造型；运动仿真 a b s t r a c t a bs t r a c t c h i n ai sab i gp r o d u c e ro fm e t a lw i r ep r o d u c t s h o w e v e r , a sar e s u l to f d o m e s t i ce q u i p m e n ta n db a c k w a r dt e c h n o l o g y , t h em a j o rf o r m so fp r o d u c t i o no f m e t a lw i r ef o r m i n gi st h el a b o ri n t e n s i v ei no u rc o u n t r y , t h a ti s ，u s i n gas i m p l e m a n u a lw i r eb e n d i n gd i e ，a n ds o m es m a l ls e m i a u t o m a t i cf o r m i n ge q u i p m e n tm a y b eu s e d t h ec o s t l yi n t e l l i g e n tm e t a lw i r ep r o d u c t se q u i p m e n tw a sb r o u g h ti nf r o m t h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s t h e r e f o r e ，c a l t yo u tt h ed e v e l o po fc n cw i r eb e n d i n g m a c h i n eh a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h e s i sb a s e do nt h e c o n c e p to ff l e x i b l e m a n u f a c t u r i n g ，u s i n gt h em e t h o do fv c + + c o m b i n e dw i t ho p e n g lt od e v e l o pt h e c n cw i r eb e n d i n gm a c h i n eg e o m e t r i cs h a p es o f t w a r e t h em a i nc o n t e n t so ft h i s t h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h et h e s i sb a s e do nt h ec o n c e p to ff l e x i b l em a n u f a c t u r i n g ，i n t r o d u c e d m a c h i n ec o m p o s i t i o na n dp a r t i t i o n so ft h ev a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e so fc n cw i r e b e n d i n gm a c h i n ei nd e t a i l 2 ) b ya n a l y z i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fb e n d i n gw i r e ，t h et h e s i sa d o p t e d a d i s c r e t em e t h o df o rm a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ，a c c o m p l i s h e dt h eg e n e r a lb e n d i n g ， b e n d i n gs p r i n g s ，c o n i c a ls p r i n g s ，a sw e l la sp l a n a rs p i r a lg e o m e t r ym a t h e m a t i c a l m o d e l i n gi nt h et w e d i m e n s i o n a lp l a n ea n dt h r e e d i m e n s i o n a ls p a c e 3 ) t h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，d e c i d e dt ou s ev c + + c o m b i n e dw i t h o p e n g la sas o f t w a r er e s e a r c ht e c h n o l o g yp l a t f o r m ，a n dd e s i g n e du s e ri n t e r f a c e 。 a c c o m p l i s h e dt h ed e v e l o po fz o o m ，p a n ，r o t a t e ，r e s e t , c l e a rc o n t r o lm o d u l e sa n d d o c u m e n t a t i o n so p e na n dp r e s e r v a t i o nf u n c t i o n a lm o d u l ea sw e l la sk e y b o a r di n p u t f u n c t i o n a lm o d u l e 4 ) a b t a i n e dam o d e lo fs i m u l a t i o nt o o l ，a n di na c c o r d a n c ew i t ht h ew o r k i n g p r i n c i p l eo fo p e n g la n i m a t i o n , c o m b i n e dw i t hs e to fd i s c r e t ev a r i a b l e ，c o m p l e t e d t h em o t i o ns i m u l a t i o no f w i r eb e n d i n g 数控弯丝机线材成形软件设计 k e y w o r d s ：m e t a lw i r e ；b e n d ；g e o m e t r ym o d e l i n g ；m o t i o ns i m u l a t i o n 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体己经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ： 班一凛 加f 年占月呷日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () i 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( p 万2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“ 或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：矾一蠕 c 押彳年月呷日 第一章绪论 1 1 柔性制造 1 1 1 柔性制造的起源及发展 第一章绪论 柔性制造系统是指由数控加工设备、物料储运装置、计算机控制系统等组 成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造单元( f m c ) ，能根据制造任务或生 产的变化迅速进行调整，适用于多品种以及中、小批量生产。美国国家标准局 将柔性制造系统定义为，“由个传输系统联系起来的一些设备，传输设备把工 件放在其他各加工设备上，使工件j n q - 实现准确、迅速和自动化。中央计算机 控制机床和传输系统，柔性系统有时可以同时加工几种不同的零件”【1 1 。 f m s 的概念诞生于2 0 世纪6 0 年代的伦敦，是由英国m o l i n s 公司创建在计 算机控制下每天可连续工作2 4 h ( 实际上是在中班和晚班的1 6 h 内进行无人化 加工) 的“2 4 系统”。1 9 7 6 年，日本f a n u c 公司提出了由加工中心和工业机 器人组成的柔性制造单元( f m c ) ，为发展f m s 提供了重要的设备形式。柔性 制造单元一般由1 2 台数控机床与物料传送装置组成，有独立的工件存储站和 单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件，可实现有限工 序的连续生产，适于多品种、小批量生产应用。2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初， 计算机辅助管理、物料自动搬运、刀具管理、计算机网络、数据库的发展以及 c a d c a m 技术的不断发展，更是为f m s 的发展提供了有力的支持。 我国第一套f m s 是北京机床研究所于1 9 8 5 年从日本富士通的f a n u c 公 司引进的，该套f m s 用于旋转体加工。1 9 8 7 年以后，我国又相继从当时的联 邦德国引进了三套f m s ，分别安装在湘潭江麓机床厂、郑州纺织机械厂和沈阳 飞机制造厂，后来又从英国k t m 公司引进了一套f m s 安装在大连机床厂。1 9 9 1 年重庆大学与北京机床研究所联合研制了j c s f m s 2 实用型单元控制系统，通 过了原机电部与8 6 3 c i m s 专家组联合组织的鉴定。尽管由于种种原因，该f m s 还有待迸一步完善之处，但它是我国科技人员自行设计和开发的第一套f m s 。 数控弯丝机线材成形软件设计 1 1 2 柔性制造的发展趋势 从2 0 世纪6 0 年代第一台f m s 的出现到2 0 世纪8 0 年代中后期f m s 开始 实用，f m s 一直是在不断向前发展和进步的。传统的f m s 只是应用于一些非 回转体类零件的机械d i d - i - _ 。随着f m s 技术的发展，f m s 不仅能完成其他非回 转体类零件的加工，还可以完成回转体类零件的车削、磨削、齿轮d 口- r _ 等。f m s 既可以实现单件生产，也可以实现大批量生产。随着科学技术的进步和人类需 求的逐步提高，f m s 正在朝着模块化、小型化和多功能的方向发展。 1 1 3 线材折弯的柔性制造实现 伴随先进制造技术、现代化生产管理模式与市场驱动相结合的敏捷制造模 式的发展，对现代制造业提出了新的要求。在企业之间，通过动态灵活的虚拟 组织集成不同企业的优势构建动态联盟：在企业内部，采用柔性化、模块化的 产品设计方法和可重组的设备工艺技术对制造中的制造单元提出了一种以小批 量多品种生产方式满足用户要求的高度制造系统柔性的制造理念。为此，作为 五金制造单元之一的传统线材成形工艺结构已不能满足现代制造系统的灵活和 快速的要求。为了适应柔性制造的发展趋势，并结合我国五金线材制造的行情， 开发一个界面友好、形象直观、容易操作、效率高的数控弯丝成形及仿真系统 软件，适应快速反应的制造要求，将快速柔性制造理念移植到五金线材行业的 制造中，对传统设备吸纳现代制造理念，提高制造系统快速响应产品变化的能 力，缩短产品设计制造周期，增加制造系统的柔性，降低成本，提高机械产品 质量均具有十分重要的意义。 1 2 国内外数控弯丝机的发展现状 1 2 。1 国外数控弯丝机的发展现状 国外为五金行业生产数控弯丝机床的厂家仅有美国的越m 、法国的 n u m a l l i a n c e 和德国的w a f i o s 三家公司。其中，法国n u m a l l i a n c e 公司开发的r o b o m a c 系列数控线材折弯机采用4 轴( 或5 轴) 无刷交流伺服 电机驱动，具有功能强大的c n c 数控系统、电动夹紧和切断装置以及强大的外 2 第一章绪论 围设备控制能力如倒角、螺纹加工和冲压等，适于试制及中小批量的零件加工。 机床具有强大的柔性，可以对不同或者相似的小批量零件进行连续不问断加工。 通过合适的取送装置，零件可以直接送入装配工序，因此机床可以集成到自动 生产线之中。由于r o b o m a c 占地面积小，维护工作量小，且机床强大的功 能满足产品和设计的随时换代升级，因此目前在国外市场占有率较高。 w a f i o s 公司是一家综合性的集团公司，已经有1 0 0 余年的历史。其生产 的设备几乎涵盖了所有的金属制品深加工领域，包括数控弯丝机、弹簧成型机 等，欧洲市场占有率较高；a i m 公司也是一家从事生产金属线材制品加工的企 业，在数控弯丝机的市场上也占有一定的份额。 而数控弯丝机的核心技术，包括几何成形软件和液压系统电液比例阀以及 数控系统等零部件，现仅由少数国外知名企业控制，如德国的f e s t o 公司、瑞 士的c y b e l e c 公司等。上述企业在此领域具有比较先进和成熟的技术。 根据教育部科技查新工作站对五金行业金属线材的数控弯形的查新报告， 目前国外与数控弯丝机有关的的专利有三项，分别是： ( 1 ) 日本安川电机株式会社在2 0 0 2 年5 月1 5 日申请的“线材弯曲机及弯 曲方法”专利。该专利提出了一种线材弯曲机及弯曲方法，能够不考虑线材刚 性大小而实现高精度的弯曲。线材被一个弯曲模、一个夹具和一个加压机构夹 紧，一个控制单元对驱动弯曲模的伺服电动机下达一个与目标位置和当前位置 之间的偏差成比例的位移指令和一个与目标位置和当前位置之间偏差的时间积 分成比例的位移指令。在当前位置到达目标位置时，该控制单元还向伺服电动 机下达一个与该时间积分成比例的位移指令，从而根据位移指令使伺服电动机 以所需角度转动弯曲模。这样，线材能按所需半径被弯曲到目标位置上。 ( 2 ) 意大利b l m 有限公司2 0 0 1 年2 月1 3 日申请的“弯曲线状材料如管、 棒、型或金属线材的弯曲机”专利。该专利的主要内容是一种用于弯曲线状材 料如管、棒、型或金属线材的弯曲机。它具有一个活动支承的支架以便送料、 转动和将管材倾斜定位在预定位置上的平行导轨机构。机床成t 字形，t 形床 体的交叉件在其项面和底面上具有平行导向凸台，平行导向凸台支承着一个受 控驱动的活动支架，支架上具有一个配备一固定支承轴的弯曲机头并且在其两 端具有弯模组件和对应的摆动弯曲臂。弯曲机头被一个水平轴支承着并且可控 制地被驱动着绕该水平轴轴线转动。 数控弯缝机线材成形软f t - 设计 ( 3 ) 日本神奈川县的欧立机电有限公司于2 0 0 3 年3 月2 1 日申请的“线簧 成形装置专利。该专利提供了一种生产速度高且易于调整线圈直径的线簧成 形装置，其构成为：一对具有压送滚轮的线材压送机构，可通过作为线材导引 件的套管轴将夹持的线材向前方的成形站送出；一副改变线材方向的公转机构， 可通过将压送滚轮围绕着线材的轴线公转以扭转线材从而将夹持的线材从套管 轴前端部送出；以及多个可以相对于线材的轴线成大致直角进行进退动作的成 形工具。通过使成形工具前进，可以将从套管轴前端部送出的线材对接后弯折、 弯曲或卷绕成线簧；通过套管轴移动机构，可调整对接线材的成形工具与套管 轴间的距离和成形线簧的线圈直径，从而可高速成形出具有各种不同尺寸线圈 直径的线簧。 此外，国外有一些与弯管的成形机理有关的文献【2 卅，包括日本的m a s a k i y o s h i k a w a 和a k i h i k ok a t o h 等提出了一种管材在弯曲瞬间屈服于内部压力的失 效的评价方法以及a c s e i b i 和a m 似一s h i b i b i 提出了一种管材在弯曲和转动时 管材中部高弯曲率处强度计算的有限元分析方法等。 1 2 2 国内线材折弯行业的发展和现状 国内五金制造行业中的许多企业具有金属线材弯形制造加工的工作，线材 弯形制品的市场空间很大。然而目前国内同类的弯丝加工工艺方法还较为落后， 设备和手段普遍陈旧，主要以人工手动操作为主。要完成较为复杂的弯丝加工， 往往需要多台设备、多道工序、多副模具，采用人工或专用的设备辅以相应的 靠模来完成，自动化水平不高，生产效率低下，耗时、耗能多，制件的质量差， 且劳动强度大，成本偏高。 通过文献查询，目前国内尚无同类产品的研发和生产，只有一些相关的专 利申请。台湾地区也有一些相关的专利申请和设备研发，如： ( 1 ) 台湾逸升机械有限公司于2 0 0 5 年1 1 月申请的“复合式悬臂弯线机结 构”专利。该专利提出了一种复合式悬臂弯线机结构，由本体、悬臂、弯线机 构、控制模块和数个伺服马达所组成。其中，悬臂偏心设置于本体出料孔外侧 的转动座上，转动座又是由伺服马达驱动其传动主轴和配重器同时转动，并在 悬臂上方设置切断材料的剪切装置。悬臂前端下方设置有弯线机构，利用数个 4 第一章绪论 不同的伺服马达分别驱动模具盘调整盘面的角度，从而切换弯折模具和弯折模 具弯折材料的角度，以弯折模具将从出料孔送出的材料夹紧后予以折弯。还可 完成将同一材料进行连续不等角度或螺旋状弯折的工作。此外，逸升机械有限 公司还研发出型号为y s m c n c b w l 0 0 ，采用无线制送线方式，轴数为6 轴， 弯折线径为2 5 1 0 0 m m 的自动弯线机和型号为y s m 2 6 t 的金属线材自动 成形机等一系列产品。 ( 2 ) 台湾省台中县的周春伯、黄庆荣于2 0 0 4 年5 月2 1 日申请的“立体钢 筋建材的制作设备”专利。申请了一种立体钢筋建材的制作设备，其主要装置 包括送线装置、整线机、暂存区、轮波浪机、点焊机及裁断机。 国内的一些相关专利中有一些对特定材料进行弯曲的设备，但大部分未提 及具有数控功能。这些专利包括： ( 1 ) 江西的龙乐武于2 0 0 4 年7 月1 4 日申请的“钢筋弯曲机 专利，涉及 一种钢筋成型弯曲机械，特别是建筑工地用的可一次性批量弯曲较细钢筋的钢 筋弯曲机。可弯曲普通弯曲机不能弯曲的较细的钢筋线材，并能一次性弯曲多 根钢筋线材。 ( 2 ) 广东省惠阳市的巫乐资于1 9 9 5 年5 月1 8 日申请的“全自动钢筋加工 机”专利，公开了一种集冷拉、自动送料、自动计长、弯曲成型和切断等功能 为一体的全自动钢筋加工机，包括计算机控制系统，液压驱动的冷拉送料、弯 曲成型、切断系统，光电测长计数器和角度传感器等，适用于巾4 1 2 毫米的 金属线材的成型加工。 ( 3 ) 成都拓泰医药科技开发有限公司罗秀文于2 0 0 3 年1 1 月1 0 日申请的 “医用管材或线材的加工设备 专利。申请了一种结构简单、操作使用方便、 体积小的管、线材加工设备，可用于医用管材或线材的加工。 ( 4 ) 广东省公开的一种“线材弯曲机”专利，由黎均洪和彭跃云于2 0 0 1 年9 月1 3 日申请，是一种用于金属线的自动弯框的装置，未具备数控功能。 ( 5 ) 河北汲奇庆于2 0 0 5 年1 2 月申请的“弯曲机控制系统专利，涉及一 种金属线材弯曲机控制系统，由工作盘、电机、接触器、光电开关组成。在弯 曲机工作盘的外圆上固定有反转反光板和复位反光板，可通过光电开关和接触 器组成的控制电路控制工作盘的旋转角度。是一种效率较高，弯曲角度一致性 数控弯丝机线材成形软件设计 较好的金属线材弯曲机控制系统。 另外，国内已有数控弯管机的文献报道，包括： ( 1 ) 西北工业大学现代设计与集成制造教育部重点实验室王少龙等提出了 数控弯管机产品两种表示形式之间相互转化的一种算法【5 】，解决了数控弯管机 加工指令文件自动解析及生成的核心问题，为将数控弯管机纳入集成制造系统 提供了一条途径。 ( 2 ) 浙江经济职业技术学院骆经备提出了一种介绍冰箱、冷柜等制冷电器 的冷凝器、蒸发器专用自动弯管机的设计方案【6 】。从弯管成型目标、工艺过程、 生产效率等方面具体介绍了系统的特点。 除此之外，大陆地区尚未见具有数控功能的弯线机的相关文献报道。 总之，目前我国我国在数控弯丝机领域的技术水平远远落后于国外，缺乏 自主研发的核心技术和相关知识产权。因此有必要自主开展数控弯丝机相关技 术的研究工作。 1 3 课题意义及来源 近几年来，随着全球经济环境的变化和国内经济发展的强势驱动，在我国 冶金、电力、汽车、铁道、桥梁、通讯、建筑等国民经济重点领域应用广泛的 金属线材制品市场获得了极佳的发展机遇。到了本世纪初，我国已成为世界第 一的金属线材制品生产大国。然而由于国产装备技术落后，国内金属线材的成 形加工仍主要以劳动密集型的生产方式为主，通常是采用简单的手动弯丝模具 加上少许半自动的成形设备来进行线材的弯形工作。高科技的金属线材成形设 备主要从德国、法国、日本等技术发达的国家引进。 数控弯丝机目前在国内只有沿海省份有少量进口产品。由于进口产品的价 格相对昂贵，因此使用的厂家不多。但采用数控弯丝机将大大提高劳动生产率， 因为在一台设备上能完成多道工序，省去了大量的制件周转所需的场地和运输 周转成本，相应的占地面积、人工费用、能源消耗都将大幅度降低。同时由于 采用人机亲和度高的数控技术，使得操作者的劳动强度大为减轻。值得一提的 是该机所特有的智能化对实现多品种、小批量产品的制造是其它同类设备所望 尘莫及的。随着劳动成本、土地费用等的上涨，不少用户希望我们能有国产的 6 第一章绪论 数控弯丝机。根据初步的市场调查，国内市场的需求量约为1 0 卜1 5 0 台年， 且随着经济的发展还将有较大的增长空间。由于该产品的制造在国内尚属空白， 一旦开发出来将填补国内同类技术产品的一项空白，在国内外金属线材成形设 备制造市场将居于高端地位。预计可基本替代进口，并实现部分出口。 本课题正是在这种形势下同厦门锻压机械有限公司合作开发的，课题为厦 门市科技计划项目( 项目号：3 5 0 2 2 2 0 0 7 1 0 9 9 ) 。 1 4 本课题的主要工作内容 本课题最终要实现的目标是：根据数控弯丝机的实际工作要求，完成其机 械结构部分的设计，并且自行开发出界面友好的操作软件，能实现包括模型显 示和仿真运动等在内的一系列功能。根据课题组的分工，本论文主要完成了如 下内容： 第一章为绪论，介绍了柔性制造的概念，分析了国内外数控弯丝机行业的 现状和发展状况，阐述了论文的课题来源和研究内容。 第二章为数控弯丝机的机构介绍，通过课题组设计的一些的关键机构传动 原理简图、整体结构和各部分机构的三维图，详细介绍了实现各个模块功能的 的各数控轴的定义、作用和机床上相对应的机械部分的结构。 第三章为线材建模技术。本章是论文研究的核心内容，详细介绍了普通折 弯、弹簧折弯、等节距锥弹簧、等倾角锥弹簧和平面螺旋线的数学模型建模的 方法。 第四章为软件操作界面的开发和软件模块的介绍。通过分析对比选定了开 发工具。设计了程序的主体框架，并进行了一些相关的设置，为后续工作做好 了准备。实现了缩放、平移、旋转、复位和清屏功能模块，输入键盘功能模块 和文件的读取和保存功能模块的内容。 第五章为运动仿真技术的研究。对仿真运动模块作了详细的阐述，并给出 了运动仿真的实例。 第六章为结论和展望，对全文工作进行了总结，并提出了进一步的研究方 向。 论文的主要创新点在于：采用了一种离散化的数学建模方法，在v c + + 结 7 数控弯丝机线材成形软件设计 合o p e n g l 的开发平台下完成了一些复杂线形的数学建模，并实现了线材建模 后的运动仿真功能。 第= 章戢控弯鳇机的机构n 目 第二章数控弯丝机的机构介绍 2 1 弯丝机的整体结构及功能模块的划分 图2 1 机床整体三维结构图 本课题组研究开发的数控弯丝机既能实现平面折弯，也能实现空间折弯， 并且可以在同一个工件上实现多种半径的折弯。这一复杂的折弯过程由自行开 发的几何成形和运动控制软件配台自主设计的执行机构部分共同完成。其中硬 件部分包含以下几个基本结构：折弯臂、电机辅助送线机构、旋转校直机构和 计算机操作平台【7 l 。 为了更加清楚地了解机床的硬件部分，根据机床的功能及成形过程，将机 床划分为五个功能模块门，如图2 - 2 所示： 数控弯丝机线村成形软件设计 图2 - 2 弯丝机组成模块 篇黪镩。 成品： 霪貔蕊如“函 其中滚轮送线模块、校直模块和送料模块主要用于线材成形之前的准备工 作；剪切模块主要用于线材折弯完成后的剪断工作。本章将对机床的整体结构 和其中的一些关键功能模块作相应的介绍。 2 2 弯丝机机构的传动原理 弯丝机机构的传动原理如图2 3 所示：由折弯主动齿轮带动折弯齿轮轴转 动( 图中的 部分，这个转动是折弯齿轮轴绕着本身的轴线自转) ，实 现折弯头的折弯功能；由换位传动齿轮轴带动换位齿轮转动，继而带动装配在 换位齿轮上的折弯头绕着换位齿轮的轴心转动( 图中的 部分) ，从而 实现不同折弯头之间的换位动作。 叩”2一 li ii i i ii li 碍k 1l - i ii i i i i 一折弯齿轮轴一换位传动齿轮轴一剪切轴 一换位齿轮一折弯主动齿轮一转臂 图2 - 3 弯丝机机构传动原理简图 l o 第= 章数控弯# 机的机构舟绍 2 3 弯丝机各数控轴的介绍 弯丝机的数控轴共有5 个，其符号、定义和作用分别如表2 - l 所示： 表2 - 1 机床各轴定义 符号定义作用 x 轴送料轴通过4 个滚轮精确自动送料 y 轴折弯轴实现线材的折弯 z 轴旋转轴大臂旋转以实现3 d 折弯 r 轴换模轴可获得多种过渡半径的折弯 c 轴剪切轴切断线材 上表中，除了剪切轴c 轴以外，其它四个轴都具有联动关系。下面，分别 对各个数控轴进行详细介绍。 2 3 1 送料轴( x 轴) 的定义 为了能够连续地对线材进行各种折弯，需要有专门进行线材传送的机构 因此送料轴( x 轴) 是必不可缺的一个数控轴。 淼 图2 - 4 送丝机构 当机床送料时，线材会受到各种各样的阻力，特别是采用摊弯方式弯曲线 数控弯丝# l 线村成m 软件设计 材时送科方向的力会特别大。而送料方向的力是由送料轮与线材之间的摩擦 力提供的，所需的送料方向的力就等于摩擦力的大小。因此，采用由一个伺服 电机同时驱动两个驱动轮，并辅以支撑轮的方式进行送料，以增大线材和送料 滚轮之间的摩擦力，送丝机构的结构图如图2 _ 4 所示。 232 折弯轴( y 轴) 的定义 为了能将线材弯曲成型，需要设置折弯轴( y 轴) 以实现线材的折弯。 折弯轴是五个数控轴中撮关键的，因为线材的成形都要经过折弯轴的加工。 为了使机床的功能更加强大，能折弯不同半径的线材。采用了在弯丝机的折弯 部位安装两个折弯头。当折弯线材时，可根据实际需要采用两个折弯头中的任 一个进行折弯。折弯轴结构的三维图如图2 - 5 所示： 图2 _ 5 折弯轴结构 根据对数控弯丝机实际工作情况的分析，课题组提出了一些满足工作要求 的方案，如通过电机轴带动大齿轮，大齿轮带动两个小齿轮，然后小齿轮再带 动折弯轴折弯( 也就是采用一级齿轮传动) 的方案，其工作原理结构简图参考 2 2 节中的图2 - 3 。 第= 章数控萼机的机柯舟绍 23 3 旋转轴( z 轴) 的定义 为了能进行空间折弯，必须在不同折弯旖力点沿线材垂直轴线的方向施加 力，即能够将线材折弯成各种空间形状包括弹簧、锥弹簧等。 旋转轴( 即弯丝机的转臂) 采用由伺服电机带动齿轮的方式进行动力与控 制的传递。机床添加了旋转轴后，机床的头部( 转臂) 就能绕着其轴线旋转， 从而能够进行空间折弯。如果在推弯加工方式下旋转轴和送料轴联动，在送线 的同时通过旋转轴的转动，使折弯头在线材上的施力点绕着线材轴线不断旋 转，就能加工出螺旋状的工件如弹簧等。 2 34 换模轴( r 轴) 的定义 为了将线材折弯成不同的半径，需要更换折弯模具轴( r 轴) ，进行模具的 切换。 工件折弯的过程中，在同一个工件上经常会遇到以不同的折弯半径进行折 弯的情况。因此，采用了如图2 - 6 所示的换位机构的设计：在折弯臂上安装两 个或多个折弯头，换位传动齿轮轴根据数控指令进行相应角度的转动，带动换 位齿轮转动，继而带动装配在换位齿轮上的折弯头绕着换位齿轮的轴心转动。 这样，在加工工件过程中就能随时根据需要自动更换折弯轴，完成所需的加工。 图2 - 6 换位机构 数控弯机线村e 软件设计 此外，在线材的加工过程中如果需要，还可采用一种叫“偏心折弯”m 的加 工方式，即工件所要弯曲的位置并不是在机床送料方向上，而是偏离了送料方 向。此时，需要折弯轴偏转一定的角度，使折弯头在所要折弯的线材的正下方， 继而进行折弯动作。 2 35 剪切轴( c 轴) 的定义 当线材被折弯成用户所需要的形状后，需要进行剪切工作。在此设置一个 切断轴( c 轴) 。当接收到剪切指令时，偏心轮转动，并带动动刀块绕支点d 做 小角度摆动，与定刀块形成错切，切断线材。图2 7 是剪切机构的平面机构简 图。 定月动月偏。轮 2 4 本章小结 图2 7 剪切机构 剪切支点 本章首先介绍了数控弯丝机的关键结构以及功能模块的划分；接着分析了 弯丝机机构的传动原理。最后详细阐述了弯丝机各数控轴的定义及运动原理。 第= 章线材的建横技术 第三章线材的建模技术 程序的核心部分在于建立线材折弯的数学模型。建立线材折弯数学模型的 意义在于用户输入数据后，可以在屏幕上实时显示线材成形后的形状，使用户 有一个直观的印象。同时，如果用户输入了错误的数据，则屏幕上会显示错误 的形状，便于用户及时发现错误并进行修改。 程序开发了针对二维平面和三维空间的几种线材折弯的输八方法，包括普 通折弯、弹簧折弯、等节距螺旋锥弹簧折弯、等倾角螺旋锥弹簧折弯以及平面 螺旋线折弯。相对应的工具栏按钮如图3 - i 所示： 、兽曾伊 图3 - 1 建模的工具栏按钮 上图中，从左到右分别是普通折弯、弹簧折弯、等节距锥弹簧、等倾角锥 弹簧和平面螺旋线( 阿基米德螺旋线) 的成形按钮。下面分别对上述折弯方法 一一进行阐述。 31 普通折弯 普通折弯是最简单的一种折弯方式 1 、点击工具栏中的“折弯”按钮， 输入线材的半径。 其折弯过程为： 弹出如图3 - 2 所示的半径输入对话框 囝墨雷圈 请输入线材半径：广一 匡国堕i 一图3 - 2 普通折弯的半径输入对话框 2 、点击“下一步”按钮，进八图3 - 3 所示的“输入参数”对话框界面，输 数控弯机线村成形软件设计 入相应的参数。 t , j i t i 请输入第1 段线段，曲鳗的参数 长度l 一旋转r o z 折驾a t半径n j 厂一厂一厂一广一 图3 - 3 普通折弯的参数输入主对话框 3 、系统读取输入参数( 包括送线长度l 、折弯角度a 和空间折弯角度k o ) 后执行如下操作；若空间折弯角度不为零，则直线送线的同时折弯臂本身绕送 线轴旋转相应的空间角度。送线一段距离后停止，折弯头折弯相应的角度，并 在折弯后回复原来的位置，继续送线以进行下一段折弯；若空间折弯角度为零， 则进行平面折弯运动，即折弯臂不动，只有送线动作和折弯头的弯折动作。 相应的流程图如图3 _ 4 所示： 图3 - 4 普通折弯的流程图 下面给出个普通折弯的数学模型，输入表3 - 1 中的参数 第三章线材的建模拄术 表3 1 普通折弯的参数输入实例 线材半径r送线长度l 空间旋转r o折弯角度a折弯半径r 第一段 3 0o 9 0 第二段 第三段 6 0 程序运行结果如图3 5 所示 其参数方程为 图3 - 6 圆柱螺旋线 数控弯丝机线村成形软件设计 x = a c o s 0 y = a s i n 0 ( 3 - 1 ) z = + h a = 旦臼= a + _ c t 9 2r e 式( 3 1 ) 中，国为角速度，h 称为螺距，称为螺旋角，式中对右螺旋线 取正号，对左螺旋线取负号。如果以弧长s 为参数，则其方程为： 口2 + 6 2 y ：i n a s l n l ：兰：一 ( 3 一- 2 一)= ；= = =l) 口2 + 6 2 d s z = 1 - t - - - - = = 口2 + 6 2 其中，曲率与挠率都是常数：后2 丽a，k 2 等，_ 。 由于o p e n g l 中并没有直接绘制圆柱螺旋线的函数，因此，我们此处采取 的是一种离散化的方法，即首先把圆柱螺旋线离散化成一定数量的点，然后在 每个点上绘制长度很短的小圆柱体，最后通过绘制的这些小圆柱体拼接成一定 直径的圆柱螺旋线。当离散出来的点太少时，生成的螺旋线会呈现出明显的折 线状，使生成的弹簧不光滑；而当离散的点太多时，则会增加系统的运算量， 增加造型时间。因此，经过实践对比分析后，取1 a 和弹簧外径的0 0 2 倍长度为 基本单位。即在螺旋线上每隔1 。取一个点，并在这个点上画一个长度为弹簧外 径0 0 2 倍的小圆柱。这样画出来的圆柱螺旋线效果比较理想。 下面给出弹簧折弯的参数输入对话框： 第= 章线村肋建横技术 j请输入弹臂的参数； l f ! 目径d ，r r 一弹簧十径o z ；一 l节距t ；厂一螺旋升角。t 广一 l * ? 左旋，毒懈肌广 l 匡固型l 图3 - 7 弹簧折弯的参数输入对话框 在上图中，并不需要输入全部的参数才能产生螺旋线。由于弹簧螺旋升角 的正切值为节距和弹簧中径的比值，8 p t a n 口。焘，因此在。、d 2 和1 之间， 只要任意输入其中的两个数值，就能计算出第三个数值。然后，可以通过自由 高度h o 和节距的比值算出弹簧在空间中绕轴线一共旋转了多少角度，进而可 以得出一共需要多少个离散的点。 下面给出弹簧造型的一个实例，输入表3 - 2 中的参数： 表3 - 2 弹簧造型的输入参数 簧丝直径d 弹簧中径d 2节距t螺旋升角口自由高度t t o旋向 84 0 2 01 51 2 0 右旋 成形的效果如图3 - 8 所示： 图3 - 8 弹簧造型实例的运行结果 数控弯丝机线材成形软件设计 3 3 等倾角圆锥螺旋弹簧 等倾角圆锥螺旋弹簧的数学模型是圆锥螺旋线。它的定义为：与一圆锥面 母线的交角为定角的曲线称为圆锥螺旋线【1 0 l 。如图3 - 9 所示： 其参数方程为： 图3 - 9等倾角圆锥螺旋线 x = p s i n c qc o s 0 少= p s i n a os i n 0 z = p c o s a o ( 3 3 ) p 2 风e x p ( 万s m c r o 9 ) 式中，c r o 为圆锥顶角的一半，为螺旋角，岛，c r o ，都是常数。由于 把这种曲线投影到o x y 平面上是对数螺旋线，所以又称为圆锥对数螺旋线。下 面给出建模所需相关参数的推导过程【1 1 】。 如图3 1 0 所示，设正圆锥面上有动点m ，它由m 。运动到m 时，在锥面上 转过个f 角，当动点由m 转动到m ，时在锥面上变化一个咖角，则m ，点到 原点( 锥项) 的矢径p 也相应增大d p 。当d r 一0 时，m ，n = m 。n ， m 。m ：= m 1 m 2 。，此时m 。鸠直线方向也就是m 。鸩的切线方向，它与圆锥面素 2 0 第三章线材的建模技术 线的夹角口就代表曲线该点的倾角。设圆锥面上曲线m 。鸩在任何一点处，它 与锥面素线的夹角口为定值，即可推导出此曲线的表达式。 zf 得： 图3 - 10 等倾角圆锥螺旋线的参数计算 由图3 - 1 0 可知，o m l = o n = p ，砺= p d f ，从直角三角形m l 坞中可 m ，n p d r t g a - 蒜2 万 经整理得到： 魄q 加等 将( 3 - 5 ) 式两边同时积分，得： 如批塄 l n p = c t g a r + c 将( 3 7 ) 式由对数函数换成指数函数得： p 2n ，窖c t g a 2 1 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) 数控弯丝机线材成形软件设计 其中，a = e c ，c 为积分常数。 当m 点由m o 运动到m ：时，在圆锥面上转过f 角，对应于圆锥轴线转过一 个f 角( 见图3 - 1 0 ) ，在彳d l 曰扇形上有：一a b = o l a x t 。在彳以锥面上，如将它 展成平面也是一个扇形，则有：乃= 彳d x ? - 。所以有：o l a x t = a o x r ，或 r = 箬f 。从ao l a 。可知：s i n 厂= i o l a ，其中角是圆锥的锥项半角。 因此，可得 f = s i n y t( 3 - 9 ) 将( 3 9 ) 式代入( 3 8 ) 式得： p = a e 细“，卿 ( 3 1 0 ) 公式( 3 1 0 ) 中除f 为参变量之外，其余的，、口、a 均为常数。令 m = s i n y c t g a ，则( 3 1 0 ) 式简化成： p = a e 删 ( 3 1 1 ) 公式( 3 1 1 ) 为等角圆锥螺旋线的矢径方程，把它化为参数方程则有： x = d 坂= a e 删s i n y c o s t y = d 坞= a e 柳s i n y s i n t ( 3 1 2 ) z = o m 。2a e 埘7c o s y 将( 3 1 2 ) 式中的常量简化，并令：胛= a s i n y ，办= a c o s y ，则有： x 2 ，z p 删c o s t y = n e 槐7s i n t ( 3 1 3 ) z2 庇e 删 公式( 3 1 3 ) 是等角圆锥螺旋线的参数方程。 由公式( 3 1 1 ) 可知，当f = 0 时，p o = a ，即等角圆锥螺旋线的起点不在 坐标原点( 即不在锥顶) ，曲线的起始点距锥项为口。 当动点m 在锥面上转动一周时，f = 2 z ：，它在锥面上前进的距离( 导程) p 1 = a e 2 砌；当m 点转动两周时，等角圆锥螺旋线的螺距为：p ，= 口p 4 x m 。很 显然它的螺距是变数，而且螺距的增加不是简单地成比例增加，而是成几何级 第= 章线材的建模技术 数增加。由于等角圆锥螺旋线的螺距不是常数，因此它又称为变螺距定倾圆锥 螺旋线。 等倾角圆锥螺旋线的螺距随转角增大而增大，因此动点每转一圈的螺线长 也都不相同。m 点转一圈的弧长为： s = 伊而( 3 - 1 4 ) 式中：i = n e “( m c o s t s i n t l j = n e “( r o s i n t + c o s t ) j = 椭p “ 土、i 、j 分别是( 3 1 3 ) 式中x 、y 、z 对f 的微分：当t o = 0 ，f = 2 口时， 将它们分别代入( 3 1 4 ) 式中，并化简得： s 2 i 茜( 扣- 1 ) ( 3 - 1 5 ) 在软件的操作界面中，等倾角螺旋弹簧的参数输入对话框如图3 - 1 1 所示： 囤3 - 1 1 等倾角圆锥螺旋弹簧的参数输入对话框 下面给出一个等倾角螺旋弹簧折弯的实例： 表3 - 3 等倾角圆锥螺旋弹簧的输入参数 簧丝直径d 起始端中径d 2螺旋升角b锥顶角口自由高度h o旋向造型方式 82 01 5 2 02 0 0右旋起始小端 缸控碍机线村成形软件设计 成形的效果如图3 1 2 所示 图3 - 1 3 等节距圆锥螺旋线 第三章线材的建模技术 等节距螺旋锥弹簧的建模采用的是与3 2 节中提到的圆柱螺旋线的造型相 似的方法，即把等节距圆锥螺旋线离散化成一定数量的点，然后在每个点上绘 制长度很短的小圆柱体，最后通过绘制的这些小圆柱体拼接成一定直径的等节 距圆锥螺旋线。 图3 - 1 4 等节距圆锥螺旋线的成形方法示意图 如图3 1 4 所示，左旋的螺旋线沿轴线平行于y 轴的圆锥体表面旋转而成。 螺旋线上，每一个螺距的起点和终点到母圆锥轴线之间的距离之差 a d = t x t g ( a 2 1 。若在一个螺距内共取个点，则螺旋线上每相邻两点到圆锥 轴线距离之差s = 等= 万t t g ( a