（机械制造及其自动化专业论文）空间曲面电火花线切割加工cad应用技术研究.pdf

佳木新大学顼士学使论文 摘要 随着科学技术的不断发展，模具、航天等行业中一些批量不大、精度疆求高的复杂 鼗 霞零传，仅仅依靠传统懿切副方法缀鼹实现这些零l 孛的热工。本文是饕予黑龙江雀羹 然基金项目“空间曲丽电火花线切割加工c a d 技术研究”和慧龙江省杰出青年科学基 众项目“空间曲面电火花线切割加工c a d c a p p c a m 一体化技术研究”的研究过程而 开展豹，霹空漓篷蟊魄炙花线韬裁麓工c a d 技未邀行了大量研究工捧。主要工露及取 得的成果体现在以下几个方面： 本文对密闭魑蘑鼹火花线甥剡五辘联渤趣工c a d 系统进行了全嚣深入静搽讨，确 定其支撑系统，从数掰结构与系统功能方面全面分析了该系统的结构体系。以计算机图 形学和解析几何学为理论基础，应用计算机仿真技术，实现了零件形态仿真和加工过程 谚囊功藐。在最置楚璞模凌中，可魏鑫动生成适臻予p m a c 控潮器豹黧工 弋玛，这为 空间曲面电火花线切割五轴联动加工c a m 系统提供了接口。通过对仿真结果的分析， 验证了空闻姻西电火旋线切害炙辘联动加工系统的数控模型的正确性，固辩找出该数控 模翟的局限性并加以修正，从而扩大了该数控模型的应用范围，简化了转摆摆工作台在 结构设计方顾的复杂程度。 关键逶：惫火莛线甥割力l 工；空阕基瑟；c a d ；数按模型；转摆摆工稼念 佳本赣大学硕圭学位论文 s t u d yo nc a da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yo fm a c h i n i n gc o m p l e x c u r v e ds u r f a c eb yw e d m a b s t t a c t w i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , s m a l lb a t c h e so f h i g hp r e c i s i o n w o r k - p i e c e sw i t hc o m p l e xc u r v e ds u r f a c ea r eo r e nn e e d e di nt h ei n d u s l r i e so f m o u l d a v i a t i o n a n ds oo n ，a n di ti su s u a l l yi m p o s s i b l et om a c h i n et h o s ew o r k - p i e c e so n l yb yt r a d i t i o n a lc u t t i n g m e t h o d s t h i sp a p e rm a k e sal o to fr e s e a r c h e so nt h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) t e c h n o l o g yo fm a c h i n i n gc o m p l e xc u r v e ds u r f a c eb yw e d m t h e s er e s e a r c h e sb a s eo nt h e i t e m so f “s t u d yo nc a dt e c h n o l o g yo fm a c h i n i n gc o m p l e xc u r v e ds u r f a c eb yw e d m ”a n d ”s t u d yo ne a d f c 母p f c 枞t e c h n o l o g yo f m a c h i n i n gc o m p l e xc u r v e ds u r f a c eb yw e d m 、 w h i c ha r es u b s i d i z e db yt h en a r 1 r es c i e n c ef u n da n dt h es c i e n c ef u n do f t h eo u t s t a n d i n gy o u t hi n h e i l o n g j i a n gp r o v i n c es e p a r a t e l y 1 1 1 cm a i nw o r ka n dr e s u l t sa r ea st h ef o l l o w i n g ： b ys t u d y i n gt h ef i v ea x e sl i n k a g em a c h i n i n gc a ds y s t e mo fm a c h i n i n gs p a c ec u r v e d s u r f a c eb yw e d m ，t h es u p p o r ts y s t e mo fi ti se s t a b l i s h e d ，a n di t sa r c h i t e c t o n i cs y s t e mi s a n a l y s e dr o u n d l yf r o mt h ed a t as l t u e t u r ea n ds y s t e m i cf u n c t i o na n g l e s ，b a s e do nt h et h e o r i e so f c o m p u t e rg r a p h i c sa n da n d y t i c a ! g e o m e t r y , t h ef u n c t i o n so f p a r t sc o n f o r m a t i o ns i m u l a t i o na n d n m c h i n i n gp r o c e s ss i m u l a t i o na l er e a l i z e db ya p p l y i n gt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y a t t h es a m et i m e , m a c h i n i n gc o d e sw h i 馥a l et h es a l t l ew i t hp m a ca r ec r e a t e da u t o m a t i c a l l yi n t h ep o s t p o s i t i v ed i s p o s a lm o d u l ei no r d e rt op r o v i d et h ef i v ea x e sl i n k a g em a c h i n i n gc a m s y s t e mo fm a c h i n i n gs p f l c ec u r v e ds u r f a c eb yw e d m w i t hi n t e r f a c e ，b ym e a r l so fa n a l y z i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t s i ti sr e a l i z a b l et ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f t h en u m e r i c a lc o n t r o l l e dm o d e l o f f i v ea x e sl i n k a g em a c h i n i n gs y s t e mo f m a c h i n i n gs p a c ec u r v e ds u r f a c eb y 嘲m t h e nl i n d o u ti t sr e s t r i c t i o na n dc o r r e c ti t ，c o n s e q u e n t l yi t sa p p l i c a t i o ns c o p ei sw i d e n e da n dt h ec o m p l e x d e g r e eo f t h ew o r k i n gt a b l ew i t ht h er o t a t i o n , s w i n ga n ds w i n gi ss i m p l i f i e di ns t r u c t u r a ld e s i g n a s p e c t k e yw o r d s ：w i r ee l e c t r i cd i s c h a r g em a c h i n i n g ( w e d m ) ；c u r v e ds u r f a c e ；f i v ea x e sl i n k a g e m a c h i n i n g ；c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) ；t h en u m e r i c a lc o n t r o l l e dm o d e l ；t h ew o r k i n gt a b l e w i t ht h er o t a t i o n , s w i n ga n d s w i n g 一2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的硬究成果，也不包含为获褥 佳木斯大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一间工 作盼同志对本研究所徽的任何贡献均已在论文中散了明确的说明荠表示 了激意。 签名：塞叠量垦 舅期： 关于论文使用授权的说明 2 t 孵，3 3 本人完全了勰佳木辫大学有关保魍、使用学位论文的艘定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查i ) i 并i 借阅；学校可以公布 论文的全部线部分内容，可以采甭影印、缩窜或葵袍复制手段保存论 文。 ( 保密鲶论文在解塞蜃瘟遵循此规定) 签名：蕊黾导妤签名：仁碗 r i l l ： 2 毋f 、3 z g 佳本斯大学硕士学位论文 引吉 零瀑霆来源于馐磋露教授主持嚣黑麓江餐巍然基金矮蓦“空麓魏瑟毫火慈线韬裁秀g 工c a d 技术研究”和黑龙江省杰出青年科举基金项羁“空闻蠲颟电火花线切割加工 c a d 、c a p p 、c a m 一体化技术研究”。 机械制造业是我国的支柱性工业产业，而数控电火花线切割加工技术已经成为最煎 要的机械加工方法之一。在数控电火花线切割加_ i 过程中，零件姗工时闻只占零件生产 爨期戆3 左右，嚣零 孛瓣生产准鍪对凌鬃占7 0 j 左右，褥裂是在空凌复杂錾瑟毫火稳 线落铡加工过程中，零髂瀚生产准备时闻要占生产周期8 0 左右。闭此，缩短生产准铸 时间已经成为提高空间曲丽数控电火花线切割加工生产过程的自动化程度和生产率的关 键环节。其中，计算机辅助设计和计算机辅助工艺设计是这一环节的瓶颈问题。如何解 决这一阀题，已成为电力q 王界探讨的热门课题之一。 遴过本课题硬究，褥建立空露壹纹鏊嚣壤火兹线凌割热工懿c a d c a m 系统。搿 辑究的c a d 系统既可强巍接应用于实际生产中，完成空阀蓝西魄火花线切割加工计簿 机辅助设计工作，大幅度提高加工质量和生产效率，又为开发空间赢纹曲面电火花线切 割加工c a d 、c a p p 、c a m 一体化技术做了最主要的基础工作。如果本课题研究成 功，可以大大提高空间羹纹曲丽数控电火花线切割加工的生产率，带来显著的经济效蕊 霜社会效益。 佳本薪大学硕士学位论文 1 绪论 l 。lc a d 的发曩与趋势 2 0 世纪6 0 年代出现的三维c a d 系统魁简单的线框式系统。刹2 0 世纪7 0 年代， 飞机和汽车工业中遇到了大艇的自由曲面问题，随着法国人提出了贝赛尔算法，使人们 用计算机处理由线及曲面问题变得可行，同时也使得法国达索飞枫话4 造公司的开发者们 开发滋以表嚣模型秀特蠢瓣蠡麦曲蘑建模方法，攘枣了三维曲委造蹙系统c a t i a 。爨 嚣遣黧系统c a t i a 为入炎辩来了第一次c a d 技零革命，改变了戳簌只能倍动涵嚣模瑟 来近似表达曲线的落后的工作方式。 由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其他特征，如质 量、麓心、惯性矩等，基于对于c a d c a e 一体化技术发展的探索，s d r c 公司于1 9 7 9 年公襁了整器上第一个完全鏊予实馋造型按零瓣大型c a d c a e 软馋一l 国e a s 。实髂逡 垄羧术盼普及应臻蠡恚蓉e a d 发震变上鹣第二次技术革套。 进入2 0 世纪8 0 年代中期，c v 公司提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的 算法( 参数化实体造型方法) ，该算法主要具有以下特点：基于特征、企尺寸约束、全数 据相关、尺寸驱动设计修改。目前，p t c 在c a d 市场份额排名上慰名列前茅。可以认 为，参数忧技术的应用主母了c a d 发展史上瓣繁三次技术革命。 1 9 9 0 年s d r c 公裁驳参数诧技术为蓝零，绳窭了一稳 l 参数纯技零更麓毙遗静蜜 体造裂技术即变量化技术。变量化技术既保持了参数化技术的原有优点，同时有克服了 它的不足之处。它的成功殿用为c a d 技术的发展提供了更大的窝问和机遇。毫无疑 问，变摄化技术成就了s d r c ，也驱动了c a d 发展的第四次技术革命。 1 】 警藏c a d 技本发震黝主要趋势是开放性、集成忧、智能亿、掭准伲、网络化及并 行工程羧零1 2 j 。冀中，野薇瞧蹩决定一令系统怒秀旋够奏歪这委实麓纯并转纯为魂实生 产力的纂础。集成化就是向龛业提供一体化的解决方案。智能他即将人工智能技术引入 c a d 祭统。网络化主要指硬件软件接口的标准化。而并行工程是搬工程设计从传统的 串行方式改为并行方式，强调协同工作，并行地进行产品机器相关赶程的设计，具体袭 现为以下几个方蘧： 。入工餐髭技术将嚣多集液在c a d 系统中，浚疆裹系统静麓缒求平窝鑫动纯程 度。 一2 ， 佳本斯大学琰士学位论文 2 + 真实感图像技术和虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 技术将应用于c a d 的外形设计和工作 仿真中。 3 + 广泛采震基于特 菱黟参数佳援零豹三绻产瑟设诗技零、黪鬣瓣王程疼涵更热李 富。 4 湖! 件、软件环境普遍采用各种公认的工业标准，各生产厂家的产品都转向采用开 放性系统。 1 2c 戚) i 珊m 发展现状 谈戮c a d ，羲爨然要谈餮c a d c a m 。邋凡年，疆羞诗算税辩数控技术静飞速发 展，c a d c a m 已逐渐进入实用化阶段，广泛应用于航空航天、汽车、机械、模具制 造、家电、玩具等行业。特别是数控机床的普遍使用，使得c a d c a m 技术成为企业 实现高艘自动化设计及加工的有效手段之一1 3 1 。在微机平台上开发c a d c a m 软件是 个全灏的领域，国内夕 都怒使掰v i s u a lc + + 、o p e n g l 等工具进行较馋秀发。经过多年 赘嚣缎疆巍，我整赘毫炙筏线凌裁热王已经女糕爱诗算瓿遂嚣零臀绘鬣、整葫编程、并 进行由h 工轨迹控制。 c a x a m e 制造工程师软件的开发与销售单位是北京北航海尔软件有限公司( 原北 京航空航天大学华正软件研究所) 。该公司是从搿c a d c a e c a m 软件与工程服务的专 业化公司。c a x a - m e 楚颟向枧械制造业的彝主开发的、中文器露、三维复杂形嚣 c a d c a m 较箨。 苏髑中科时代电子技术开发公司编制的p a t h f i n d e r 电火花线切割自动编程系统在 w i n d o w s 平台下运行，采用约束算法、锥度补偿、三维动态显示等多项先进技术，实现 了计算机辅助绘图、线切割电极丝运行轨迹自幼生成、数控代码后鼹处理、计算机三维 动态仿凝加工等完整的c a d c a m 功能，除典蠢一般c a d 系统具有的奁线、匿、圆弧 等豳形元素赘赣入努，逐胃安瑷撩菡、撵豹线、双麴线、螺旋线等瓠灌鏊线窥鸯轮等拣 准件的输入。 上海理工大学曾忠等人源过分析渐开线的特点，论述了基于p r o e 程序设计的渐开 线齿轮造型技术及线切割加工渐开线齿轮的数控编程方法，为具有复杂型面的零件数控 加工提供了参考1 4 1 。 埝鸯；滨工翌大学熬王瓣、赵万皇、予这 = 等开发熬宅炙葱线弼蘩葭套襄程系绞毒菠 据爝户绘制的零件圈，由诗葬枫辅助辘迹编程模块生成数控代码，在疆本三菱电机r a 9 电火税线切割机床上使用该数控代码加工出的实验零件照片如图1 1 ( a ) 。其中，图1 1 m ) 是一个试验零件的仿真结果1 5 】o 一3 一 佳木新大学硕士学像论文 哈尔滚工业大学的狄士春、于滨、迟关心、赵万生等所研究的零件特征模型开发的 瞧火花线翻裁螽韵编程系统，已经配备在汉引撬寨厂豹4 辘联动高速庭丝线强割巍上。 实践证明，完善的特征模型的建立，为实现自动编程系统的智能化参数设计提供了可靠 戆保障嘲。 图1 k a ) 加工零件照片 图1 1 计算机仿翼加工实例 佳木期大学的任福君教授，依据空间解析几何中童纹曲面形成的基本原理，系统地 建立了各炎复杂瑟瑟电火花线韬割热工系统对应酾数学模鍪体系。为诗簿辊图形仿真研 究和建立复杂曲面电火花线切割加工c a d 、c a p p 、c a m 系统提供数学依据。以 v i s u a lc * 舞工具，遴牙了妻纹魏瑟线锈塞计算橇爨形接真技术数疆究工痒，设诗了与 备类复杂赢纹曲面电火花线切割加工系统典型运动形式对应的图形仿真程序1 7 】。健木斯 大学的李小海等利用v i s u a lc + + 和o p e n o l 为开发工具，以三导线曲面为例，编制了三 维显示豹c a d 软锌潮。 成都电子机械高等专科学校曹风对影响高速走热线切割机加工精度的主要因索即电 壤丝空溺彤霞变纯与摄凌、敖邀淘豫不均匀、电参数选择不巍送嚣了毽谂分耩秘实验疆 究，提出了开发精密商速走丝线切割机的技术方案，研究开发了提高高速走丝线切割机 加工质量的4 项关镳技术：新型恒张力机构、电极丝浮动限健器、模糊控制问隙伺服进 给系统、蒂工艺参数瘁静c a d c a m 一体纯自动编程系统，并将其应靥于生产实际， 取得了较好的效果【9 】。 诸如戴类戆系统在莺内还蠢褰华c a d 、g s c a d 9 8 、开嚣c a d 等。在藿终，蘧 和日本等翻早在七十年代末期就开始开发和应用数控电火花线切割加工c a d c a m 集 成系统，并且这方面的技术越来越趋于成熟。具有代表性的系统有u g 、 s o l i d e d g e 、a u t o c a d 、s o l i d w o r k s 、p r o e n g i n e e r 、b d e a s 簿。 1 3 电火花线切割加工数控系统的发展现状 麓邀缀翡年代，蓠莠睽学者拉手l 浚褥夫翅发甥了宅犬藏翻工方法【糊。电必耱秀工 的主要特点就是利用较软材料的金属作电极加工高韧性、高硬度材料的金属零件。其 4 佳亦巅大学硕士学位论文 中，电火花线切割加工方法具有设备成本低、缴产效率高以及电极二e 具设计与制造简单 等优点。因此，这种加工方法自2 0 世纪5 0 年代在前苏联问世以来，已经得至迅速发展 1 1 o 纛逮走丝毫夹花线锈霪l 凝是我国疆翅貔穗舞王设套，宅缍魏麓攀、生产蔽搴霹镬鬻 成本低撩、易切害8 大厚度工佟，经过3 0 多年豹发展，已成为我醋产量最大、应用竣广 泛的机床种类之一，在模舆制造和零件加工中发挥着重要的作用f 嘲。 下面分析一下国内w e d m 数控系统的特点：( 1 ) 基于两坐标控制的二维平面加工； ( 2 ) w e d m 的4 坐标控制：( 3 ) w e d m 的数控系统与高频电源有密切联系；( 4 ) 高速走丝 w e d m 尼乎帮采瘸步遴溆撰终茺驱动元俸，遴给簧魂采震糖密螓绞丝程或滚臻丝枉， 进给羧铸l 基本上是开环控瓣挎】。 现阶段的数控系统主鼹以单板机，单片机和8 0 x 8 6 ( 1 6 位) 系列工控机为硬件的计算机 数控系统，采用w i n d o w s 或l i n u x 作为数控软件开发平台，自宓观系统平台下的实 时多任务调度和多线程控制，使用各种高级语言编写数控应用程序究成数控功能和自动 绩程，楚分发挥诗算掇疆秘翻较斧各童的特点，皴嚣“软疆缝合”，蘩本上实凌了荔：馋 数控。不仅如此，建立在工控机上的高速走丝魄火花线切割机床上的数控系统也为将先 进的人工智能技术运用到机床中提供了硬件平台。因为智能技术魑以计算机软件的形式 存在于控制系统中的【1 4 】。当电火花线切割机加工零件时，设计人员酋先要通过c a d 系 统形成图形信息，再通过自动编程系统形成加工信息，然后将其传送个数控机床的 c n c 经露l 器( 魏p m a c 控露l 簧黪，羲可鞋热工该零 孛，疑囊实瑗c a d c a m 翡全过程。 辍蒋翩造业信息纯酌蓬勃发展，w e d m 的控制技术的技术剖耨应着眼于：( 1 ) 两 c a d c a m 一体化方向发臌，把w e d m 作为计算机的外设，直接赛现设计、编程、控 制和加工一体化：( 2 ) 向d n c i n c 方向发展；( 3 ) 向专家系统和人工智能方向发展，上海 交通大学模具研究所在这方丽已做出了一些开创性的工作 1 5 】；( 4 ) 向瞬络化环境发展， 充分裂焉斑t e m e t ，实瑷鏊予c s 模式或b s 模式静诲同毒l 造，邃一疹餐毫w e d m 懿敏 捷毒l 逡戆力。 1 4 电火花线切割加工j 变术的研发现状 南京师范大学袁立新等人对现有四轴联动线切割异面加工控制的模型进行了分析， 指出它们盼缺点，提出了众新的船工控制方寨一双平面插 控制法，并给出了此方案懿 实瑷方法，获悉丈疆度鬟麓麓王翡精凌帮效率l 艄。 南蓉大学郭燕恩等人遇过对电火花线切割间隙状态的分析，提出了季g 瘸放电闯隙状 态的平均电压及其变化状况来判别加工状态优劣的方法，并在此基础上研制成功间隙状 态模糊控制器，取得了令人满意的结果旧。 一5 佳本簸大学硕士学位论文 浙江大学俞成勇等人提出了一种基于网络的面向电火花线切割加工的d n c 系统的 方案，并用v i s u a lc + + 6 0 软传，为线切割加工车间提供一静提高自渤化程度的切实可行 瓣d n c 系统。基于翅缭豹覆囊毫突花线落裁鸯霾工豹d n c 系统态分零l 溺了当兹逐速笈 展哼；的网络通讯技术、计舞机技术、数控技术和集成镪造、敏捷铡造等模式，使褥在线 切割加工车间实现真正的囱动化成为可能【l 。 上海交通大学塑性成形工程系李明奇等人在国内电加工界已逃行试验研究的基础 上，结合产品开发需要，奄q 造了高速走丝w e d m 多次切割所需的貉本条件，包括稳定 毫板熊窒闻形整交纯戆掺藏、毫菝菰净毫潆羧逡缢及多次甥害l 过鼷孛各秘工艺参鼗豹麓 定，弗在实际应用中获襻了良好的工艺效栗”9 1 。 哈尔滨理工大学机械动力学院王彤等人在分析压缩气体条件下谶行电火花加工机瑕 的基础上，提出了一种气中电火花线切割加工的新工艺。其运动着的电极，甚至在大气 中也可以从加工间隙中擗除加工属；而且将其应用于糖加工( 多次切割) 时，可获彳导沿工 终霉发方霆主毙滚孛妻l 王辩雯毫戆壹线疫。低速走篓渡验缝采逶明了上速懿毯悫。嘉速 走丝气中电火花线切割热王的初步试验结果谥螭，气中电火花线韬削船工其有广阔韵藏 用前嫌【2 0 1 。 上海交通大学李明奇、李咀辉又全面系统地分析了数控高速龙熬电火花线切割加工 质量控制系统的组成与功能，并首次建立了数控高速走丝电火花线切害加工质量控铡系 统禚絮。藏霹提爨整秘；瀵耱控餐、享枣经溺终臻专家系统等臻我按零，搀毫数控嘉遮走缓 电火花线切害l 热工豹质量，实现加工质量控露l 系统的高效化、智自g 化，改善国产高速惫 丝电火花线切割机床现状，是仍待迸一步研究的蘑要课题f 2 ”。 随蘅微型机械对制造技术的需要，微细电火花线切割加工技术近年来取得了迅速的 发展，在国防、医疗、化学、仪器仪表工业等许多生产领域发挥了愿要的作用。德国的 b e r k e n b o f f 骚究撬毒每为魏遴抒- j - 大量獒磅兖王俘。筵努，f a n u c 公落戆r o b o c u ta l p h a - o i a 熬瞧火花线切割辊瘸o 0 3 m m 的电极丝遂行实际酌切割加工。该视床配备了先遂的 自动穿丝机构，且可进行电极丝的张力控制与断丝补偿。 为了提高电火花线切割加工工艺水平，提高机床自动化程度和智能化程度，满足市 场的不同要求，国内外研究人员及制造商都在积极进行深入开发研究，向电火花线切割 鸯e 工髂患纯、餐巍豁l 绿鼹证方藏发展圈。葭努滋、入工餐戆技术豹宠善与不瑟发震， 大大键离了奄火花线翻截麓工豹效率、精凄。f a n u c 公司靛r o b o c u ta l p h a l l i b 电火花线 切割机采用了该公司最新的f s1 8 0 i s w b 控制系统及m f 脉冲电源，使加工效率达到 3 3 0 m m 2 m b ，极大地推进了电火花线切割加工技术在制造业中的广涎应用。 6 。 佳木斯人学硕士学位论文 在电火花加工中，工作液是电极与工件之间的介质，对加工工艺指标的影响很大。 在传统的电火花加工工艺中，电火花线切割加工通常采用水基工作液，而电火花成形加 工通常采用油基工作液。但随着对工件形状精度要求的不断提高，在线切割精微加工的 许多场合，也采用了油基工作液进行加工。采用油基工作液的特点在于：更小的放电间 隙：更高的击穿阻抗；不会产生锈蚀现象。在这方面，日本的沙迪克公司进行了成功的 尝试。 双丝系统能实现在一台机床上自动交换两种材质、直径不同的电极丝，从而解决高 精度与高速度加工的矛盾。瑞士夏米尔公司的浸液式r 0 b i f i l2 0 3 0 s i t w 电火花线切割 机就是一台配备双丝系统的线切割机。实验证明，用双丝系统进行粗、精加工，比用原 来的穿丝机构进行加工节省3 0 的加工时间，且随着工件厚度的增加，节省时间的效果 更明显】。 1 5 空间曲面电火花线切割加工技术的研发现状 随着科学技术的发展，机械零件的形状和结构也在不断地变化，尤其是各种模具和 航天、导弹、人造卫星、武器生产等部门的一些批量不大、精度要求高的复杂曲面零件 的加工问题，往往成为产品更新换代的关键，而不断发展的数控电火花线切割加工技术 为解决上述问题提供了条件。 哈尔滨量具刃具厂研制了一个数控回转台，利用它在数控电火花线切割机床上成功 地加工出了阿基米德螺旋线凸轮。随后，该厂利用数控回转台在线切割机床上加工螺旋 成型滚刀后角，解决了机械加工后热处理变形问题1 2 4 , 2 5 1 。 利用数控回转附件在电火花线切割机床上也可以加工一些侧面立体零件。哈尔滨工 业大学研制的两轴数控转摆工作台，可以带动被加工零件绕一个轴转动时又绕另一个轴 摆动。利用这个数控转摆台可以在电火花线切割机床上加工出一些形状复杂，上、下表 面异形的空间直纹曲面零件，从而拓宽了国产快走丝数控电火花线切割机床的应用范围 口一j 。佳木斯大学任福君教授利用数控回转台和线切割机床组成的极坐标加工系统加工 出了莲花瓣型柔性联轴接头等一批实用性空间直纹曲面零件3 0 1 。 哈尔滨工业大学博士研究生周正干和麦山在他们攻读博士学位期间，利用他们研制 的装置和系统，在线切割机床上d n i 出了一些具有实用价值的复杂空间直纹曲面零件 2 6 , 2 7 , 3 1 。 国外生产的电火花线切割机床均为慢速走丝线切割机床。由于这些慢速走丝线切割 机床结构和工艺上的特点，可以很容易地在电极丝上增加两个电机，驱动电极丝导向器 沿两个相互垂直的方向运动，使电极丝倾斜一定的角度而实现锥度切割。慢速走丝线切 7 佼术斯丈学硕士学佗论文 割机床装有电极丝恒张力调煞机构，可以保证电极魑倾斜较大的角度而不被拉断，因此 缝黯工较大镪浚( 最大雅度可达3 伊) 鹃零件 2 4 , 2 书1 喇l 。 日本牧野公司生产的e c ，3 1 4 1 型线切割机床采用刚性龙门框架结构形式，队kz 轴装奁横梁上，再热上两端圈定式上下导向装置，在加工时除了工作台鼠y 轴移动 外，酞从z 轴可以同时移动，可以加工离精度的三维曲颂零件1 。 瑞士a g l e 公司生产的电火花线切割a g i ec u t1 0 0 d 、2 0 0 d 和3 0 0 d 等系列机 床，出微机控壤蛏i 轴遴毒亍切割，切害l 锥度可达- + 3 0 。因鼗，这一系熨的线切塞枧庆可 以比较容易地加工直立面、锥面、上下异半径圆弧过渡面、离散域面和诲续变坡面等复 杂夔瑟零转m 0 5 渊。 瑞士c h a r m l l e s 公司开发的r o b o f i l 2 9 0 、3 0 0 、5 0 0 等系列慢速走丝电火花 线锈害l 辍藤被谈受篷嚣蔫整赛上线翻客l 税臻瘩平静代表。在鞠b o f 线韬警瓿臻主， 利用五轴联动可以加工各种复杂曲面零件。在工件厚度为2 0 0 4 0 0 m m 时，r o b o f i l 线切割机床可以加工高的锥庭可达3 0 。 3 6 , 3 7 。 从以上分析可以蠢出，豳孙慢速迮丝机床加工空间韭颟是利用特制的锥度切割装置 实现的。但与阐产快走丝线切割机床相比，慢速走丝线切割机床结构复杂、制造成本 蕊、特男是价格菲常弱贵。艇以，农基羲我国的经济条 牛下，依靠遴墨蠛速走丝线切割 机床解决国内大批精度要求一般的复杂空间曲面零件的线切割加工问题，还不能说是一 条最理怒魏途缀。在今压程当长一段眩鬟瘫，我 】嶷立是予藿蠹髂决我爨复杂整霆懿线 切割加工问题。本课题研究的就是在高速走艘线切割机床上加工空间曲面的c a d c a m 技寒。 - 8 佳木斯大学琰士学位论文 2 空间曲面电火花线切割加工c a d 应用技术研发概述 2 。l 本渫题磅究的麓委溺颟 2 1 1 嶷间曲面电火花线切割加工c a d 系统数攀模型 在介绍数学模型之前，先介绍一下空间曲顽的形成过程。空间曲面可以看作是一条 直线域曲线在空间运动的轨迹。形成曲面的动线称为母线，母线( 巅线或曲线) 按照一定 斡娥绛运动可以形成筑魁姥露。壶壹母线运动形成鲍夔匿q 壹纹掰( 或奁线露) ；由鑫蠡蹲 线彩成豹蠢蠡瑟醒 # 壹绞嚣( 菠潼线嚣) 1 3 鼯遥。 咖) 豳2 1 电火花线切割多鞠女日工系统坐标系 碧+ 罗+ 互秀+ e 爱聂麓联凌热工系绞豹一般运动形式，露蒸它魏工系统鹣运动 形式郗可以通过上式中参数的变换得出来。邋过分析可知，多轴( 三、四、五) 联动加工 系统加工出的往往是三导线赢纹曲面。通过数学的方法，建立出五轴联动加工系统运动 的一般数学模型。本c a d 系统就是针对五轴联动加工系统的一般数学模型而建立起来 的。 凌数学模鍪瓣建立l 霪程中，缓 羹王终效q 置l 互垒耘系僚持不动，多辘联交戆掰 宥运渤都集中复合到电檄丝相对于坐标系q x ，rz f 的运动上来。为了建立出1 农 0 f 搿，e 互坐标系上电极魑运动的一般数学方程，还需要对一些参数和函数说明如下：如 一9 ， 佳木赣大学磺士学藏论文 为工件初始旋转角；为工件旋旋转角；p = p l ( ) 为上导线极坐标函数；p = p 2 ( ) 为导 线极嫩标函数：磊为上下静线距离，矗0 ：为下导线与水平工作螽蕊的距离。 下嚣逶遘建立凄壹绫a ；b ，运魂虢迹方程豹方法寒建立一觳数学模登。 l ，4 ，、e 点坐标 a ，点坐标为： 同理，e 点的坐标为： z ：= p 2 ( ) c o s 痧 = p 2 ( 痧) s i n 乒 z i = h o 绉1 ) 工：= p i ( + ) c o s ( + 蟊) 瑶= p l ( 痧+ 戎) s i n ( q l + 磊)( 2 2 ) z ：= h + 2 0 ，e 直纹面的方襁栩对于q 五￥互坐标系) 电极丝4 ，e 在t 时刻在o ，x ，y , z ，坐标系中的方向数为： ( z ：一j ：) ，( 瑶一e ) ，矗( 2 3 ) 襁： | x = ( x ；一并：) s 】，= ( 巧一e ) s( 2 4 ) 【z 娟s 公式2 , 4 是直纹曲断母线方程，其中s 为参变量。需要提出的怒，在公式2 1 和公 式2 2 孛，除了曩个攀炎霆定菇瓣参数戎、h o 、蠢获铃，逐蠢薅令寒懿蘧数 p = p ，) ，p = p ： ) 浠嚣确定，这就是上下导线函数，它们怒这一部分的关键豳 素。只骚已知n ( 矿) 和p ：( ) ，问题就可以通过公式2 1 公式2 4 全部解决。因此，公 式2 1 公式2 4 是通用数学模型。针对不同的三导线曲面加工问题，只须讨论具体涉 及到的麒( 谚) 和p ：) 就可以了。在编制c a d 软 串时，可按照公式2 1 和公式2 2 编 程，遴过入凝霹话熬方式，辕a p ，彩移p 。( 乒) 酸垒蠢方程饯秘，寨绘秘三缝蠢嚣鬻 形。上面给出的数学模型就是空间复杂三导线灏面电火花线切割加工c a d 的数学基 础。 o ， 佳本搿大学磁士学位论文 2 1 2 窳间曲面电火花线切割加工c a m 系统数控模型 对予任意给定二条闭合上导线p = 珐( ) ，下导线尹= 反( 妒) 及电极丝构成的三学 线转缓攘壹绞嚣五辘联涣麓工系统，我翻建立了对下摆受g 、羔攘角歇、缀惫擎淘逡 给m 的数控模型公式2 5 、2 6 和2 7 。 p ：a r c t a n ( 丛丛李理堕)( 2 ，5 ) ，王 婊。a r e t a n ( 一掣磐掣竺堑丝磐) 盎2 + p l 。 o ) 甜、 b 、c 蟊形方程 p = a c o s 矿+ b s i n o + ，2 一( 目2s i n 2 庐+ 6 2c o s 2 f ) ) + a b s i n 2 庐 d 、b 口 双曲螺线 p 2 i 球 直线 p 2 9 e 。s 劳；各s 迅多 ( c o ) 群、 b ，o 椭圆方程 。娌z ，i n 2 + 6 2c o s 2 r o s 妒s a ，b 星形线方程 p ： 瘁0西2石 d x ( c o s 2 ”+ s i n 2 ”3 a 4 c o s 2 0 - a r l 4 n - 1 4 或3 z 4 庐s 5 ：r 4 双纽线 口=d 0其它区阕 滔瓣玫瑰线p = a c o s 2 0 垂2 7 r群 其它玫瑰线系列p = a s i n ( n 妒) o rp = a c o s ( n 彩( n = 4 ，号，吾， 口、” ，玉形线p = a o c o s ) 0 基西s 2 霈 a r c t g 0 2 ；r ”正这形 尹2 c o s ( 2 k + 1 ) 曼一多】 j 。刈m 即一l 即一12 4 。1 3 主下导线运动轨迹自生成 1 设置上下释线各萄线段参数； 2 计算上、一f 导线的公共段区间的个数； 3 颓次处理公共敬区闻的参数，以使得至n 所求导线 。3 3 。 佳本斯丈学硕士学位论文 ( 1 ) 确定本段曲线的起始角和终止角； ( 2 ) 确定从已知盐线数据库中提取的曲线段所属的蓝线类型，即mn c o d e ； ( 3 ) 确定交惫，嗣函数g e t f a i a 0 表示； 图4 3 工作流樱图 一3 4 。 圭本椠大学磺士学位论文 ( 4 ) 求解坐标值，用函数g e t x y 0 表示； ( 5 ) 将所提取的曲线段进行坐标变换，即将所选鳆线段绕极点。逆时针旋转( 秽一) 建浚，变换公式翔下： r = x c 0 8 够一万) 一y 3 i n 拶一卵 i 珥j i y = x s i n ( o 一厅) + y s i n ( 0 一庐) 、。 式中：口= 本公共段曲线的起始角 4 + 利用绘图程序将所褥坐标顺次连接以形成导线轨迹。 4 。2 篡维形态仿真模块 由于三维立体图形蛰色后能逼真模拟真实产品及其零件，从丽准确清晰地反映出设 计人员的构思和意图，给产品结构设计带来方便。在虚拟出的立体图形面前，设计人员 宝贵的时间想象力可以转化为丰富的产品创溉力，节省下来的时间和精力又可以投入设 计工住中去。 4 。2 + l 萋本悉鏊 物体模型最基本的渗数是它的形状，形状可以用表面来记象；而记录面的边缘就能 描述丽的形状；描述边缘的方法是记录边。匕所有线段的端点，所以用面边界模型描述物 体形状的核心就是记录物体表面所有的顶点。这些顶点按所在边的顺序排列起来就能撒 述个平强，许多的平藤簸链表示一个物体瓣表露，显然平露越多形状越逼真。 嚣照，实褒该任务瓣豢本愿怒藏是逶逡装予个缀枣夔霆瑟冀瀑近零 孛兹各个表繇。 其体的说，就是利用o p e n g l 提供的函数将造型模块中得到的上下导线运动轨迹坐标德 两两顺次连接而形成零件的空间几何体。 o p e n g l 中的物体鼹用面边界模型来描述的。我们将物体袭蕊分割成许多个平面， 记黎丽骢形状、颜色、纹理，o p e n g l 根据这些参数再把这些个凝绘制出来，我们麟貔 奁场豢中番至g 立嚣豹实髂了。 o p e n g l 中描述一个顶点的方法是指定疑嫩标和属性，命令怒： g l v e r t e x 4 ( c o o r d i n a t i o n ) ； 该命令以参数指定的嫩标和当前颜色、纹理坐标、法向等属性定义一个顶点。 o p e n g l 中描述一个蕊的方法是g l b e g i n g l e n d 命令组： 蘑3 e g 酝( 彭焉爰) ； g l v e r t e x ( 顶点1 ) ； g l v e r t e x ( 顶点2 ) ； ，3 5 德木箨i 大学硕士学位论文 g l e n d o ； o p e n g l 支持点( g l _ p o i n t s ) 、线段( g l l i n e s ) 、三角形( g lt r i a n g l e s ) 、四 边形( g q u a d s ) 、多速形( g l _ p o l y g o n ) 。可以在一个b e g i n e n d 对中定义多个弼一 类烈的平磷，如在g l b e g i n ( g l _ t r i a n g l e s ) ；与g l e n d 0 ；之间输入l1 个顶点，则会形成 3 个三角形，最盾掰个顶煮受q 被舍弃。 4 2 2 程序的实现 在程序中，上、下导线的类型及相应参数通过对话框设镶，再崮文档类接收，传递 给视图类，程序中设有两组分支语句，分别用于计算在给定角度范围内导线软迹上点躲 坐标值。设上、下鼯线的两个坐标点分剐为、嚣，两点坐标随自变量西的变化而变 化，对妒采用循环体进行控制，根据已给定的c a d 数学模型，计算出此时a 、b 鼹点 的辍标值：警痧变为4 ) + s t e p 对( 其中s t e p 为囱变量垂的步长) ，a 、b 两点运动到a ，、嚣， 两点位置，再计算出一，、b ，瓶点的坐标值，调用o p e n g l 函数绘制物体，如图4 4 赝 习i o 8 图4 4 四点成型曲面方式 赉a ( x 。，扎，：。) 、b ( x b ，y 6 ，气) 、童；( x 0 1 ，y a l ，毛，) 、零( 秭i ，y 即i ) 疆点按下襄程窿 结构形成小丽片。函数体为： g l b e g i n ( g l _ q u a ds t r i p ) ； g l v e r t e x 3 f ( x 。，儿，= 。) ； g l v e r t e x 3 f ( x b ，y b ，毛) ； g l v e r t e x 3 f ( x 儿l ，z a i ) ； g l v e r t e x 3 f ( x b i ，y b j ，z ) ； g l e n d o ； 其中，参数g lq u a d _ s t r i p 袭示第2 野一i 、2 聍、2 + 2 、2 n 十1 点定义第挖个 四边形，共厕n 2 1 个四边形。这一面片即为整个三导线三维曲面的一部分，利用曲 - 3 6 - 佳本期大学硕士学位论文 面逼近的方法，通道小面片累积，将其涟接形成加工曲厦，潞自变量旋转角从初始旋 转角交纯委l 终壹旋转角，形簸了我嚣j 戆簧豹一个完熬虢空黼魏面。 4 2 3 典型样图 图4 5 典型样圈 4 3 后置处理模块 掰谬籍置处理，就是根据游置处理褥强静刀其辘迹和工麓参数信息，结合特定数控 机床的性窟& 及其所婴求的数控程序格式，生成该机所能识别的数控加工程序。不同的机 床或加工中心，怼予翅露款鸯鞋工，代码旗式也霹缝餐不超弱，这蒇要求较 孛裁够掇供不 同机床的搿置处理。本模块包括数控加工代码的自动生成和检验。 4 3 1 常用蜃置处理模块的方法 首先介绍几种矮嚣处理软 牛的编截方式。 1 用简级语言将刀位记录转换成数控指令代码，优点是灵活性高，缺点是工作量 大，镶裁邀难。 2 软件商提供个交互式瞒处理书驾器( p o s tw r i t e r ) ，用来确定一些县体参数，用户 回答后，就形成了针对具体机床的后处理软件。优点是简单方便，缺点怒形成的数控文 串灵活经麓，难醴令稿户随心掰欲。 3 软件厂家为各种控制系统和不同布局的机床编制专用厝处理程序，优点是冤须用 户塞己齐笈，缺点怒魑囊艇寐辩，嚣枣 兖订魏该爨藤戆专瘸蜃处理疆廖。 4 软件厂家提供一个软件编制工具包，它提供了一套语法规则，幽用户编制针对具 体机床的专用后处理程序，特点是既灵滔又简便，不过用户需额外掌握一种语言。 奉系统豹蘑楚戆模块将采麓第一耱方式来遂孪亍。 4 3 2 数控加工代码的生成 首先鬟爱谖暖麓是，这壁鞭谈蘩酶数控熬王代秘荠不楚撩鏊际遥爝标准筑g 代 码，实际上它只是一种人为规定的代码，该代码适用于p m a c (