（材料加工工程专业论文）金属板料数字化无模快速成形系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 金属板料无模渐进成形引入“分层制造”的思想，使用专用的成形工具头沿 规划好的运动轨迹，对金属板料进行无噪音的逐层连续局部塑性加工，获得复杂 的壳类零件，实现了金属板料的柔性加工。 该技术的柔性从本质上规定了实现此 工艺的设备必须是柔性的、开放的，即：能够适应工艺的不断变化和更新，自由 地进行系统的缩放，或者与其它系统进行无缝地衔接。、 “ 本文以开放式多轴运动控制器p m a c 2 - - p c 为基础，开发了金属板料无模渐 进成形机的数控系统，并完成了系统软件的开发任务，构建了基于p m a c 2 一p c 运动控制器的金属板料无模渐进成形开放式系统。，首先，根据设备机械性能与成 形工艺要求，设计了系统的运动执行单元，详细分析了基于p m a c 2 - - p c 运动控 制器的控制系统硬件接口与性能，阐述了设备在硬件上的开放能力。然后，给出 了控制系统各个环节的近似数学模型，并在此基础上介绍和对比了各种p i d 控制 器参数的整定方法，具体讲述了双电机驱动时控制方案的选取和控制参数的整定， 并通过实验进行了验证。接着，用软件工程学的方法开发研究了基于p m a c 2 一p c 运动控制器的金属板料无模渐进成形设备的系统软件，在对本系统软件进行详尽 需求分析的基础上，明确划分出各个功能模块及其接口，使用统一的书写规格实 现了这些模块( 主要包括：g 一代码文件分析模块、运动控制模块、实时通讯模 块以及所有功能模块的调度与管理) ，保证了它们的可移植性，从而在软件方面维 护了系统的开放性。最后，对金属板料无模渐进成形工艺进行简要的分析，指出 了影响成形能力和成形质量的主要因素，总结了在实验中找到的通过运动轨迹进 行工艺优化的解决方案。 以上研究成果已经成功地应用于金属板料无模渐进成形系统之中，最后，论 文对研究工作进行了总结，并提出了进一步研究的展望。 ： 关键词：快速成形板料渐进成形板料无模成形p m a c 2 - - p c 。_ ”一r 一 开放式数控系统成形工艺规划 ，一一 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w l t h i n t r o d u c i n gl a y e r e dm a n u f a c t u r ef l m ) m e t h o di n t o t h es h e e tm e t a l p r o c e s s i n g ，s h e e tm e t a li n c r e m e n t a lf o r m i n g ，w h i c hr e a l i z e st h ef l e x i b i l i t yo fs h e e t m e t a lf o r m i n g ，p r o c e s s e ss h e e tm e t a ll a y e rb yl a y e rw i t ht h ei n c r e m e n t so f c o n t i n u o u s l o c a l p l a s t i cf o r m i n ga l o n g t h e p r o g r a m m e dt r 6 e c t o r y t h e f l e x i b i l i t y o ft h i s t e c h n o l o g ye s s e n t i a l l yr e q u i r e st h es y s t e mw h i c hr e a l i z e si tt ob ef l e x i b l ea n do p e n e d 一一a d a p t i v e t ot h e c h a n g e s a n dr e n o v a t i o n so ft h i s t e c h n o l o g y t oi n c r e a s ea n d d e c r e a s ei t s e l f , o ri n t e g r a t ew i t ho t h e rs y s t e ms e a l n l e s s l y t h i s p a p e rd e v e l o p st h ed i g i t a l c o n t r o l s y s t e ma n ds o f t w a r eo fs h e e tm e t a l l n c r e n r e n t a lf o r m i n gs y s t e mt oc o n s t r u c ti t s o p e ns y s t e n lb a s e do nt h ep l o g r a m m a b l e m u l t i - a x i s c o n t r o l l e r p m a c 2 一p c a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t s o t 、t h i s l e c h n o l o g ya n dm e c h a l f i c a lp r o p e r t i e s ，n l o v e m e n iu n i t s a r e d e s i g n e da i ms e l e c t e d f i l 。s t b ，t h e n ，t h ei n t e r f a c ea n dp r o p e r t yo fc o n t r o ls y s t e m sh a r d , a a r ea r ea n a l ) ，z e dt o e x p o u n d t h eh a r d w a r e sa b i l i t yt ob e i n go p e n e d a f t e rc o n t r o ls y s t e mb e i n ga n a l 3z e d s e v e r a lm e t h o d so f a d j u s t m e n to fp i dc o n t r o l l e r s p a r a m e t e r sa r ei n t r o d u c e d t h e n t h e p a p e re n l a r g e s t h es e l e c t i o no fs c h e m e so fg a n t r y sc o n t r o l s y s t e m w h i c hi s 、7 a l i d a t e d t h r o u g he x p e r i m e n t s t h i s p a p e rd e v e l o p s t h e s y s t e m s s o f t w a r e b yt h e m e t h o do fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g a tf i r s t ，s u c hf u n c t i o nm o d u l e sa sf i l e a n a l y z i n g 、 f f l o v e c o n t r o l ，r e a l - t i m e c o m m u n i c a t i o na n da l lt h e s e m o d u l e s m a n a g e m e n t a r e d i v i d e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n ta n a l y s i st h e n ，a l lt h e s em o d u l e sa r ec o m p l e t e d i ns t a n d a r dt b r l n a t t h ea b o v ew o r k sa s s u r et h es h e e tm e t a ll n c r e l n e n t a l f o r m i n g s y s t e mo fb e i n go p e n e d i ns o f t w a r et h e p a p e ra n a l y z e sa n ds u m m a r i z e sm a i nl h c t o r s w h i c hi n f l u e n c et h ef o r m i n ga b i l i t ya n dq u a l i t y a n ds o l u t i o n s w h i c h i m p r o v ei t s a b i l i t 3 7a n dq u a l i t yi nt h ew a y o f1 1 1 0 ，et r a j e c t o r y f i n a l l y , t h i sp a p e r s u m m a r i z e st h er e s e a r c hw 0 1 ka n d p o i n t s o u tt h ea r e a s n e e d i n gf i l r t h e rr e s e a r c h k e ) w o r d s ：r a p i dp r o t o t y p i n g s h e e tm e t a ld i e l e s sf o r m i n g s h e e tm e t a li n c r e m e n t a lf o r m i n g p m a c 2 一p c o p e nd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m f o r m i n gt e c h n o l o g yl a y o u t 一一 | l 华中科技大学硕士学位论文 1 1 快速成形技术概述 1 绪论 快速成形( r a p i dp r o t o t y p i n g - r p ) 技术闯世于2 0 世纪8 0 年代末，该技术引 进分层制造( l a y e r e dm a n u f a c t u r i n g ) 的思想，通过切层得到三维实体的截面轮廓 曲线的型值点信息，然后由数控系统和执行单元完成逐点、逐层成形，从而将三 维加工变为二维3 n - r - ，最后得到零件或者零件的原型。 从以上定义可以看出，r p 技术具有以下特点： 1 ) 可以加工传统加工方法难以加工的零件。由于r p 技术首先将三维模型离 散为二维图形来加工，而二维图形的加工相对于三维加工简单的多，所以r _ p 设 备可以加工传统方法难以加工的形状复杂的零件。 2 ) 整个制造过程都是在计算机控制下的全自动过程，不需要人工干预，可以 实现无人化操作和网络制造。 3 ) 充分应用了微、积分的思想，任何一种零件都是直径很小的点或者厚度很 薄的层的叠加，加工时可以近似认为是逐点成形，不需要很多的专用夹具、量具。 于是，r p 技术具有如下明显的优势： 1 ) 很高的柔性。不同特征的零件均可由问一台设备加工出来。 2 ) 可以加快产品的开发速度。不需要专用辅具、零件的更换只需要设计参数 的改变就可以实现，这些为新产品的快速开发提供了有利的必要条件。 自从美国的3 ds y s t e m s ( v a l e n c i a , c a ) 公司于2 0 世纪8 0 年代末率先进行快速 原型制造技术的实验研究，并于1 9 8 8 年推出第一台快速成形设备后，由于利用 r p 技术可以快速为产品更新换代，较好地满足了商家希望以最快的速度、最小的 代价、最好的产品和服务取得最大的市场和利润的需求，r p 技术很快就获得了长 华中科技大学硕士学位论文 足的发展，出现了许多新的工艺和方法。其中，比较有代表性的工艺有立体光造 型s l ( s t e r e ol i t h o g r a p h y ) 、薄材叠层制造l o m ( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) 、 熔丝沉积制造f d m ( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) j f f l 选择性激光烧结s l s ( s e l e c t i v e l a s e rs i n t e r i n g ) ，以及近年来刚刚兴起的金属板材快速成形工艺。 1 1 1 立体光造型s l 立体光造型的加工过程是一种光和光敏树脂的相互作用过程。当紫外激光束 在液态光敏树脂表面扫描运动时，由于树脂吸收光子能量而引发聚合反应，使小 分子聚合成大分子的聚合物。 s l 的特点是：1 ) 该方法为液态固化成型，在同一液态层面上，模型实体部分 经激光扫描成为固体，而其他部分则保留液体状态不变；2 ) 悬臂部分采用同一材 料的蜂窝状结构作支撑，不存在废料去除问题，因而材料利用率高；3 ) 材料一般 为树脂，制件强度高，价格也比较昂贵；4 ) 成型精度、表面光洁度比较高；5 ) 考患到材料成本及激光器的价格与使用寿命，制件的制作成本较高。 1 1 2 薄材叠层制造l o m l o m 工艺是以固体薄材为叠层材料，以轮廓切割为特征的加工方法。制造过 程中一系列的薄材被粘结起来，并沿轮廓曲线切割，同时将非模型区切割成小方 块以利最后去除。 相对于其他的快速成形技术而言，l o m 技术具有以下特点：1 ) 粘结材料为 薄材，目前国内为涂覆热熔胶的纸，价格虽然低廉，但热熔胶和纸受环境的影响 比较大，制件的尺寸稳定性比较差；2 ) l o m 技术只需对截面轮廓进行切割加工， 不需对模型的实体部分进行扫描，因此l o m 成形效率高，原型制作时间短；3 ) 由于是切割轮廓，轮廓的切割精度决定了模型水平面上的尺寸精度；4 ) 需要进行 废料剥离。废料剥离的好坏，不仅严重影响着制件的成型效率，而且对制件的尺 华中科技大学硕士学位论文 寸精度产生影响。 1 1 3 选择性激光烧结s l s s l s 工艺从原理上类似于立体光造型，不同的是s l s 使用各种粉状材料作为 加工物质，如标准铸造腊材、标准热塑性工程塑料、聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、 尼龙纤维、钢铜合金、陶瓷、石英砂、存真塑料等，材料选择范围大。同时这种 方法不需要支撑，但对工艺条件要求很苛刻。设备价格也高。 1 1 4 熔丝沉积制造f d m f d m 工艺采用丝状材料作为加工物质，它通过两个喷头流出熔融态的成型材 料和支撑材料，用成型材料填充模型截面形成实体，而悬臂结构下方用支撑材料 构造支撑。它与前三种工艺不同的是成型过程不需要激光器，设备价格便宜。但 普遍反映成型速度较慢。 1 1 5 金属板料无模成形技术 金属板料无模成形是指使用非模具的成形工具强迫金属板料发生渐进的塑性 变形，最终得到所需零件的加工方法。这一技术很早就有人探索，近l o 年由于市 场需求的多样化，加以机械和控制技术的进步，促使金属板料无模成形有了新发 展，国内外许多学者特别是德国和日本进行了大量的研究。目前比较典型的板料 无模成形方法有旋压成形、成形锤渐进成形、多点成形和数字化渐进成形等。 1 2 金属板料无模成形技术概述 从成形轨迹的空间分布来看，金属板料无模成形工艺可以分为离散点击成形 和连续碾压成形两种，前者从手工逐点成形发展出了成形锤逐点渐进锤击、多点 成形等离散点击成形方法，而板料的旋压成形和刚刚兴起的数控无模渐进成形则 华中科技大学硕士学位论文 属于连续碾压成形工艺。 1 2 1 成形锤渐进成形法 近几年日本进行了c n c 成形锤渐进成形 法的研究2 1 ，该方法使用刚性冲头和弹性下模 对板料各局部区域分别加工，是一种单点压延 工件 黻下模一嗣 图1 1 成形锤渐进成形 渐进成形工艺( 见图1 1 ) 。c n c 成形锤渐进成形技术方法简单，成形速度较快， 但是只能成形形状比较简单的工件，而且成形后留下大量锤击压痕，影响制品的 表面质量，因而还必须进行后续处理。 1 , 2 2 多点成形法1 3 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 2 和1 3 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。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、移动时间和速度等，可以给予板材任意的变形路径 晷罾画 厘厘凰 图1 2 多点模具成形图1 3多点压机成形 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： 4 华中科技大学硕士学位论文 a 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。 b n i d , 冲头和下模、安装、调试同样花费大量的时间。 c 多点成形法易产生压痕、起皱等缺陷使加工精度难以保证。 d 只能加工厚板，对于薄板成形不适用。 1 2 3 旋压成形 旋压成形是常用的板料无模成形技术之一，其成形技术较成熟，但是只能加 工轴对称的工件。 如图1 4 所示，它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成为所需的空心回转体零件。 板材 内旋棒 圉1 4旋压原理圈 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。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 4 电磁成形 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 ，5 所示。当线圈i 通电时，产生向下或向外或向内的电磁力，使板材2 向下或 向外或向内运动，当板材遇到模具或工件时受到限位，使其产生预期变形。 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。6 0 年代中期至7 0 年代中期， 0 0 0 0 0 0 0 一l 一、 _ _ ， 巴z z z z z 冱乙乙乙乙勿 环形线圈向外成形 平扳线圈向下成形 圈1 5 电磁成形原理图 环形线圈向内成形 6 华中科技大学硕士学位论文 成形机储能逐步增至4 0 0 k j ，使用新工艺和设备的工厂超过1 5 0 个，且多数设备 用于大批量生产。8 0 年代中期，电磁成形已在美国、苏联、日本的工业生产中得 到了广泛的应用，美国和苏联生产的设备均已系列化、标准化。如美国m a x w e l l 公司生产的各种m a g e f o r m 设备己遍布美国、日本的十几家大公司的1 5 0 多个生产 厂家。 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，直到1 9 8 7 年哈工大研制成功 了7 2 k j 的电磁成形机，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。 a 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。 b 能源利用率很低，浪费严重，设备储能利用率一般1 0 2 0 ，最高也 不过4 0 。 c 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。 电磁成形技术的变形量随加工线圈中的电流的增大而增大，随工件的电阻的 增大和强度的提高而减小，所以电磁成形技术适用于加工铜或铝等强度低、导电 性好的材料。若加工钢铁材料不但要求钢板要薄，而且由于材料电阻较大，要求 加工线圈中电流很大，才能在工件中产生足够的感生电流，从而在线圈和工件之 间产生足够的力使工件产生变形。 1 2 5c n c 高压水喷射成形 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 7 华中科技大学硕士学位论文 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作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( 图1 6 ) 。 1 高压泵2 喷嘴3 工作台4 工件 图1 6c 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。 1 2 6 金属坂料无模渐进成形 2 0 世纪9 0 年代初，日本学者松原茂夫提出了一种新型的金属板料成形工艺一 一金属板料渐进成形技术【4 】。它采用了快速成形技术中的“分层制造( l a y e r e d m a n u f a c n l f i n g ) ”的思想，将复杂的三维形状分解成一系n - - 维层，工具头在x y 平面( 图1 7 ) 中沿零件轮廓曲线走等高线，在二维层上进行塑性加工，实现了金 属板料的数字化制造【5 】。这种板料渐进成形技术是一个值得重视的新领域。 这种成形工艺的特点是：1 ) 由于是非冲击、连续碾压成形，所以不仅加工噪 音，j 、，更可以很好的控制被加工零件的表面质量；2 ) 因为成型工具头与板料的作 用区域很小，所以能够比较容易地实现变形区的三向受压状态，从而这种成形方 华中科技大学硕士学位论文 法能够用来加工拉深比很大的零件：3 ) 可以成形非轴对称的异形零件；4 ) 成形 机理非常复杂，成形工艺尚不成熟，除了臼本( 如图1 7 和图1 8 ) 和我国华中科 技大学6 1 有少量报道，国内外还没有作广泛研究，所以这种成形方法有待进一步 深入探索。 图1 7 日本a m i n o 公司所开发的一种样机 圈l - 8 数字化无模渐进成形加工的薄壳类样件 1 3 开放式数控系统概述 本课题采用了开放式的数控系统来构建设备的计算机控制部分，大大缩短了 设备的开发周期，并为该成形系统的进一步扩展提供了强大保证。 一般认为，一个真正意义上的开放式数控系统必须提供不同应用程序协调地 运行于系统平台之上的能力，提供面向功能的动态重构工具，同时提供统一标准 化的应用程序用户界面f 3 2 】。事实上，这样的系统将是一个全模块化的体系结构， 并具有以下特点： 1 ) 开放性：提供标准化环境的软件平台，允许不同功能与开发商的软硬件模 块介入； 2 ) 可移植性：一方面，不同的应用程序模块可以运行于不同开发商提供的系 统平台之上，另一方面，系统的软件平台可以运行于不同类型、不同性能的硬件 平台之上，以适应不同层次的性能需求； 9 华中科技大学硕士学位论文 3 ) 可缩放性：增添或减少系统的功能仅仅表现为特定功能模块的装载与卸载； 4 ) 相互操作性：提供标准化的接口、通讯和交互模型，以保证各种模块通过 标准接口协调运行于系统平台之上，并具有相互操作的能力。 从2 0 世纪8 0 9 0 年代起，西方各国关于开放式数控系统的研究计划相继启 动，其中较为著名的有美国的o m a c 计划、欧洲的o s a c a 计划和日本的o s e c 计划等，并纷纷达到了商品化的阶段，如d e l t a t a u 公司的p m a c 系统和s i e m e n s 公司的s i n u m e r i k 8 4 0 d 系统等。而在国内，以华中理工大学为代表提出了一种基 于软件芯片的开放式数控系统口3 1 ，浙江大学则进一步提出了基于c o m 技术的可 重构软构件开放式数控系统【3 ”，另外尚有基于数字伺服现场总线技术的开放数控 系统的研究【3 5 】。 从目前发展状况来看，开放式数控系统大多构建在p c 之上，并为用户提供 在w i n d o w s 中进行二次开发的通用接口，从而将控制功能模块与对这些模块的 管理清晰地分离开来，既为控制功能的扩展与实现提供方便，又便于用户在有着 广泛技术支持的w i n d o w s 系统平台上进行系统软件的开发。 本课题所研制的金属板料无模渐进成形机的控制部分是基于p m a c 运动控制 器的完全开放的数控系统，它快速、满意地解决了双轴驱动的同步问题和由成形 工艺导致的摩擦、振荡问题，而且，为今后开放式控制系统的自主开发提供了极 具价值的借鉴。 1 4 本课题的来源和意义 1 4 i 课最的来源 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，先后得到国家自然科学基金、国家科技部科技型中小企业科技创新基金、国 家教育部留学回国人员科研启动基金、国家教育部重点实验室访问学者基金、湖 o 华中科技大学硕士学位论文 北省自然科学基金、华中科技大学人才引进基金、华中科技大学科研基金等项目 的资助。 1 4 2 课题的意义 从目前国内外在该领域的研究现状看，金属板料无模渐进成形技术基本上是 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。 尽管该技术目前还不成熟，但由于其具有潜在的广阔的发展前景，已引起国 外快速制造领域专家的重视。国际著名塑性加工专家中川威雄教授指出，这种方 法代表了板材数字化塑性成形技术的发展方向。日本政府也极为重视该项技术， 由日本科学技术振兴事业财团拨出专款支持企业开发，在a m b q o 公司研制出了3 种样机，可以加工汽车覆盖件等复杂制件，目前正在进行工艺试验以便形成商品。 日本丰田汽车公司也在加紧开发汽车大型覆盖件的无模成形技术。就目前国内外 金属板料无模成形的研究现状看，金属板料渐进成形技术是个有发展前景和值 得开发的新领域。该方法如与其它塑性加工工艺相结合，可制造出更理想的工件， 将更新板材塑性加工的传统概念，使新产品设计思想得到更大的发挥。采用理论 分析、计算机模拟和实验相结合的方法，研究金属板料无模渐进成形的技术基础， 以塑性成形理论和工艺实验为基础，提出一种金属板材分层渐进塑性成形工艺理 论。研究成形过程的工艺规划方法，为成形工具头运动轨迹的最优控制提供理论 依据。为金属板料无模渐进成形设备和工艺及其控制软件的开发奠定理论和技术 基础。 综上所述，对于薄板成形来说无模渐进成形是非常合适的，它将快速成形技 术和塑性成形技术有机结合，该技术是综合性的跨学科的课题，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 华中科技大学硕士学位论文 广阔的应用前景。 1 5 课题的研究内容 本课题使用美国d e l t a t a u d a t as y s t e m s 公司的可编程多轴运动控制器p m a c 2 研究和开发了金属板料无模渐进成形设备的数控系统，并在m i c r o s o 酽的w i n d o w s 环境下利用v i s u a lc + + 6 0 开发了该成形设备的系统软件，同时通过大量的实验， 对金属无模渐进成形工艺进行了深入而有价值的分析、研究。 本文首先全面介绍了金属板料无模渐进成形的集成系统，并在大量实验的基 础上对成形工艺作出初步尝试性的探讨，然后对基于p m a c 运动控制器的金属板 料无模渐进成形设备的软、硬件进行了详细的分析和研究。 本文共分六章： 第1 章是全文的概述，主要介绍了课题的背景、最新进展，以及理论和现实 意义： 第2 章介绍了金属板料无模渐进成形设备的硬件体系结构，分别讨论了设备 的机械结构、各运动执行单元的选择策略，和p m a c 运动控制器及其附板( 包括 力学检测装置) 的功能、特性与使用： 第3 章着重阐述了适应于该成形设备的控制系统，在建立其数控系统数学模 型的基础上，使用了m a t l a b 固对该数控系统进行了初步仿真，介绍了精确整定了系 统参数，特别是对于龙门架的系统参数的整定方法； 第4 章对该成形设备的软件的系统结构与实现方法进行了详细的介绍； 第5 章在大量实验研究的基础上，结合塑性加工理论，对金属板料无模渐进 成形的加工工艺进行了初步尝试性的探讨； 第6 章是全文的总结与对进一步研究的展望 2 华中科技大学硕士学位论文 2 金属板料无模渐进成形系统的硬件开发研究 2 1金属板料无模渐进成形原理 金属板料无模成形的特点是引入快速原型 制造技术( r a p i dp r o t o t y p i n g ) “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 维形状沿z 轴方向离散化，即分解成一系列二维 断面层，并在这些二维断面层上局部进行塑性加 工，实现了设计与制造一体化的柔性快速制造j 。 其加工原理如图2 2 所示，首先将被加工扳料置 于一个顶支撑模型上( 图2 1 a ) ，在板料四周用压 扳在托板上夹紧材料，托板可沿导柱自由上下滑 动。然后将该装置固定在三轴联动的数控无模成 形机上，加工时，成形工具先走到指定位黄，并 对皈料压下设定的压下量，然后根据控制系统的 扳抖 r “|i 、jrjm 爿。珍 。， f 顶点撑 模型 ( a ) 扳料成形前 曩 0 ； 墨 指令，按照第一层截面轮廓的要求，以走等高线 ( b ) 扳料成形途中 的方式，对板料旖行渐进塑性加工( 图2 1 b ) ， 图2 l 金属板料渐进成形原理图 并形成所需第一层截面轮廓后，成形工具头压下设定高度，再按第二层截面轮廓 要求运动，并形成第二层轮廓。如此重复直到整个工件成形完毕。 从成形过程来看，在成形工具头作用区域( 为一个球冠面) 下( 也可以超出 这个作用区域) 的金属板料在成形力的作用下克服屈服极限，发生塑性变形由 啜来的平面通过变薄拉延延展为表面积较大的曲面，随着工具头的不断碾压，塑 性变形逐层累加，最终板料获得所需要的形状。本文将在第五章的工艺部分对此 华中科技大学硕士学位论文 1 复深入的讨论。 2 2 金属板料无模渐进成形工艺特点 在丌发金属板料无模渐进成形设备的硬件系统时，必须首先对饭料的无膜渐 卫f 茂形工艺特点怍充分的认识，具体的讲主要是考虑以下工艺因素： ( 1 ) 板料的成形是许多局部变形的累加，任一瞬时的局部变形必然产生一定 蹙的加工硬化，同时这一局部的变形对下一相邻的局部变形起到边界约束的作 认而使得这一成形工艺所需的变形力要比压延等静态、非渐进塑性变形所需 蹙彤力大得多，所以在选择机械结构和运动执行单元时，必颂对它们的力学性能 。0 ，毫分的考虑： 、! ) 目前所采用的成形工具头的加工部分为圆球形 r 。到二二) ，它与金属皈料之间发生滑动摩擦，这一滑动摩 辱勺除了消耗设备功率以外，还会使工具头和板料发生磐 嵌，更为控制系统带来非线眭因素，所以不汉要减少滑动 图2 2 球形成形工具头 擎擦还要考意工具头的强度和耐磨| 生更要在控制系统 r ：瞍法克服因为摩擦所带来的非线 。扰三j 认而保证系统运动的稳定 3 ) 出于加工时不可避免地需要 ；芒的支撑模型，而支撑模型对不同 r 曩苇绰叉各不相同听以必须很好地 壮决支撑模型在工作台面上的定位 q 题，既要保证定应的精确性，又要 ，电碍零牛的摆放具有相当的柔胜。 图2 3 金属板料无模渐进成形系统 华中科技大学硕士学位论之 2 3 机械结构 圈2 3 给出了由华中科技大学陕速成形中心研制丌发的会属板料无模渐进成 形设备的硬件结构示意图，整个系统的机械部分主要包括床身底座、托架、动横粱 以及支撑气缸等，支撑模型被固定在机床底座上，托架与支撑气缸相联，同时用于 、乓持和固定被加工的金属扳料，成形工具头在x 轴、y 轴和z 轴的驱动下对金属扳 斟进行连续的局部塑性变形以获得所需的零件，具体的装配结沟参见图2 4 。 ，7 三上上卫旦 1 肌封3 滚珠丝汗4 动粱5 滚珠丝阡6 溜扳? 动力头8 衮球丝矸9 滑块 l 0 17 其头u 哭皈i ：托架 l 3 支撑；气缸 1 4 导讳l5 仵台 1 6 导垂1 。! 吼 图2 4 金属板料无模渐进成形设备的总装图( 垂至于x 轴的剖面图) 华中科技大学硕士学位论文 图2 5 是华中科技大学快速成形中心所开发的数字化无模渐进成形设备的外 形图。 图2 5 金属板料数字化无模渐进成形设备外形图 2 4 运动单元的选择 在本系统中，由于是通过工具 头对金属板材强迫性碾压成形，变形 力很大，同时，考感到机床的横梁比 较长，如果当工具头运动到横梁的某 一端，而且在x 方向( 见图2 3 ) 发 生运动时，将对x 方向上另一瑞的 导轨产生很大的力矩，可能会导致此 图2 6 双电机驱动动横粱示意图 华中科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! i 竺! ! ! ! ! 竺! ! = ! ! ! ， = = = = = 端导轨或者摩擦力过大或者弯曲变形超出运动许可的范围，所以在x 方向使用了 双电机驱动y 方向动横梁的结构( 图2 6 ) ，来保证动横梁运动的平稳性，从而保 汪x 轴受力均衡。由图2 _ 3 可见，为驱动工具头完成三维运动，需要4 个运动单 元，它们是：x 方向驱动双轴的两个电机，驱动y 轴的一个电机和驱动z 轴的一 个电机。在本设备中，考虑到定位精度以及轮廓跟随误差的要求，以上运动单元 均按照伺服系统动力学的方法选用了相适应的交流伺服电机。表2 1 列出了本成 形设备的基本硬件参数。 表2 1 金属板料无模渐进成形设备硬件基本参数一览表 丝杠额定加速度电机 型号 导程( i t l l t i ) ( m s 二) 型号 数鼙 x 轴 t h kb n f 3 6 2 02 098 m d m 3 0 2 a l c y 轴t h kb n f 3 6 2 02 09 8m h m 3 0 2 a i cf z 轴t h kb n f 3 2 0 88m h m l 5 2 a 1 c1 上述电机的选择主要依据如下公式( 2 1 ) 进行的： t m = ( j m + j c l ) 警十t 虬 ( n m ) ( 公式2 - 1 ) 式中t 。所需的电机转矩或电机的计算转矩： t 。l 负载换算到电机上的等效负载转矩( n m ) ； j 丌电机转子的转动惯量( k g - m 。) ； j 。- 机械运动惯量( 即惯性负载) 换算到电机轴上的等效转动惯 量( k g m 2 ) ； u 电机的角速度( r a d s ) 。 计算时需要注意，在初选电机时应尽量保证设备机械部分转动惯量为电 几惯 量的2 倍左右，在具体计算时，请参考文献 8 第六章，以下针对本系统，对盔计 算等效负载转矩和等效转动惯量时需要特别注意的问题进行讨论： 华中科技大学硕士学位论文 2 4 1 等效负载转矩t 。l 的计算 设粟一轴： 滚珠丝杠导程i ( m m r ) 滚珠丝杠传动副胸效率1 1 滚珠丝杠传动副预紧力f 二：半( n ) 滚珠丝杠螺母内部的摩擦系数u 。 脉冲当量6 ( 删p ) = 舞器 移动体重量w 州) 滑动摩擦系数u 工具头端点到主轴中一心 的距离l f r a m ) 并，己知三个方向上的成 形力分别为：f x ，f y 和f z n 1 。 参看图2 7 所示，施加于 襞一轴的伺服电机主轴上的 图2 7 伺服传动系统动力学分析简图 等效负载转矩可计算为( 按照该主轴上受力最恶劣的情形进行计算) ： t 。l _ 型! ：笠+ 兰坐丛垒量! + f 。lm m )( 公式2 一：。 2 a - r 2 z 。 、。 。 2 4 2 等效转动惯量j 。l 的计算 等效转动惯量由两个部分所组成：( 1 ) 换算到电机主轴上的移动体部分的j ，； 二) 换算到电机主轴上的传动系统部分的j 二。第一部分的计算可以按照运动惯量 华中科技大学硕士学位论文 换算的动能相等原则进行，参见公式( 2 3 ) ： 护詈( 专2 池m 2 ) ( 公式2 3 ) 在计算第二部分时，应注意不要遗漏传动系统的某一部分的转动惯量，既要考虑 滚珠丝杠又要包含联轴节。 当t c l 与j 。l 计算完毕后，代入公式( 2 一1 ) 中，查相关电机样本，使用预取 电机的参数进行试算。当所选电机的额定功率与主轴转动惯量基本满足要求时， 再对连续工作转矩，以及伺服系统的刚度、定位精度和运动特性等指标进行验算。 2 5 基于p m a c 多轴运动控制器的开放式数控系统的硬件开发 从成形工艺的原理分析可以看出，成形过程中的大量摩擦、阻尼等非线性因 素的存在将大大降低系统的位置控制精度、响应速度和稳定性，而成形工艺本身 对控制系统也提出了比较高的要求，这些要求主要表现在： 1 ) 实验证明，在成形过程中，金属板料的变形能力和状况与变形速度有着密 切关系，这样就必须保证进给速度在较小脉冲当量的情况下，能够在较大的范围 内连续可调，以便确保板料成形工艺中对变速加工的要求； 2 ) 由于是二维半加工，在某一层的加工过程中，z 轴必须保证在复杂变形力 作用下的精确定位； 3 ) 由于加工过程中负载是在不断变化的，所以要求控制系统的负载特性足够 硬，以保证输出速度变化均匀、平稳。 4 ) 为保证零件表面质量和轮廓加工精度，系统要有较高的跟踪精度和快的动 态响应能力。并且，能够频繁启、停和快速做到正反运动。 5 ) 控制系统应该是开放，具有进一步扩展的能力，以适应设备功能扩展的需 要。 针对上述特殊要求，本成形设备选用了美国d e l t at a ud a l as v s t e m s 公司的可 9 华中科技大学硕士学位论文 - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - - _ _ - _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - - - - - i i i l 编程多轴运动控制器p m a c 2 ( p r o g r a m m a b l e m u l t i a x i s c o n t r o l l e r 2 ) 作为运动控 制器。该运动控制器是一种基于d s p 技术的、可以同时最多控制8 轴的开放式的 可编程运动控制器【9 1 ，它使用m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 2 作为其c p u ，并利用最 新的亚微米门阵列技术为其设计开发了专用集成电路( a s i c s ) ，每个a s i c 集成 电路包含了4 5 0 0 0 个逻辑门，作为d s p 与周边设备的接口，另外还拥有大量的缓 冲区电路，从而在硬件上保证控制系统的开放性和数据交换的实时性【l 们。由于 p m a c 本身在本质上就是一台计算机，当其通过各种总线方式与p c 机联接在一 起时，便构成了上、下位机的分布式开放型系统，这样既可以使用p c 机为用户 提供友好、实时的使用环境，又能通过p m a c 获得优越的控制性能，并且还有利 于对系统的进一步扩展。 2 5 1 p m a c 2 - - p c 的硬件结构、性能与使用 1 ) 硬件结构 按照硬件的总线结构划分，目前p m a c 2 有5 种类型，即： p m a c 2 p c ：基于i s a 总线，并有内置的r s 2 3 2 端口，1 l ，2 插槽，4 或8 通道； p m a c 2 一l r r e ：基于i s a 总线，1 个完整插槽，4 通道； p m a c 2 v m e ：基于v m e 总线，2 插槽，4 或8 通道： p m a c 2 一p cu l t r a l i t e ：基于i s a 总线，1 插槽，全部m a c r o 接口，无在 线通道； p m a c 2 v m eu l t r a l i t e ：基于v m e 总线，l 插槽，全部m a c r o 接口，无 在线通道。 每种类型都是基于一种总线结构设计的，但是它们却都可以脱离总线单独使 用，或者通过串行端口与主机进行通讯。 本系统选用了p m a c 2 p c 运动控制器。 华中科技大学硕士学位论文 图2 8i ：a c 2 模块结构示意圈 华中科技大学硕士学位论文 作为p m a c 的c p u ，m