模具自由曲面路徑規劃技術的研究

孫麗杰 蔡玉俊

摘要:隨著制造業的迅速發展,用戶對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,復雜曲面的多軸加工和加工過程的優化在模具曲面加工技術中越來越重要。綜述了模具自由曲面數控加工技術中的關建技術,分析了傳統的數控加工技術的不足,最后探討了自由曲面加工的發展趨勢。

關鍵詞:刀具信息;曲面劃分;路徑規劃

1 技術現狀與關鍵技術分析

數控加工的效率與質量取決于加工方案與加工參數的合理選擇,包括刀具形狀與尺寸、刀具相對于工件加工表面的姿態、走刀路線、主軸轉速、切削深度和進給速度等。為了優化這些參數,必須知道在復雜的切削狀態下這些參數與刀具受力、磨損、加工表面質量及機床震顫等眾多因素的關系。在復雜形狀零件的加工過程中,切削狀態往往是一直變化的,其優化措施還必須具有動態自適應的特點。在建立工藝數據庫的基礎上,采取自動特征識別,根據特征與知識來編程是解決該問題的重要途徑。目前,對于加工方案與參數的自動選擇與優化已開展了不少的研究

2 曲面劃分技術

為了提高表面質量,同時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進行加工,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。但是,如何確定曲面片邊界,在整個曲面片上規劃高效的刀具軌跡是一個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選的約束,而刀具壽命的影響對高速高精加工是至關重要的。

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優化的前提。以往的切削力模型大多是針對某類刀具在一般切削條件下建立的,在復雜曲面的高速銑削條件下,切削速度起著非常重要的作用,切削速度對切削力的影響規律完全不同于中低速切削,常規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切削力的影響規律,建立面向高速銑削的切削力模型。

3 路徑規劃技術

在模具曲面的多坐標數控加工中,刀具軌跡的優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,其精度和效率有時會有很大差別。能產生優質高效加工結果的完整刀具軌跡并不可能由一種統一的算法來得到。因此,在得到局部優化的刀具軌跡后,還需要進行合理的編輯處理。傳統數控加工的刀具軌跡規劃已開展了不少研究。在參數曲面的軌跡規劃中,等參數線法是最常用的一種刀具軌跡規劃方法,這種方法的最大優點是算法簡單,但加工效率低,且表面質量較差。路徑截面線法適合參數線分布不均勻的曲面加工,型腔加工及復雜組合曲面的加工。但是需要求交運算,算法較復雜,計算量較大。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 面向高速切削的數控編程

模具數控加工采用CAD/CAE/CAM技術可以通過計算機檢索來繼承前人的經驗積累;可以采用一系列優化設計程序;可以通過人機交互、反復修改;可以利用計算機模擬成型過程以增大設計可靠性。模具CAD/CAE/CAM技術可以促進產品系列發展,大大減少甚至消滅設計中的錯誤。高速數控加工作為一種新的加工工藝,與傳統加工相比,它有著特殊的加工工藝要求。而數控加工的數控指令包含了所有的工藝過程,故應用于高速切削的CAM系統必須能滿足相應的特殊要求。高速切削時,NC指令的執行時間可以小到1毫秒,這遠遠快于數控機床的各種功能部件的響應速度。因此,在高速切削時,往往要求數控系統在幾何性能上具有“前瞻性”。NURBS插補具有速度高、精度高、前瞻性好的優勢,能支持高速切削。

5 數控編程與CNC的集成

復雜零件數控編程包括建立幾何模型到控制機床加工出合格零件的全過程,涉及機床、數控系統、加工程序生成及操作等多方面因素。在此過程中,CNC系統是信息流和數據流的交匯點,它所供使用的數據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量和加工效率。長期以來對數控加工技術的研究主要是從CNC和數控編程技術兩方面獨立地開展,復雜零件的加工方式是先借助離線數控編程生成由直線/圓弧段構成的零件程序后,再由CNC執行直線/圓弧插補來完成。隨著CNC系統處理能力的不斷提高,數控自動編程系統的功能正在逐步向數控系統上移植對于三維曲面加工,由于缺少足夠的幾何信息,復雜曲線功能難以應用于三維曲面的加工。為此,國外相繼開展了CNC曲面實施插補加工的研究,但要實用化有待進一步的研究。

6 NURBS加工技術

傳統的加工是采用微小直線加工,將NURBS技術應用于CNC系統中,能有力地支持高速切削、高精度加工,提高復雜曲面的高效性。NURBS加工時,一條NURBS運動語句代表一條自由曲線,其所含的走刀信息量遠遠大于傳統的直線插補,該特性可以大大提高CNC系統的前瞻性功能,有力的支持高速切削,NURBS加工已經成為復雜曲面高效加工的一個非常關鍵的技術。因此,開發面向NURBS曲線、曲面插補功能的數控系統和數控編程系統顯得越來越緊迫。

7 STEP-NC

數控系統一直采用的G、M代碼(ISO6983)已不能適應現代化生產和技術發展的需要,這種面向運動和開關控制的數控程序限制了CNC系統的開放性和智能化發展,同時也使得CNC與CAX技術之間形成了瓶頸,嚴重阻礙了機械制造業的發展。STEP-NC的出現使得下一代機床控制器終于具備了切實可行的支撐技術,與CNC系統現有的制造模型相比,STEP-NC在具有不同的特點:(l)采用基于STEP的信息模型。STEP-NC控制器直接閱讀基于STEP的產品信息(ISO 14649),加工過程中的產品信息還可以被上游系統直接閱讀,使得制造系統中各功能模塊(CAD, CAPP,CAM,PDM,MRP,ERP等)之間形成了一條“高速公路”,從而實現設計、制造、管理等的無縫連接。(2)易于應用編程。面向對象而不是面向動作的編程使現場編程界面大為改觀。對于復雜曲面直接利用NURBS描述。(3)易于實現自主智能化。(4)提高的開放性。(5)支持網絡化制造。因此,STEP-NC已成為世界工業化國家研究的熱點。

8 發展趨勢

為適應高速切削、CIMS、并行工程和敏捷制造等先進制造技術的發展,縮短產品研究周期以柔性與快速地響應市場需求,數控編程技術呈現出進一步向集成化、智能化、自動化、易使用化和面向車間編程方向發展的趨勢。

數控技術作為制造領域最重要和最核心的技術之一,越來越多的影響著我們的生活。我國要實現“制造大國”向“制造強國”的跨越,先進數控技術的普及和提高是一個不可或缺的前提。STEP-NC標準的出現為數控技術的發展指明了新的方向。如何通過引入STEP-NC技術來改進和完善現有的數控體系,使數控技術充分發揮出其技術優勢,成為當前數控技術領域的研究熱點。

9 結束語

優化數控加工工藝,將復雜曲面劃分為不同的數控加工區域,分別在子區域上選擇刀具,優化切削參數、走刀模式是復雜曲面零件數控加工工藝規劃的策略。充分利用STEP-NC技術,基于NURBS的高速切削技術,實現數控編程與CNC的集成,開發和應用面向實體加工方式而非傳統的曲面局部加工方式的智能化的CAM系統可以實現復雜曲面的高效加工。

參考文獻

[1]蔡玉俊.模具型腔高校數控加工策略及參數優化研究:(博士學位論文)2005.

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