模具自由曲面路徑規(guī)劃技術(shù)的研究

孫麗杰 蔡玉俊

摘要:隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展,用戶對(duì)模具曲面的加工也提出了越來越高的要求。短周期、高精度、低成本,已成為滿足大眾的趨勢。因此,復(fù)雜曲面的多軸加工和加工過程的優(yōu)化在模具曲面加工技術(shù)中越來越重要。綜述了模具自由曲面數(shù)控加工技術(shù)中的關(guān)建技術(shù),分析了傳統(tǒng)的數(shù)控加工技術(shù)的不足,最后探討了自由曲面加工的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞:刀具信息;曲面劃分;路徑規(guī)劃

1 技術(shù)現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)分析

數(shù)控加工的效率與質(zhì)量取決于加工方案與加工參數(shù)的合理選擇,包括刀具形狀與尺寸、刀具相對(duì)于工件加工表面的姿態(tài)、走刀路線、主軸轉(zhuǎn)速、切削深度和進(jìn)給速度等。為了優(yōu)化這些參數(shù),必須知道在復(fù)雜的切削狀態(tài)下這些參數(shù)與刀具受力、磨損、加工表面質(zhì)量及機(jī)床震顫等眾多因素的關(guān)系。在復(fù)雜形狀零件的加工過程中,切削狀態(tài)往往是一直變化的,其優(yōu)化措施還必須具有動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的特點(diǎn)。在建立工藝數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,采取自動(dòng)特征識(shí)別,根據(jù)特征與知識(shí)來編程是解決該問題的重要途徑。目前,對(duì)于加工方案與參數(shù)的自動(dòng)選擇與優(yōu)化已開展了不少的研究

2 曲面劃分技術(shù)

為了提高表面質(zhì)量,同時(shí)考慮刀具壽命的影響,往往將型腔曲面按一定的算法劃分為一系列曲面信息與工藝特征相同或相似的曲面片,相似的曲面片族采用相同的工具和相近的工藝參數(shù)進(jìn)行加工,將接刀痕跡控制在曲面片的交接處,這就是型腔曲面分片劃分技術(shù)。但是,如何確定曲面片邊界,在整個(gè)曲面片上規(guī)劃高效的刀具軌跡是一個(gè)值得深入研究的問題。

2.1 集成刀具幾何信息的加工幾何模型

傳統(tǒng)的加工幾何模型沒有集成刀具的幾何信息,將刀具幾何信息和加工幾何模型集成,便于將刀具壽命作為刀具序列優(yōu)選的約束,而刀具壽命的影響對(duì)高速高精加工是至關(guān)重要的。

2.2 面向高速銑削的切削力模型

高速切削力模型是高速高精加工中參數(shù)優(yōu)化的前提。以往的切削力模型大多是針對(duì)某類刀具在一般切削條件下建立的,在復(fù)雜曲面的高速銑削條件下,切削速度起著非常重要的作用,切削速度對(duì)切削力的影響規(guī)律完全不同于中低速切削,常規(guī)切削條件下建立的切削力模型與高速銑削下切削力模型的近似存在疑問,有必要開展高速切削中切削速度對(duì)切削力的影響規(guī)律,建立面向高速銑削的切削力模型。

3 路徑規(guī)劃技術(shù)

在模具曲面的多坐標(biāo)數(shù)控加工中,刀具軌跡的優(yōu)劣直接影響其加工精度和加工效率。同一曲面加工所選刀具軌跡不同,其精度和效率有時(shí)會(huì)有很大差別。能產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)高效加工結(jié)果的完整刀具軌跡并不可能由一種統(tǒng)一的算法來得到。因此,在得到局部優(yōu)化的刀具軌跡后,還需要進(jìn)行合理的編輯處理。傳統(tǒng)數(shù)控加工的刀具軌跡規(guī)劃已開展了不少研究。在參數(shù)曲面的軌跡規(guī)劃中,等參數(shù)線法是最常用的一種刀具軌跡規(guī)劃方法,這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是算法簡單,但加工效率低,且表面質(zhì)量較差。路徑截面線法適合參數(shù)線分布不均勻的曲面加工,型腔加工及復(fù)雜組合曲面的加工。但是需要求交運(yùn)算,算法較復(fù)雜,計(jì)算量較大。等距偏置法是求邊界曲線的等距離曲線作為刀具軌跡線,其間距也只能根據(jù)殘留高度最大處決定,這種方法與等距截平面法相視,因而加工效率有時(shí)也比較低。等殘留高度法是最為常用的加工路徑生成方法,但是存在孤立環(huán)和軌跡光滑性問題,因此加工效果并不盡如人意。

4 面向高速切削的數(shù)控編程

模具數(shù)控加工采用CAD/CAE/CAM技術(shù)可以通過計(jì)算機(jī)檢索來繼承前人的經(jīng)驗(yàn)積累;可以采用一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)程序;可以通過人機(jī)交互、反復(fù)修改;可以利用計(jì)算機(jī)模擬成型過程以增大設(shè)計(jì)可靠性。模具CAD/CAE/CAM技術(shù)可以促進(jìn)產(chǎn)品系列發(fā)展,大大減少甚至消滅設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。高速數(shù)控加工作為一種新的加工工藝,與傳統(tǒng)加工相比,它有著特殊的加工工藝要求。而數(shù)控加工的數(shù)控指令包含了所有的工藝過程,故應(yīng)用于高速切削的CAM系統(tǒng)必須能滿足相應(yīng)的特殊要求。高速切削時(shí),NC指令的執(zhí)行時(shí)間可以小到1毫秒,這遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于數(shù)控機(jī)床的各種功能部件的響應(yīng)速度。因此,在高速切削時(shí),往往要求數(shù)控系統(tǒng)在幾何性能上具有“前瞻性”。NURBS插補(bǔ)具有速度高、精度高、前瞻性好的優(yōu)勢,能支持高速切削。

5 數(shù)控編程與CNC的集成

復(fù)雜零件數(shù)控編程包括建立幾何模型到控制機(jī)床加工出合格零件的全過程,涉及機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、加工程序生成及操作等多方面因素。在此過程中,CNC系統(tǒng)是信息流和數(shù)據(jù)流的交匯點(diǎn),它所供使用的數(shù)據(jù)命令種類及其控制加工過程的可能性與有效性直接影響到加工質(zhì)量和加工效率。長期以來對(duì)數(shù)控加工技術(shù)的研究主要是從CNC和數(shù)控編程技術(shù)兩方面獨(dú)立地開展,復(fù)雜零件的加工方式是先借助離線數(shù)控編程生成由直線/圓弧段構(gòu)成的零件程序后,再由CNC執(zhí)行直線/圓弧插補(bǔ)來完成。隨著CNC系統(tǒng)處理能力的不斷提高,數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)的功能正在逐步向數(shù)控系統(tǒng)上移植對(duì)于三維曲面加工,由于缺少足夠的幾何信息,復(fù)雜曲線功能難以應(yīng)用于三維曲面的加工。為此,國外相繼開展了CNC曲面實(shí)施插補(bǔ)加工的研究,但要實(shí)用化有待進(jìn)一步的研究。

6 NURBS加工技術(shù)

傳統(tǒng)的加工是采用微小直線加工,將NURBS技術(shù)應(yīng)用于CNC系統(tǒng)中,能有力地支持高速切削、高精度加工,提高復(fù)雜曲面的高效性。NURBS加工時(shí),一條NURBS運(yùn)動(dòng)語句代表一條自由曲線,其所含的走刀信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的直線插補(bǔ),該特性可以大大提高CNC系統(tǒng)的前瞻性功能,有力的支持高速切削,NURBS加工已經(jīng)成為復(fù)雜曲面高效加工的一個(gè)非常關(guān)鍵的技術(shù)。因此,開發(fā)面向NURBS曲線、曲面插補(bǔ)功能的數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控編程系統(tǒng)顯得越來越緊迫。

7 STEP-NC

數(shù)控系統(tǒng)一直采用的G、M代碼(ISO6983)已不能適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展的需要,這種面向運(yùn)動(dòng)和開關(guān)控制的數(shù)控程序限制了CNC系統(tǒng)的開放性和智能化發(fā)展,同時(shí)也使得CNC與CAX技術(shù)之間形成了瓶頸,嚴(yán)重阻礙了機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展。STEP-NC的出現(xiàn)使得下一代機(jī)床控制器終于具備了切實(shí)可行的支撐技術(shù),與CNC系統(tǒng)現(xiàn)有的制造模型相比,STEP-NC在具有不同的特點(diǎn):(l)采用基于STEP的信息模型。STEP-NC控制器直接閱讀基于STEP的產(chǎn)品信息(ISO 14649),加工過程中的產(chǎn)品信息還可以被上游系統(tǒng)直接閱讀,使得制造系統(tǒng)中各功能模塊(CAD, CAPP,CAM,PDM,MRP,ERP等)之間形成了一條“高速公路”,從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造、管理等的無縫連接。(2)易于應(yīng)用編程。面向?qū)ο蠖皇敲嫦騽?dòng)作的編程使現(xiàn)場編程界面大為改觀。對(duì)于復(fù)雜曲面直接利用NURBS描述。(3)易于實(shí)現(xiàn)自主智能化。(4)提高的開放性。(5)支持網(wǎng)絡(luò)化制造。因此,STEP-NC已成為世界工業(yè)化國家研究的熱點(diǎn)。

8 發(fā)展趨勢

為適應(yīng)高速切削、CIMS、并行工程和敏捷制造等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展,縮短產(chǎn)品研究周期以柔性與快速地響應(yīng)市場需求,數(shù)控編程技術(shù)呈現(xiàn)出進(jìn)一步向集成化、智能化、自動(dòng)化、易使用化和面向車間編程方向發(fā)展的趨勢。

數(shù)控技術(shù)作為制造領(lǐng)域最重要和最核心的技術(shù)之一,越來越多的影響著我們的生活。我國要實(shí)現(xiàn)“制造大國”向“制造強(qiáng)國”的跨越,先進(jìn)數(shù)控技術(shù)的普及和提高是一個(gè)不可或缺的前提。STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)為數(shù)控技術(shù)的發(fā)展指明了新的方向。如何通過引入STEP-NC技術(shù)來改進(jìn)和完善現(xiàn)有的數(shù)控體系,使數(shù)控技術(shù)充分發(fā)揮出其技術(shù)優(yōu)勢,成為當(dāng)前數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

9 結(jié)束語

優(yōu)化數(shù)控加工工藝,將復(fù)雜曲面劃分為不同的數(shù)控加工區(qū)域,分別在子區(qū)域上選擇刀具,優(yōu)化切削參數(shù)、走刀模式是復(fù)雜曲面零件數(shù)控加工工藝規(guī)劃的策略。充分利用STEP-NC技術(shù),基于NURBS的高速切削技術(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)控編程與CNC的集成,開發(fā)和應(yīng)用面向?qū)嶓w加工方式而非傳統(tǒng)的曲面局部加工方式的智能化的CAM系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的高效加工。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介:孫麗杰(1985-),女,漢族,山東聊城人,天津工程師范學(xué)院研究生,碩士。