（材料加工工程专业论文）板料数字化成形加工轨迹的生成及其可视化.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 皈料数字化无模成形技术是国际上新兴的柔性加工技术，具有不需要设计、 制造模具，小批量生产薄壳类工件的优点。该技术特别适合于新产品开发阶段的 薄壳件成形，例如汽车大型覆盖件的无模成形，可缩短产品开发周期、降低开发 成本。该技术也适合于航空、轻工业等行业的小批量、多品种、复杂零件的制造。) 本文围绕板料数字化无模成形技术的加工工艺规划、加工路径规划等相关关 键技术展开研究，内容包括基于三维造型软件u g i i 的加工轨迹生成及加工过程 模拟和g 代码的可视化。其理论和成果，不仅为成功的制造出中国第一台板料数 字化无模成形加工机床和第一次加工出零件做出了贡献，、并为今后完善和开发新 的板料数字化无模成形系统和特殊工艺的路径规划提供了一种思路。 、 本文就如何利用三维造型软件u g i i ，生成基于层加工的数控加工文件的方案 及参数的选择作了详细的说明，并很好的实现了刀具补偿。由于板料数字化成形 加工的特点，不能直接使用u g i i 生成的加工轨迹和代码，需要对u g h 生成的加 工轨迹和g 代码结构进行改造。本文就解决这些问题作了初步的尝试，实现了几 种特殊工艺( 包括正反向加工、零件的直壁部分多工步渐进成形等) 的加工轨迹、 路径规划，并在路径规划之后生成新的加工指令，提供给p m a c 运动控制器控制 机床进行加工。 为了缩短加工时间，提高生产效率，本文研究了板料数字化无模成形的加工 轨迹的可视化，轨迹可视化使得在加工前可进行仿真检查，避免工具头与模型相 干涉的问题。同时，完成了加工时间估算软件模块的开发，在仿真检查时，为成 本估算提供了依据。 上述研究成果已经成功的应用于金属板料数字化快速成形系统中。 关键词：板料数字化无模成形 u g i i轨迹可视化 路径规划快速成形 才一炙斟茂一 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s h e e tm e t a ld i g i t a l f o r m i n gt e c h n o l o g yi s aj u m p e d - u pd e v e l o p i n gf l e x i b l e p r o c e s si ni n t e m a t i o n a lr e s e a r c hf i e l d w h i c hd o e sn o tn e e dc o n v e n t i o n a ld i e sa n d p u n c h e s ，m a n u f a c t u r i n gc y c l ei s s h o r t e ra n dm a n u f a c t u r i n ge x p e n s ei sc h e a p e lt i l i s t e c h n o l o g yi se s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h et h i ns h e l lf o r m i n go fs t a g eo fn e wp r o d u c t d e v e l o p m e n t ，s u c h a sa u t o m o b i l e l a r g e - s c a l e c o v e r p a r t t l l i st e c h n o l o g yi s a l s o s u i t a b l ef o rm a n u f a c t u r i n gl i t t l e b a t c h e s ，m a n yk i n d so fa n dc o m p l i c a t e dp a r t so f a v i a t i o na n d l i g h ti n d u s t r y 珊s p a p e ra r o u n dt e c h n i q u e sa n dt r a i lp l a no fs h e e tm e t a ld i g i t a l i z a t i o n s t u d i e d t h e i r k e yt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n g t h e w a yo fb a s i n g o nt h e l a y e rf o r m i n g i n t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o r w a r e - u g u 、t h et r i a lv i s u a l i z a t i o no f g c o d e 、a n d t h es i m u l a t i o no ft h ec o u r s eo f f o r m i n g n l e s et h e o r i e sa n da c h i e v e m e n t sc o n t r i b u t ea l o tn o to n l yt om a k et h ef i r s tm e c h a n i cl a t h ea n dt h ef i r s tp a r t b u ta l s ot op r o v i d es o m e w a yo f t h o u g h t f o rs p e c i a lt e c h n i q u e sa n dt r a i lp l a n n l e p a p e rm a k e s d e t a i l e de x p l a n a t i o no nt h ew a yt op r o d u c eg c o d ef i l eb a s e d o nl a y e rf o r m i n gi nt h i n e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r e - - - u g i i d u et ot h ef o r m i n g s p e c i a l t yo fs h e e tm e t a ld i g i t a lf o r m i n g ，n e e dt oc a r r yo nt h et r a n s f o r m a t i o nt o f o r m i n g t r a i la n dg - c o d es t r u c t u r et h a tu g i i p r o d u c ed i r e c t l y t l l i sp a p e rh a sd o n e t h e p r e l i m i n a r yt r y o nt h ei s s u et h a ts o l v et h e s e r e a l i z e ds e v e r a l 虹n d so fs p e c i a l t e c h n o l o g y st r i a lp l a no nc o m p u t e r , i n e l u d i n gt h ep r o c e s ss t y l eo fa l t e r n a t i v ew i t h c c w & c c c wt r i a la n dt h ep a r t sw h i c h i n c l u d i n gs t r a i g h tw a l ls h o u l db et a k e ns h a p e s t e pb ys t e p o nt h eo t h e rh a n d , r e a l i z e dt op r o d u c en e w g - c o d ef i l ea f t e rt r a i lp l a n w h i c ho f f e rp m a c s p o r tc o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h e1 a t h et op r o c e s s i no r d e rt os h o r t e nf o r m i n gt i m e ，i m p r o v ep m d u c t i o ne f f i c i e n c y , t h i sp a p - e rh a s b e e ns t u d i e do nt h et r a i lv i s u a l i z a t i o no fs h e e tm e t a l d i g i t a lf o r m i n g t r i a l v i s u a l i z a t i o nc a nn o to n l yc a l t yo ns i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o nb e f o r ef o r m i n g b u ta l s ol e t o p e r a t o r k n o ww h e t h e rt h e p r o g r a m s h a sm i s t a k e so rn o ti na d v a n c e s ot h e i n t e r f e r e n c eo ft o o lh e a da n dm o d e lc a nb ea v o i d e d a tt h es a m et i m e f i n i s h e dt h e s o f t w a r em o d u l e so ft i m e - e s t i m a t e ，w h e ns i r e u i a t i o nv e r i f i c a t i o n ，c a nf i g u r eo u tt h e t i m et op r o c e s st h ep a r t 。w h i c ho f f e rt h ee f f e c t i v eb a s i sf o rt h ec o s te s t i m a t i n g t h ea b o v e m e n t i o n e da c h i e v e m e n t si nr e s e a r c hh a v eb e e na l r e a d ys u c c e s s f u l l y a p p l i e dt ot h es y s t e mo fs h e e tm e t a ld i g i t a lf o r m i n g k e y w o r d s ：s h e e t m e t a ld i g i t a lf o r m i n gu g i it r a i lv i s u a l i z a t i o n t r a i lp l a n r a p i df o r m i n g i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题概述 1 1 1 课题的来源 华中科技大学快速制造中心从1 9 9 9 年开始研究金属板料无模渐进成形技术， 先后得到科技型中小企业技术创新基金( 2 0 0 2 年) 、国家自然科学资金( 2 0 0 1 年) 、 教育部回国人员启动基金( 2 0 0 0 年) 、湖北省自然科学基金( 2 0 0 0 年) 、华中科技 大学人才引进基金( 2 0 0 0 年) 、华中科技大学科研基金( 2 0 0 0 年) 的资助。 1 1 2 课题的目的和意义 二十一世纪是以知识经济和信息社会为特征的新时代，制造业正面l 倚着空前 严峻的挑战。如何快速、低成本和高质量地开发出新产品，以满足信息社会中瞬 息万变的市场对小批量多品种产品的要求，是企业生存和发展的关键。为此，必 须为产品的设计和制造提供新的理论、方法和技术。金属板材成形在制造业中有 着广泛的应用，但传统的工艺所需模具设计、制造周期长费用高，难以适应小批 量多品种和样品试制的需要。以汽车行业为例，每年国际上都有大批新的车型问 世，而新车型的开发主要是车身的开发，其中至关重要的是覆盖件的设计和制造， 这需要经过模具设计、软模制造、试验修改、硬模制造等复杂过程才能投入生产， 试制过程耗时、耗资、耗力，极大地增加了新产品开发的周期和成本。 板料数字化无模成形技术采用快速原型制造( r a p i dp r o t o t y p i n g 简称r p ) 技 术“分层制造( l a y e r e dm a n u f a c t u r i n g ) ”的思想，将复杂的三维形状分解成一系 列= 维层上局部地塑性加工，无需一一对应的模具，极大地降低了新产品开发的 周期和成本，所以对于飞机、卫星等多品种小批量的产品以及用于汽车新型样车 试制、家用电器等新产品的开发，都具有巨大的经济价值，而且本方法所能成型 的零件复杂程度比传统成型工艺高。 该项技术能够填补传统快速原型制造方法的空白，既是快速成型技术的发展， 也是一种全新的塑性成形技术。它可以对板材成形工艺产生革命性的影响，也将 引起板壳类零件设计概念的更新。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 金属板料无模成形技术的国内外发展与现状 无模成形技术从原始的手工制作开始，手工制作由于受工人技术水平的限制， 效率极低，制件形状尺寸精度无法保证。所以人们逐渐发展无模成形技术，提高 成形的精度和效率。现有的板材无模成形技术主要有旋压、电磁成形、激光成形、 多点成形法、c n c 成形锤渐进成形法、c n c 高压水喷射成形法、无模渐进成形 技术。 1 ) 旋压 如图1 1 所示，它是以旋转和杆棒等工具作进给运动，加压于随芯模沿同一 轴线旋转的金属毛坯，使其产生连续的局部塑性变形而成为所需的空心回转体零 件。 图1 1 旋压原理图 采用旋压技术可以节约原材料利用率，总变形力和机床吨位相对于传统压力 加工方法低，某些普通旋压可无模成形，不需成套模具，然而旋压工艺也存在着 局限性：如它只适用于加工薄壁空心回转体工件，坯料的厚度不能太大，旋转工 艺的生产率低，影响产品质量的工艺因素复杂、对旋压设备操作技能要求较高等。 从目前的研究成果看，成形理论较成熟并已达到数控成形水平。 2 ) 电磁成形技术o “” 华中科技大学硕士学位论文 电磁成形技术是2 0 世纪6 0 年代初国内外兴起的新型的金属塑性加工方法。 如图1 2 所示。当线圈2 通电时，产生向下的电磁力，使板材l 向下运动，当板材遇 到模具或工件时受到限位，使其产生预期的变形。 0 0 0 0 0 0 g 、 _ _ o ，l k j 、j 、j 、_ ， 1 弦z z 冱互乙乙z z z 之物 1 板材2 线圈3 模具或工件 图1 2 电磁成形原理图 1 9 5 8 年，美国通用电力公司研制出世界第一台电磁成形机，1 9 6 2 年，美国的 布劳尔( b r o w e r ) 和哈维( h a r r y ) 经过改进和完善发明了可用于工业生产的电磁 成形机，标志着电磁成形技术真正开始走向实用化和工业化，从此电磁成形引起 了各国的广泛关注和工业化，美国、苏联、日本、西德、英国、加拿大、法国等 国家纷纷开展了这方面的理论、工艺及应用的研究。 国内电磁成形研究一直停留在实验室阶段。6 0 年代初期，中国科学院电工研 究所曾组织力量系统地研究过电磁成形工艺及设备9 0 年代中期，哈工大分别给上 海航天局、北京机电所制造一台3 0 k j 的电磁成形设备电磁成形工艺生产效率高、 成形范围较广，适于管材的胀形、缩径、冲孔、翻边、切断、焊接：板材的冲孔， 压印或压花成形；组装件的装配；粉末的压实和成形等，广泛应用于汽车、电子、 仪器仪表、军工业等工业领域，但其存在着比较明显的问题。 ( 1 ) 设备能量不够大。目前，国外设备最大储能为5 0 0 k j ，国内还不足4 0 k j ， 远远不能满足加工难变形或大型实体金属工件的需要。 ( 2 ) 能源利用率很低，浪费严重，设备储能利用率一般l o 一2 0 ，最高 也不过4 0 。 ( 3 ) 结构有待改进，成本偏高，国外进口一般需6 2 0 万美元台，国产设 备也至少需l o 一2 0 万人民币台。所以，成本有待进一步降低。 3 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 激光成形技术“训6 1 激光成形技术是一种利用激光扫描金属板料时形成的非均匀温度场所导致的 非均匀分布的热应力来实现塑性变形的工艺方法。 图1 3 激光成形技术原理图 这种成形技术分为加热和冷却阶段。 ( 1 ) 加热阶段：用适当形状和能量分布的激光束按一定速度沿某种轨迹扫描 板料表面，使板料表面局部瞬间加热至高温状态，以得到合乎要求的非均匀温度 场。 ( 2 ) 冷却阶段：在滞后于光斑某距离处，用水流或气流沿扫描轨迹进行冷却， 对热传导率较高的材料可以采用自然冷却的方式。成形的工件如图1 4 柯捕鞔渣扫慵轨诬 氢扬 图1 4 成形的工件 激光成形技术是一种完全的非接触式热加工方式，具有许多独特的优点 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 无外力成形，由材料内部的热应力引起变形。 ( 2 ) 非接触式成形，不存在贴模，回弹现象，成形精度高，无工模具磨损。 可用于精密仪器的制造。 ( 3 ) 激光成形技术是热态累积成形，能够成形常温下难变形材料或高硬化指 数金属，而且能够产生自冷硬化现象，使变形区材料的组织与性能得以改善。 ( 4 ) 可使板料通过复合成形得到形状复杂的异形体，进行管件的弯曲及局部 成形，在不需辅助工具和外力的条件下可实现园管的精确弯曲、胀形、连接等。 ( 5 ) 可用于受结构限制、工具无法靠近或无工作空间的工件的加工，能够进 行成形、切断、焊接等加工工序的工业复合化。 但是值得注意的是激光成形技术由于是热应力的成形问题，其表现出强烈的 非线性，因此即使相同的工艺参数在后续扫描之中也未必保持先前的变形模式和 变形量。所以，随着成形过程的进行，加热和冷却循环的工艺参数要随时调整， 若参数选择不当，成形时板的断面可能产生损伤和裂纹，参数的选择包括能量因 素、材料的热物性和力学性能、板料的几何参数等多因素的综合，因而成形参数 的选择非常困难，这也限制了此项技术的普及。 4 ) 多点成形法。“”“ 多点成形法是利用高度可调的基本体群形成离散曲面来代替传统模具进行三 维曲面成形的柔性加工技术。它包括多点模具成形、多点压机成形两种方式。图 1 5 和1 6 为两种方式的工作原理图。多点模具成形法的工作原理：成形前，调 节各基本体的高度形成自由曲面，成形过程中上下基本体群分别作为一个整体运 作，在相邻基本体之间无相对运动。 晷晷簪画画画 图1 5多点模具成形 图1 6多点压机成形 多点压机成形工作原理：在成形过程中能分别控制各基本体的位移量，移动 华中科技大学硕士学位论文 时间和速度等，可以给予板材任意的变形路径。 该技术在九十年代初由日本教授中村敬一教授作了初步研究；国内：吉林工 业大学在多点成形法取得了很大的进展，成功的研制出多点成形样机，并成立吉 林工业大学无模成形中心专门从事多点成形的研究与开发。 多点成形法虽然初步实现了无模化，但它存在以下几个问题： ( 1 ) 该技术是将冲头和下模的形状离散化为所谓的柔性模具，可是冲头和下 模不能做得很小，不能加工形状复杂的工件。 ( 2 ) 加工小冲头和下模、安装、调试同样花费大量的时间。 ( 3 ) 多点成形法易产生压痕、起皱等缺陷使加工精度难以保证。 5 ) 成形锤渐进成形“2 “”1 成形锤渐进成形法使用剐性冲头和弹性下模，对板材各局部区域分别打击成 形，逐步成形为所需形状的加工工艺。工作原理如图1 7 橡胶下模 嗣 图1 7 成形锤渐进成形法 成形锤渐进成形法是9 0 年代新兴的加工技术，在国内：尚未开展；在国外： 日本进行了比较系统的研究，例如静冈大学工学部对该技术自由曲面的渐进成形 工艺、加工路径、工序控制等方面作了研究与实验，另外同志社大学，京都大学 也对该技术进行了初步的研究。 成形锤渐进成形法成形方法简单，成形速度较快，得到的曲面e e 较光顺：但 是该技术只能成形形状比较简单的工件，而且成形后留下大量的锤击的压痕点影 响制品的表面质量，因而必须进行额外的处理。 6 ) c n c 高压水喷射成形“ 6 燮 帙 一 ， 眸( 工 华中科技大学硕士学位论文 c n c 高压水喷射成形法其工作原理可以简单概括为：水通过高压泵，经过喷 嘴小孔将水喷射到成形板材上，水的动能转换为作用于板材的压力能，压力达到 一定程度使板材产生局部塑性变形，在计算机的控制下工怍台沿既定的路径运动， 随后z 轴下降成形下一层金属，如此循环直至最终成形。 1 高压泵2 喷嘴3 工作台4 工件 图1 8c n c 高压水喷射成形工作原理图 c n c 高压水喷射成形法有其独特的优点：因为是水能源成形，可全方面自由 成形，适于成形形状复杂的工件；具有很大的成形力，可以成形厚板或难以成形 的金属，如钛等。但是由于目前技术水平所限，该技术还存在一些问题，如成形 时的进给速度慢：喷嘴磨损比较大，而喷嘴价格较贵；一次性投资较大；高压水 成形时对人有伤害性及较强的噪音， 7 ) 金属板料数控无模渐进成形1 i ：“二1 “2 目前最新的金属板料数控无模渐进成形技术不是利用传统的金属模具冲压成 形，而是根据工件的形状几何信息，用三维数控设备控制一个成形工具头作三维 曲线运动，沿其运动轨迹逐层对板材进行局部的塑性加工，使板材逐步成形为所 需工件的新型加工工艺。 该方法最初由日本的松原茂夫提出，其原理如图1 9 所示，将被加工板材架 在一个支架上，在板材四周用夹板和托扳夹紧材料，夹板和托板可沿导柱上下滑 动。加工时，将该装置固定在三轴联动的立铣加工机床上。该机床用事先编制成 的加工程序，控制一个工具头走等高线的方式，将板材逐步压靠在支架上，用渐 进塑性成形的方法取代拉伸成形的传统工艺。 华中科技大学硕士学位论文 图1 1 0 成形工件( 日本) 该项技术最初由日本职业能力开发大学松原茂夫教授9 0 年代提出，到目前还 仅限于实验室研究阶段而且仅限于研究轴对称零件( 如图1 1 0 所示) ，有关基础理 论的研究还没有开展，但由于该技术所具有的重要而广阔的发展前景，日本的科 学技术振兴会拨出专款支持企业发展该技术，已制造出样机，但由于缺乏相应的 成形理论基础研究，缺乏基于成型理论的控制软件，仍处于实验研究阶段，实验 仅限于轴对称零件，而且成形零件形状简单。美国方面尚未见到有关孩技术研窥 的公开发表的论文和报告。目前国内哈尔滨工业大学对成形球形件在机床上进于 过研究，但最近未有新的进展。 从原理上看，金属板料无模渐进成形技术可加工任意形状复杂的工牛，之可 华中科技大学硕士学位论文 对板材成形技术产生革命性的影响。例如，将其用于汽车新车型样车试制，则可 大大简化样车设计、试制过程：首先，设计人员根据用户要求，和空气动力学原 理，在计算机上用c a d 软件设计所需新车几何形状，然后进行结构设计，将车身 分解为内、外覆盖件，根据覆盖件几何信息制定成形工艺，再由c a m 软件产生控 制指令，驱动三轴数控设备，将板材加工成汽车覆盖件，无需设计、制造模具， 真正实现柔性a n _ t _ 。目前已有的快速原型制造方法很难造出能直接作为零件使用 的薄壳类工件。因此，该项技术既是快速成型技术的发展，也是一种全新的塑性 成形技术。 总结该技术的优点在于以下几点： ( 1 ) 实现无模成形 该成形技术无须专用模具，对于复杂零件仅仅需要作一个简单的芯模，与传 统的整体的模具成形相比，节省巨额加工、制造模具的费用，对于飞机、卫星等 多品种小批量的产品以及用于汽车新型样车试制、家用电器等新产品的开发，具有 巨大的经济价值。 ( 2 ) 将快速原型制造技术与塑性成形技术有机结合 目前已有的快速原型制造方法很难造出能直接作为零件使用的薄壳类工件， 该项技术能够填补传统快速原型制造方法的空白，既是快速成型技术的发展，也是 一种全新的塑性成形技术。可能对板材成形工艺产生革命性的影响，也将引起板 壳类零件设计概念的更新。 ( 3 ) 该技术是对板材局部加压变形连续积累而达到整体成形，具有变形工艺 力小、设备小、投资少；近似于静压力，震动小、噪音低：可以成形其它技术无 法成形的零件。 ( 4 ) 易于实现自动化 三维造型、工艺规划、成形过程模拟、成形过程控制等过程全部采用计算机 技术，实现c a d c a m c a e 一体化生产，是一项很有发展前途的先进制造技术。 从目前国内外在该领域的研究现状看，该技术基本上是一个待开发的新领域。 我们应该尽早开展对这项高新技术的研究，抢占这项技术的制高点，为提高我国 企业新产品开发能力和转变生产模式提供新的技术手段。 综上所述，对于薄板成形来说无模渐进成形是非常合适的，它涉及力学、摩 擦学、塑性成形技术、数控技术、c a d c a m 等多个学科，该技术的发展可推动相 关学科尤其是快速成型技术和塑性加工理论的发展，既有重要的理论意义又有广 阔的应用前景。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 论文的主要研究内容 本文的主要工作在轨迹可视化及成形工艺路径规划软件的开发两方面。加工 路径的动态三维可视化，可以近似的在真实加工前对加工过程进行动态可视化， 并可粗略的进行加工时间的估算，使操作者可以了解整个的加工过程以及发现g 代码文件的错误，避免了加工前的空走刀，节约了时间，缩短了加工周期。由三 维造型软件( u g i i 或p r o e ) 直接生成的加工路径虽然可以直接进行零件的加工， 但对于板料数字化成形这种特殊的加工方法，仍然存在很多不可忽视的缺点和局 限，现有的三维造型软件生成加工路径时，只能生成一个整体的刀具绕z 轴旋转 的顺时针或者逆时针的加工路径，如果始终往一个方向进行加工，由于刀具和金 属板料之间在加工时存在很大的摩擦力，因此在加工比较深的零件时容易造成加 工后零件整体的扭曲，影响了成型后的精度和质量，如果进行顺逆相间加工就可 以较好的解决这个问题。特别的，在加工含有直壁的零件时，由三维造型软件生 成的路径加工时沿直壁直接下刀一次成型，这样做的后果就是肯定会造成板料的 拉裂，如果进行多次渐进成型就能较好的解决存在的问题。因此，这就需要我们 对三维造型软件生成的路径进行重新规划。软件的体系结构如下图1 1 l 所示( 其 中虚线的部分为已有软件的功能或借用别人已经做好的软件模块，实线部分为作 者自己所做的工作) ： 图1 1 1 软件的体系结构 0 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 利用三维造型软件u g i i 生成基于层加工的g 代码文件。 2 ) 根据板料加工的特点，对得到的g 代码文件进行编程处理，使之适合板料加 工( 如顺逆相间加工、直壁零件加工等) 。 3 ) 对得到的g 代码文件编程进行可视化，在重构的三维实体上动态的显示加 工的过程，可以进行加工前的近似仿真，有效的缩短加工时间。 4 ) 可视化后进行刷新操作，以便进行多次的重入。 j ) 输出新的g 代码文件，通过p 姒c 板控制机床进行零件的加工。 全文分为五章，各章内容如下： 第一章概述全文，主要介绍了课题的来源、目的和意义、板材数字化成形 技术国内外发展与现状以及本文的主要工作。 第二章介绍了利用u g i i 的c a m 模块生成加工轨迹的方法以及重要的基本 概念。 第三章着重介绍了板料数字化成形数控加工工艺的规划，主要包括为了避 免零件的扭曲变形的顺逆相间加工、为了避免用三维造型软件生成的g 代码直接 加工含有直壁的零件而导致板料破裂的渐进多工步加工。还介绍了重新生成新的 g 代码文件以及文件的序列化。 第四章介绍了g 代码文件的动态三维可视化，它可以近似的在真实加工前 对加工过程进行动态可视化，并可粗略的进行加工时间的估算，使操作者可以了 解整个的加工过程以及发现g 代码文件的错误。同时，还在加工的过程中添加了 三维刀具以及笛卡儿坐标系。 第五章全文的总结与进一步研究的展望。 1 4 本章小结 本章首先对课题进行了概述，然后对快速原型制造技术和无模成形技术作了 简单的介绍，并且介绍了金属板料无模渐进成形技术在国内外的研究状况，最后 说明了课题的研究目的与意义，概括了课题的主要研究内容以及工作。 1 1 华中科技大学硕士学位论文 2 u g i i 在金属板料数字化成形中的应用 本章着重介绍了利用u g i i 的c a m 模块生成加工轨迹的方法以及重要的基本 概念，其是基于轨迹生成法的软件系统的基础，能简洁方便的得到加工轨迹，无 须经过复杂的切片、数据重构过程，避免因数据的运算转换而产生的数据丢失： 直接利用u g i i 的刀具补偿功能，避免繁琐的三维刀具补偿；能够进行刀具干涉的 检查等优点。 2 1 坐标系统口3 】 机床的坐标系统包括坐标系、坐标原点，对于数控成形及编程，是一个十分 重要的概念，必须对其有完整正确的理解，否则程序编制将发生混乱，操作时更 会发生事故。 坐标采用右手直角笛卡尔坐标系，其基本坐标轴为x 、y 、z 直角坐标，相 对于每个坐标轴的旋转运动坐标为a 、b 、c 。 z 坐标：规定平行于主轴轴线的坐标为z 坐标，主轴选取垂直于工件装夹面 的的轴，其正方向定义为使刀具离开工件的方向。 x 坐标：规定水平的、平行于工件装夹平面的坐标为x 坐标，对于本机床x 坐标的正方向指向左边。 y 坐标：在确定了x 、z 坐标的正方向后，可按右手直角笛卡尔坐标系，用 右手螺旋法则确定y 坐标的正方向，即从+ z 转到+ x 时，右螺旋应沿+ y 方向 前进。 工件坐标系：工件坐标系是编程人员编程时使用的，由编程人员以工件图纸 上的某一固定点为原点( 也称为工件原点) 所建立的坐标系，编程尺寸都按工件 坐标系中尺寸确定。j j n 7 - 时，工件随夹具在机床上安装后，测量工件原点与机床 原点间的距离，这个距离称为工件原点偏置，在用绝对坐标编程时，该偏置值可 预存到控制系统，在加工时，工件嗓点偏置值就能自动加到机床坐标系上，使控 制系统按机床坐标系确定加工时的坐标值。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 坐标原点 1 ) 机床原点 是机床的基准位置，是设置在机床上的一个物理位置，其作用是使机床于控 制系统同步，建立测量机床运动坐标的起始点。 2 ) 程序原点 是编程员在编程过程中定义在工件长的几何基准点，也称为工件原点，在板 料数字化成型中坐标系要求最好置于零件的上表面上或者最高点以上。 2 3 绝对坐标编程及增量坐标编程 1 ) 绝对坐标编程 在程序中用g 9 0 指定，刀具运动过程中所有的刀具位置坐标是以一个固定的 编程原点为基准给出的，即刀具运动的指令数值( 刀具运动的位置坐标) ，与某一 固定的编程原点之间的距离给出的。本系统采用绝对坐标编程。 2 ) 增量坐标编程 在程序中用g 9 1 指定，刀具的运动的指令数值是按刀具当前所在位置到下一 个位置之间的增量给出。 2 4 成形过程中的进退刀 进刀( e n g a g e ) 与退刀( r e t r a c t ) 是刀具轨迹生成与编辑的一个重要组成部分， 用于确定刀具移动进入或退出运动方式，下图为u g i i c a d c a m 系统中采用的进 退刀方式。 1 ) 切入点( e n g a g ep o i n t ) 进刀过程中位于零件之为外进入成形状态之前的 位置。 2 ) 初始切削点( i n i t i a lc u tp o i n t ) 刀具与零件表面的第一个切触点。 3 ) 切入距离( e n g a g ed i s t a n c e ) 切入点与初始切削点地距离。 4 ) 切入进刀矢量切入点到初始切削点之间的单位方向矢量。 华中科技大学硕士学位论文 5 ) 进给速度( f e e d ) ( 1 ) 切入速度( a p p r o a c h i n gs p e e d ) 指从起刀点( s t a r tp o i n t ) 到切入点之间 的进给速度； ( 2 ) 切入速度( e n g a g es p e e d ) 指切入点到初始切削点之间的进给速度； ( 3 ) 正常切削速度( c u ts p e e d ) 指一个切削段内的进给速度； - 机 一一， i 竺兰 图2 1u g i i c a i i 系统中的典型进退刀方式 ( 4 ) 横越速度( t r a v e r s a ls p e e d ) 指抬刀横越岛屿或单向切削需要抬刀的横越 速度，可以快速移动，但大多数采用5 倍的正常切削速度。 2 5 常用的g 代码指令 准备功能指令： 1 ) 坐标快速定位( g 0 0 ) 与插补( g 0 1 、g 0 2 、g 0 3 ) 指令，这是组模态指令，即 同时只有一个有效，缺省为g 0 0 ， ( 1 ) g 0 0 坐标快速定位，它使刀具以点位控制方式从当前所在点快速移动到 指令给出的目标位置； ( 2 ) g o t 线性插补，可使机床沿各坐标轴方向运动，或在各坐标平面内执行 1 4 华中科技大学硕士学位论文 具有任意斜率的直线运动，或使机床三坐标联动，沿任意空间直线运动； 2 ) g 0 2 、g 0 3 圆弧插补，使机床在各坐标平面内执行圆弧插补运动，g 0 2 为 顺时针圆弧插补，g 0 3 为逆时针圆弧插补； 3 ) g 1 7 、g 1 8 、g 1 9 坐标平面选择，g 1 7 指定零件进行x y 平面上的加工， g 1 8、 g 1 9 分别为z x 、y z 平面上的加工，缺省为g 1 7 ； 4 ) g 4 0 、g 4 1、g 4 2 刀具半径补偿，g 4 1 为刀具半径左补偿，g 4 2 为刀具半 径右补偿，g 4 0 为取消刀具半径补偿；缺省为g 4 0 5 ) g 4 3 、g 4 4 、g 4 9 刀具长度补偿，g 4 3 为刀具长度正向补偿，g 4 4 为刀具 长度负向补偿，g 4 9 为取消刀具长度补偿，缺省为g 4 9 ： 6 ) g 9 0 、g 9 1 绝对坐标及增量坐标编程，g 9 0 为绝对坐标编程，g 9 1 为增量 坐标编程； 7 ) g 9 2 设定工件坐标系。 辅助功能指令： 1 ) m o o 程序停止，在执行完m o o 指令程序段后，主轴停止、冷却液停止、程 序停止。 2 ) m 0 1 计划程序停止； 3 ) m 0 2 程序结束： 4 ) m 0 3 、m 0 4 2 、m 0 5 分别为主轴顺时针旋转、主轴逆时针旋转及停止； 5 ) m 0 6 换刀： 6 ) m 0 8 冷却液开； 7 ) m 0 9 冷却液关； 8 ) m 3 0 程序结束并返回。 其它常用功能指令： 1 ) t 功能一刀具功能，t n n 用于选择刀具库中的刀具，但不执行换刀操作， m 0 6 用于启动换刀操作 2 ) s 功能一主轴速度功能，s 代码后的数值为主轴转速，要求为整数速度 范围：从l 道最大主轴转速。在零件加工之前一定要先启动主轴运转( 1 0 3 或m 0 3 ) ： 1 5 华中科技大学硕士学位论文 3 ) f 功能一进给速度进给率功能。 2 6n c 代码的产生 u g i i 的c a m 模块是一种功能强大的计算机辅助制造模块，它提供了一种交互 式编程产生精确加工轨迹的方法。通过这个模块可以产生刀具位置源文件( c l s f ) 的刀具轨迹文件，允许用户通过观察刀具运动来图型化编辑刀轨，并进行图型化 修改，c l s f 文件同时相应地发生改变，最终的c l s f 文件经过后置处理产生n c 代 码。对于板料数字化成形，能用到的平面铣( p l a n n a em i l l i n g ) z 3 l 2 4 1 模块加 工方式只有几种，现介绍如下： 1 ) 型腔( c a v i t y ) 该模块是工含有型腔的零件，也可以应用于板材中进行外形的加工。是建立 刀具轨迹的一种快速而又容易的方法； 2 ) 轮廓( p r o f i l e ) 以选定的边界曲线为轮廓产生二维的刀具轨迹。在这个模块中必须首先选定 一边界曲线，而后根据刀具是在边界曲线上还是切于边界曲线以及回避岛屿等不 同情况，产生相应的轨迹。 3 ) 层外形( z l e v e lp r o f i l e ) 该a n t 方式是依照z 坐标，以高度按层加工，特别适合板料成形中，最终成 形的零件中含有腔或者柱的情形。 n c 代码产生流程图如下； 图2 2 nc 代码产生流程图 1 6 华中科技大学硕士学位论文 在板料数字化成形中，利用u g i i 平面铣模块，平面铣模块包括完成二轴 或三轴零件生产的各种铣操作程序。步骤如下：( 首先要将工件坐标系和加工 坐标系重合) 1 ) 在加工模块中选取平面铣( p l a n a rm i l l ) ； 2 ) 加工方式( 选用p r o f i l e ) ； 3 ) 步距( s t e p o v e r ) 选用c o n s t a n t 项：输入恒定步距数值； 4 ) 加工余量( p a r ts t o c k ) ； 5 ) 进给量( c u tf e e d s ) 定义进刀抬刀切削快速进给相应的进给量： 6 ) 选刀( t o o l ) 从刀库中选用或重新定义刀具； 7 ) 选定加工面( p a r tg e o m e t r y ) ； 8 ) 定义控制几何体( c o n t r o lg e o m e t r y ) ； 9 ) 定义自动进、抬刀参数( a u t o m a t i ce n g a g e 、r e e t r a c t ) ：其中包括进 刀角度、下刀类型；采用球型刀，直线下刀( l i n e a r ) 。 1 0 ) 定义起始点( f r o mp o i n t ) 、返回点( r e t u r np o i n t ) 安全平面( c l e a r a n c e p l a n e ) ； l1 ) 确认，系统经过计算生成刀具轨迹( c l s f ) 文件； 1 2 ) 经过后处理( p o s t p r o c e s s o r ) 产生p t p 或l p t 文件即n c 代码。 后处理及刀具轨迹的生成步骤 2 5 】【2 6 】： 1 ) 机械数据文件产生器m d f g 机械数据文件产生器m d f g ( m a c h i n ed a t af ileg e n e r a t o r ) ，用来建立或 编辑一a s c i i 格式的文本文件，其副档名将是m d f a ，m d f a 主要用于在后处理 模块产生n c 代码时，作为其参数设定，换句话说，当执行后处理模块时，会 读取m d f a 作为其参数设定，它包括主菜单设定、单位设定及主功能设定。 具体设定根据实际要求而定。 2 ) 生成刀具轨迹 本图形为汽车油箱，由于在高度方向要成形的高度较大，必须增加过渡的图 形，采用每层正向成形，然后z 向下降一个步距生成逆向成形，这两个刀具轨迹 文件经过程序调整，生成一个完整的刀具轨迹的g 代码文件。 华中科技大学硕士学位论文 二7 本耄小结 图2 4 汽车油箱成形加工轨迹 本章着重介绍了利用u g i i 的c a m 模块生成加工轨迹的方法以及重要的基本 慨念它是基于轨迹生成法的软件系统的基础，能简洁方便的得到加工轨迹，它 可以直接提供给p g t a c 运动控制器控制机床进行加工，也为加工轨迹可视化和路径 觇划提供了基础。 华中科技大学硕士学位论文 3 成形头运动轨迹及加工路径的规划 3 1 轨迹及路径规划的必要性 由三维造型软件( u g i i 或p r o e ) 直接生成的加工轨迹虽然可以直接进行零 件的加工，但对于板料数字化成形这种特殊的加工方法，仍然存在很多不可忽视 的缺点和局限，现有的三维造型软件生成加工轨迹时，只能生成一个整体的刀具 绕z 轴旋转的顺时针或者逆时针的加工轨迹，这种方式产生的路径的抬刀动作的 抬刀点和下刀点在同一条直线上，由于抬刀和下刀的不连续性，将会给被加工的 板料造成划伤，对零件表面的光滑也将造成较大的影响。还有，如果始终往一个 方向进行加工，由于刀具和金属板料之间在加工时存在很大的摩擦力，因此在加 工比较深的零件时容易造成加工后零件整体的扭曲，影响了成形后的精度和质量， 如果进行顺逆相间加工就可以较好的解决这个问题，由于顺逆相间加工的抬刀点 和下刀点不在同一条直线上，所以对板料造成的影响是很少的。原始加工方式及 优化后的顺逆相间加工轨迹见图3 1 所示。特别的，在加工含有直壁的零件时， 由三维造型软件生成的轨迹沿直壁直接下刀一次成型，这样做的后果就是肯定会 造成板料的拉裂，如果进行多次渐进成型就能较好的解决存在的问题。路径规划 优化对比图如图3 2 所示。综上所述，由三维造型软件( u g i i 或p r o e ) 直接生 成的加工轨迹有着不可忽视的缺点和局限，而这些缺点和局限是现有的三维造型 软件所无法解决的，因此，这就需要我们对三维造型软件生成的轨迹和路径进行 重新规划。 逆时针加工 图3 1 加工轨迹规划 顺逆相间加工 1 9 华中科技大学硕士学位论文 工步 3 2 加工轨迹的规划 图3 2 加工路径规划 工步2 顺逆相间加工是为了避免由三维造型软件直接生成的加工轨迹总是纯粹的顺 时针或者逆时针加工，从而造成成形后的零件产生扭曲和变形。它的加工方式是 相邻的层的加工方向是不一样的，是顺一逆顺或者逆一顺一逆的加工方式，特 别是对于加工较深零件，顺逆相间加工能较好的避免零件的扭曲和变形。为了得 到顺逆相间加工轨迹的g 代码文件，先用u g i i 的加工模块生成一个顺时针方向 加工的g 代码文件，再生成一个逆时针方向加工的g 代码文件。顺时针加工的g 代码文件跟逆时针加工的0 代码文件对于加工同一高度的层时，其加工语句的行 数和加工的方式是不相同的，而且抬刀和下刀的方式也是不一样的。编程时对 华中科技大学硕士学位论文 于同一高度的层加工，按顺序分别从顺时针加工文件和逆时针加工文件中各取一 层的加工路径的数据。直到两个文件都读完为此，但抬刀动作二者是不一样的， 于是我们重新加入