数控加工过程仿真系统的研究
内容提要:本文针对当前CAD/CAPP/CAM系统NC仿真功能的弱点,深入研究了NCSIM的关键技术,提出了NCSIM系统的总体结构方案,实施了以平扫体和旋转体为基本体素的新的碰撞与干涉检验求交算法,创立了一种适合于微机的快速消隐算法,在此基础上,研制了可直接通过NC代码驱动仿真加工过程的NCSIM系统。(作者:康飞 周玉杰 佟丽萍 吴明华 陈洪涛)
0.应用背景
加工零件的NC代码在投入实际的加工之前通常需要进行试切,以检验NC代码的正确性和被加工零件是否达到设计要求。这一过程周期长、成本高、劳动强度大,而且占用了加工设备的工作时间。采用计算机建模和仿真技术来模拟实际的数控加工环境并对加工过程进行仿真分析可以帮助设计人员在实验室就可以检查制造中的问题,以部分或者完全取消试切环节,从而减少设计和制造周期和费用。利用仿真器还可以检查数控加工中出现的各种危险,如存在于刀具与工件、夹具、工作台之间的碰撞、干涉和过切现象,甚至检查工件装夹的不合理及加工参数的不合理等问题,减轻了数控编程和操作人员的劳动强度。
在我国,数控技术的应用表现出不同的层次差别,从完全的手工编程到完全采用计算机实现零件设计及工艺和加工NC代码的生成都有相当大的覆盖面。目前不少高档先进的CAD/CAPP/CAM系统都提供了一定的NC仿真功能,用于检查刀具切削过程的正确性,检查过切和干涉现象等,但直接通过NC代码来驱动仿真加工过程的方法和软件还很少。而在大量使用半手工数控编程的我国制造业,采用NC代码驱动仿真加工过程以检验NC代码的正确性是迫切需要的。特别是,如果能将仿真软件直接嵌入到实际的加工系统中使其成为实际加工的支撑环境,将具有更为重要的意义。
目前国内不少工厂购买了各种加工中心设备,仿真系统的开发将对这些工厂的加工自动化提供技术支撑,更重要的是,本研究开发的加工过程仿真技术同样可应用于其他类型的加工中心,甚至可成为开发国产加工中心的配套产品的基础,以便大大提高国产加工中心的附加值。
1.研究内容
数控仿真作为对编程系统生成的NC代码正确性检验的手段,应全面支持多轴数控镗铣加工和多轴车削加工过程的仿真;另外本系统也可单独作为NC程序检验软件以检验手工或半手工编程的NC程序。通过对加工环境的建模,用三维图形展示数控加工过程,并借助几何模型作为分析手段检查加工过程中出现的各种问题。其主要技术指标是:
(1)数控车床加工过程动态仿真
支持车床及车削中心的建模,工件和刀具的建模;加工过程中机床和刀具的运动及切削过程的仿真;刀具与工件、卡盘、尾架等之间的碰撞干涉检验。
(2)镗铣加工中心动态仿真
支持镗铣加工中心的建模,工件和刀具的建模;点位加工中机床和刀具的运动仿真;刀具与工件、夹具、托盘等之间的碰撞干涉检验。
(3)数控铣多轴加工动态仿真;支持镗铣加工中心的建模,工件和刀具的建模;多轴加工中曲面加工的动态显示;刀具与工件、夹具、托盘等之间的碰撞干涉检验。
(4)先进性
强调数控加工环境的详细描述,提供加工环境的建模手段;加工过程由NC代码直接驱动,支持手工修改的NC代码;在较精确的形体表示下,实现快速的三维图形显示加工过程动画。
(5)实用性和经济性
用三维图形直观展示加工环境及加工的各种设置;支持手工及半手工编程的NC代码;可部分承担NC编程和操作员的培训工作。
由于实现了数控加工过程仿真,保证了数控编程的质量,减少了试切的工作量和劳动强度,提高了编程的一次成功率,缩短了产品设计和加工周期,大大提高生产效率,在数控加工行业推广,可产生巨大的经济和社会效益。
数控仿真主要研究和解决了以下关键技术:
(1)几何建模,用于对加工中心设备和被加工工件及其装夹方式进行几何定义;
(2)NC代码的翻译转换;
(3)加工过程快速动画仿真;
(4)加工过程中各种危险的检验。
本文将扼要介绍数控加工过程仿真系统所采用的关键技术。

2.加工任务的建立

一个完整的加工任务需配置或定义以下项目:
(1)使用的加工中心设备(如果没有替代的模型,须自行建模);
(2)工件和夹具在托盘上的装夹方案(建模装配而成);
(3)NC加工所需的相对坐标系定义(如果NC程序要求预置);
(4)加工所用的刀库信息;
(5)NC代码文件。
加工过程仿真中,除了驱动机床部件的运动外,还有一些动作如装卸刀具、托盘及换刀操作都用到装配树的操作,并需要对装配节点附加必须的辅助信息。
机床装配信息、机床定义和刀库链信息在加工过程仿真中的关系都是必备的。为干涉检验准备的工件、夹具、托盘和刀具、主轴的BREP信息被变换到托盘所在的坐标系下。

3.碰撞和干涉检验

碰撞和干涉检验在这里主要检验刀具和主轴相对于非加工部件如夹具、工件的非加工部位、加工工作台的干涉现象,也可用来检验由用户指定的物体之间的干涉现象,由于加工过程由NC代码驱动,干涉出现位置的NC代码信息可及时反馈提交用户进行检查和修改。
干涉检查结果需进行分析按以下判据得出结论:
(1)刀具切削部件与加工好的部件有干涉为过切;
(2)刀具非切削部位与物体干涉为碰撞;
(3)进给速度快时的切削为碰撞;
(4)主轴不转时的干涉或切削为碰撞。
我们采用形体求交的方法进行干涉的定性检查。如果两个形体之间存在交集,就认为他们互相干涉,在数控仿真建模过程中采用的体素定义方法不是通常所说的BOX、CYLINDER、CONE、SPHERE、TORUS等等,而是平扫体和旋转体等,他们本身就可能表示很复杂的形状。由于都是二维半的形体,不需要进行布尔运算就可以通过一个展开步骤生成BREP,这一过程是简单的,只需按BREP数据结构逐个的添入数据即可。
虽然没有在这里使用布尔运算构造工件和夹具的几何描述,在某种意义上使几何定义的能力受到一定的限制。这一限制并没有传播给碰撞和干涉检验算法。在本算法中,工件和夹具不是以整体的信息参与求交计算的,而是个别地进行的。在论证这种方法的好处之前,先叙述求交算法的基本步骤:
(1)将待计算的刀具和主轴形体的坐标系转换到工件坐标系下,工件的几何信息已经在装夹时计算出;
(2)对任一对求交形体A和B作包围和干涉检查,若不干涉,无需进一步求交,转(4);
(3)将A的所有棱边和B的所有面进行求交计算,若出现交点在面片内,判定为形体相交,退出,否则进入下一步;
(4)取下一对求交形体,转(2)。
大多数情况下,在刀具没有深入工件加工的情况下,仅包围盒的检查就可以排除大多数的相交情况。该算法又具有通用性,因为它是基于BREP表示的。我们采用让刀具和当前工步已加工好的状态件作干涉计算,若发生干涉,则一定会出现过切。大多数情况下,在刀具没有深入工件加工的情况下,仅包围盒的检查就可以排除大多数的求交比较。
将工件和夹具的信息分散成交简单的多个BREP描述用于干涉检验中的求交计算,可以提高检验的速度,这是分类枚举和多路思想的体现。简单的信息便于计算和减少不必要的计算,而只要能够判断,立即做出计算,避免出现将刀具和工件的所有面进行求交计算的机会。
该算法又具有通用性,因为它是基于BREP表示的。以后的系统将支持有布尔运算生成工件和夹具的描述,或有其它CAD系统的数据接口提供几何描述,干涉检验算法不会受到限制。
需要说明的是,边界描述是用多面体逼近实际的形体的,这一近似性使得在描述孔和曲面时产生一定的误差。增大离散等分数的方法并不明智,因为这使得求交计算的效率大大降低。我们分析到这一问题主要在钻孔、铰孔、镗孔、攻丝和孔的铣削加工中出现,如果适当减小刀具的直径,便可以避免由于离散化误差引起干涉检验的错误报警。
分析加工的内容、性质和加工的切削参数等辅助信息,再分析刀具相对于工件的位置关系,可以检查进给速度过快或突变造成的刀具破坏。

4.快速消隐算法
数控仿真子系统基于画家算法提出并实现了一种快速隐藏线面消除的算法。首先我们介绍一下Newell-sancha的画家算法。该算法是一种以确定平面优先级为基础的画家算法,其基本原理是,把景中所有多边形按深度列出优先次序,远离观察点的和被遮挡的多边形的优先级较靠近观察点的平面图,确定了优先级后,从优先级较高的平面开始,逐个地将多边形扫描转换到桢缓冲存储器中,后画的多边形覆盖先画的,从而产生正确的消隐图。算法的核心问题是如何确定多边形显示的优先级,因而确定优先级的方法直接影响着消隐的效率。在Newll-sancha算法中引入了平面丛的概念,平面丛是景内各平面的任意集合,任意二平面丛之间的平面片之间不存在相互遮挡的现象。为了确定平面丛必须找出分割平面,每个分割平面把两个平面丛分割,而不与二者之中的任一平面相交。划分平面丛的原则是每个种都能产生消隐的图像。显然使用了平面丛后,面排序算法的效率显著增高,但是,动态寻找分割平面的过程却相当复杂,有些甚至根本无法实现。
现在我们来分析层次分割实体几何表示(HDSG)模型的特殊性。HDSG是由两类体素平扫体和旋转体在空间装配而成的,按照HDSG的要求,体素之间不存在相互遮挡的情况,也就是说体素之间是可以确定显示优先度的。如果我们把每个体素划分为一个平面丛,又可能找到一个分割平面把二者分割开来。这样,基于Newell-Sancha的画家算法我们独创了一种适合于微机的快速消隐算法。该算法主要解决两个方面的问题:
(1)对单个体素的显示进行可见性分析,消除单体平面片中被遮挡的部分;
(2)以体素为单位,确定体素之间的显示优先顺序。
该算法能够实现正确消隐的条件是:
(1)构成体素的发生线不相互交叉;
(2)多个体素之间不存在互相遮挡的现象;
(3)两体素的最小外接凸包之间不相互干涉。
当以上条件不满足时,可能出现局部的错误消隐。
汉江螺纹磨床研究所是汉江机床有限公司主机产品研究设计开发中心,主要为公司及机床厂服务。主要负责螺纹磨床及其它主机产品的研发设计。多年来研究所已开发各种产品百余种,取得各种技术成果奖30项,共有92项产品及科研项目获国家及省级奖励。汉江螺纹磨床现已为陕西省名牌产品。在计划经济时代螺纹所曾是国家级二类研究所。
    螺纹磨床研究所不仅仅开发设计螺纹磨床,还可开发设计其它类型的精密机床,包括螺纹磨床的衍生品,例如外圆磨床、曲轴磨床、凸轮轴磨床、滚动元件专用磨床及测量仪器设备等,现可以设计各种门类的磨床类产品。除可以完成设计外,还可承接各捉技术咨询、服务及“交钥匙工程”。
    随着科学技术的飞速发展,特别是入关以后,国外机床产品对国内市场的冲击很大,如何应对,这是摆在科技人员面前的一道难关。走出去,请进来,学习先进技术,与发达国家的先时企业搞合作开发,与国内外大专院校合作,尽快地使主机产品上水平,上台阶,赶上并超过国外的产品,做到技术上先进,外观上漂亮,性能上稳定,用户使用上满意,这将使技术人员追求及奋斗的目标。生产一代,设计一代,研究开发一代,做好技术贮备,螺纹磨床研究所全体职员本着这个宗旨,同心协力,为公司的大发展而努力拼博,百尺竿头,任重道远。

2005年3月22,“2004年度中国机床工具行业精心创品牌活动十佳企业”揭晓,陕西汉江机床有限公司(以下简称汉江机床)又一次获此殊荣。作为中国滚动功能部件协会理事长单位、磨床分会副理事长单位,汉江机床为我国数控机床、滚动功能部件行业发展做出了较大贡献。

 

 汉江机床是我国生产系列螺纹磨床、滚动功能部件、机电一体化精密机床和检测仪器的大型骨干企业。“汉机牌”螺纹磨床、滚动功能部件系列产品在国内享有很高的知名度,2004年荣获“陕西省名牌产品”称号,市场覆盖率在80%以上。其中滚动功能部件是汉江机床的主导产品,是全国首家通过ISO9001认证的名牌产品,连续3年被中国质协数控机床全国用户委员会评为“全国用户满意产品”。

 

 2004年,汉江机床有限公司各项经济技术指标达到了建厂以来的最高水平。螺纹磨床、滚动功能部件两大主业产销快速增长,全年完成机床新产品开发项目20个,产值达1393万元,完成技术改造投入1442万元,目前滚珠丝杠副年产量已达到5万副,滚动直线导轨副年产量达到2万米的生产规模,产销水平在行业排名第一,取得了历史性的突破,提前一年完成了公司“十五”规划制定的目标。经过连续几年恢复性增长,企业已稳定地站在了一个快速发展的平台上。

 

彰显优势

 

 螺纹磨床系列:汉江机床有限公司是国家惟一的螺纹磨床定点生产厂,自建厂至今,螺纹磨床一直是公司的主导产品。螺纹磨床共8个标准系列,公司生产了7个系列,且品种规格齐全,螺纹磨床和数控螺纹磨床代表着国家水平。公司集多年集约化、规模化加工制造经验的积累,技术的不断进步,其精密螺纹加工技术一直处于全国领先地位。近年研发的具有国内领先或接近国际先进水平的产品有:SK7450数控丝杠磨床、SK7432×2000数控丝杠磨床、SK7520数控螺纹磨床、SK7612数控内螺纹磨床、 SK7732×1500数控蜗杆磨床等。其中 S74系列丝杆磨床产销总量累计突破100台,销售收入近亿元。公司生产的螺纹磨床系列产品产销量全国排名第一,占全国总产量的85%以上,其中数控机床占80%以上,行业集中度很高,基本满足了国内市场对螺纹磨床的需求。

 

 公司在螺纹磨床产品的发展目标是:全系列产品实现数控化,并以不同的档次,满足各类用户的需要;大规格螺纹磨床的发展要有突破;精度指标接近或达到国际先进水平,性能指标进一步提高;外观设计明显改观。

 

 要达到这一目标,公司加紧了主要单元技术的研发应用,包括数控系统的二次开发应用;数控砂轮修正器的研发;精密滚动磨头的开发;变频技术的应用;精密动静压主轴的应用;液压及冷却系统恒温技术的应用;工业设计技术的应用。

 

 此外,公司螺纹磨床的发展也为滚动功能部件生产专用设备提供配套技术。以市场为导向,全面实现产品数控化、系列化和模块化设计;高精度和高效率生产设备实现小批量生产,满足行业发展需要。

 

 滚珠丝杠副系列:“汉机牌”滚珠丝杠副在国内享有很高声誉,产品品种、性能、质量、精度和技术水平在国内均处于一流,市场占有率在20%以上,其中为国内数控机床配套的高精度产品占80%以上。

 

 与同行业其他厂家相比,汉江公司生产螺纹磨床在生产制造上占有得天独厚的优势。公司下设滚动功能部件研究所,的国内一流的专业技术队伍,是国内同行业中独家采用自行研制的内循环不锈钢反向器的企业。同时汉江机床还拥有国内惟一的全套丝杠动态检测仪器,其中5丝杠(HJY012)动态测量仪达到国际先进水平。

 

 由于“汉机牌”滚珠丝杠副具有传动效率高、摩擦损失小;定位精度高,刚性好;传动平稳、无爬行现象,传动精度高;磨损小,使用寿命长的优点,已被选用于 “风云二号”卫星、导弹制导系统、太空舱空间传动装置、雷达装置等设备中,同时在各类数控机床、冶金设备、铁道交通、核电站、塑料机械、医疗机械等行业也有着广泛的应用。

 

打造精品名牌

   

 产品品牌,是企业经过市场考验,赢得用户认可的企业重要的无形资产,实施品牌战略是一项系统性的工程。公司多年来始终坚持“一流产品、一流技术、一流管理、一流服务”的质量方针,用“诚信为本,精益求精”的汉机精神来塑造企业文化,以用户为中心来提升“汉机品牌”,靠品牌取胜。

 

 为此,汉江公司建立了完善的质量保证体系,在行业内率先通过ISO9001标准质量管理体系认证并严格执行,各项管理活动达到了规范化、标准化。做到了不合格原材料不进厂,不合格零件不加工,不合格产品不出厂。

 

 随着品牌战略的实施,“汉机”品牌经受住市场考验,用户信息处理率连续多年在95%以上,顾客满意度指数在90分以上,用户无重大投诉。公司认真履行了与36家机床厂的产品质量保证声明和承诺。在连续三年中国质量认证中心年度跟踪审核中,保持了质量体系的有效运行,2004年 “汉机牌”螺纹磨床、滚珠丝杠副两大系列产品荣获“陕西省名牌产品”称号。

 

 此外,公司还建立了质量信得过班组,开展质量管理。由于滚珠丝杠生产能力已无法满足日益增长的市场需要,丝杠装配曾一度成为生产瓶颈。为消除瓶颈,扩大生产能力,公司党、政、工于200112月联合命名成立“巾帼丝杠装配班”,充分发挥女工骨干优势,利用老师傅们的经验带出一支能打硬仗的队伍。

 

“品牌提升”关系到汉江机床有限公司的生存和发展,公司决心把“汉机牌”机床、丝杠、导轨做强做大,做出精品,快速提升汉机品牌的核心竞争力。

第三节 磨床

一、磨床类型与用途

用磨料磨具(砂轮、砂带、油石和研磨料等)为工具进行切削加工的机床,统称为磨床。

磨床种类很多。主要有:外圆磨床、内圆磨床、平面磨床、工具磨床和用来磨削特定表面和工件的专门化磨床,如花键轴磨床、凸轮轴磨床、曲轴磨床等。

以上均为使用砂轮作切削工具的磨床。此外,还有以柔性砂带为切削工具的砂带磨床,以油石和研磨剂为切削工具的精磨磨床等。

磨床可以加工各种表面,如内、外圆柱面和圆锥面、平面、渐开线齿廓面、螺旋面以及各种成形表面。磨床可进行荒加工、粗加工、精加工和超精加工,可以进行各种高硬、超硬材料的加工,还可以刃磨刀具和进行切断等,工艺范围十分广泛。

二、磨床的工作运动

(一)外圆磨床

1.M1432A型万能外圆磨床

M1432A型万能外圆磨床是普通精度级外圆磨床。它主要用于磨削圆柱形、圆锥形的外圆和内孔,还可磨削阶梯轴的轴肩、端平面等。

这种机床的通用性较好,但生产效率低,故适于单件小批生产。

2.无心外圆磨床

无心外圆磨床进行磨削时,工件放在砂轮与导轮之间,且工件中心高于砂轮和导轮中心连线,以被磨削外圆表面作定位基准,支承在托板上。

无心外圆磨床生产率较高,加工精度好,但只能磨削连续外圆表面,且磨床调整费时,只适用于成批及大量生产中。

(二)内圆磨床

内圆磨床用于磨削各种圆柱孔(通孔、盲孔、阶梯孔和断续表面的孔等)和圆锥孔,某些内圆磨床还附有磨削端面的磨头。

内圆磨床主要类型有普通内圆磨床、无心内圆磨床和行星式内圆磨床。

普通内圆磨床采用纵磨法和切入磨法磨削内孔。采用专门的端磨装置,可在工件一次装夹中磨削内孔和端面。

无心内圆磨床适于加工外圆表面已经精加工的薄壁工件,如轴承环等。

(三)平面磨床

平面磨床主要用于磨削各种工件上的平面。

根据磨削方法和机床布局不同,平面磨床要有以下四种类型:卧轴矩台平面磨床、卧轴圆台平面磨床、立轴矩台平面磨床和立轴圆台平面磨床。

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第1章 电火花线切割概述

1.1 电火花加工的概念、特点及发展概况
1.1.1 电火花加工的概念
1.1.2 电火花加工的特点
1.1.3 电火花加工发展概况
1.2 电火花加工的基本原理、过程及影响因素
1.2.1 电火花加工的基本原理
1.2.2 电火花加工的过程
1.2.3 电火花加工的影响因素
1.3 电火花加工的分类
1.4 电火花线切割的原理、特点和分类
1.4.1 电火花线切割的原理
1.4.2 电火花线切割的特点
1.4.3 电火花线切割的分类

第2章 电火花线切割机床及操作

2.1 电火花线切割机床
2.1.1 电火花线切割机床的组成
2.1.2 电火花线切割机床的型号及主要参数
2.1.3 电极丝材料种类、名称和规格
2.2 电火花线切割机床基本操作
2.2.1 电火花线切割机床一般操作顺序
2.2.2 贮丝筒上丝
2.2.3 穿丝操作
2.2.4 贮丝筒行程调整
2.2.5 电极丝垂直找正
2.2.6 工件装夹及找正
2.2.7 线切割工作液的配制与更换
2.2.8 新丝加工的紧丝操作
2.2.9 加工中的断丝操作
2.2.10 加工操作中的注意事项
2.3 电火花线切割机床维护与保养
2.3.1 机床的清理
2.3.2 机床的润滑
2.3.3 机床易损件的维护

第3章 电火花线切割加工工艺

3.1 电火花线切割加工步骤
3.1.1 分析零件图纸
3.1.2 工艺处理
3.1.3 数学处理
3.1.4 编制加工程序
3.1.5 程序检验
3.1.6 线切割机加工
3.1.7 切割工件检验
3.2 穿丝孔、起切点及走丝路线确定
3.2.1 穿丝孔的确定
3.2.2 穿丝孔找中心
3.2.3 起切点的确定
3.2.4 走丝路线的确定
3.3 线切割电参数选择
3.4 常见故障的判断与排除
3.4.1 打开贮丝筒发生断丝
3.4.2 加工刚开始发生断丝
3.4.3 加工过程中发生断丝
3.4.4 加工结束时发生断丝
3.4.5 加工中频繁短路
3.4.6 找中心失灵

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