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    空間曲面線切割多軸聯(lián)動加工系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用*

    2012-10-23 10:02:50王新榮劉新柱
    制造技術(shù)與機床 2012年2期
    關(guān)鍵詞:電火花工作臺數(shù)控系統(tǒng)

    王新榮 王 萍 劉新柱

    (佳木斯大學(xué)機械工程學(xué)院,黑龍江佳木斯 154007)

    在現(xiàn)有高速走絲電火花線切割加工技術(shù)基礎(chǔ)上,筆者開發(fā)出通用性很強的空間曲面電火花線切割多軸聯(lián)動加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以“轉(zhuǎn)擺擺數(shù)控工作臺”作為主要硬件裝置,加上三維加工信息流控制技術(shù),與國產(chǎn)高速走絲電火花線切割機床相結(jié)合,從根本上解決空間曲面零件高速走絲電火花線切割加工的關(guān)鍵技術(shù)問題,擴大了電火花線切割加工工藝的應(yīng)用范圍。與此同時,利用該系統(tǒng),還可以對現(xiàn)有的高速走絲電火花線切割機床進(jìn)行改造,擴大這些機床的應(yīng)用范圍,大幅度提高了復(fù)雜曲面電火花線切割加工的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率[1-2]。

    1 多軸聯(lián)動加工系統(tǒng)的組成及應(yīng)用

    電火花線切割多軸聯(lián)動加工系統(tǒng)是專為實現(xiàn)空間直紋曲面零件加工而開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng),此系統(tǒng)最大限度地包括了電火花線切割加工的所有運動參數(shù),進(jìn)一步擴大了線切割加工的工藝范圍。此系統(tǒng)是由高速走絲數(shù)控電火花線切割機床和轉(zhuǎn)擺擺數(shù)控工作臺附件組成。通過五軸聯(lián)動控制系統(tǒng)控制工件沿X軸、Y軸移動和繞X軸、Y軸、Z軸轉(zhuǎn)動(即A、B、C),實現(xiàn)移、移、轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)五軸聯(lián)動。其主要運動參數(shù)有X、Y、A、B、C,運動形式通式為Σ(X+Y+A+B+C)。實質(zhì)上,前人所研究的平面加工系統(tǒng)、極坐標(biāo)加工系統(tǒng)、三軸和四軸聯(lián)動加工系統(tǒng)都是五軸聯(lián)動加工系統(tǒng)在一定條件下的特例。此系統(tǒng)可以加工所有上下異形或同形的三導(dǎo)線曲面零件(如上導(dǎo)線為正六邊形,下導(dǎo)線為圓形的三導(dǎo)線曲面;上、下導(dǎo)線均為三瓣玫瑰線的三導(dǎo)線曲面;上導(dǎo)線為雙紐線,下導(dǎo)線為圓形的三導(dǎo)線曲面等)和多種復(fù)雜直紋曲面零件(如正螺旋面;四棱扭轉(zhuǎn)錐臺;正弦曲線型面;雙曲面;六棱錐等)。

    2 五軸聯(lián)動加工數(shù)學(xué)模型的建立

    知道了空間曲面線切割加工的運動形式后,可以通過建立母線AtBt運動軌跡方程的方法來建立一般數(shù)學(xué)模型,進(jìn)一步分析空間曲面線切割加工的運動規(guī)律。

    2.1 五軸聯(lián)動加工系統(tǒng)的符號說明

    如圖1所示,選擇工件旋轉(zhuǎn)軸線為Zt軸,回轉(zhuǎn)臺臺面為XtOtYt面。工件繞Zt軸旋轉(zhuǎn),角速度為ω,則轉(zhuǎn)角φ=ωt,而 ρ1(φ)、ρ2(φ)分別為三導(dǎo)線曲面零件中上、下導(dǎo)線極坐標(biāo)函數(shù),上、下導(dǎo)線所在平面相互平行,并平行于XtOtYt面。選擇下導(dǎo)線ρ2(φ)與電極絲初始接觸于A點,電極絲與上導(dǎo)線 ρ1(φ)初始接觸于B點,O'B與XtOtZt坐標(biāo)面夾角為φ0,φ0為工件繞Xt軸初始旋轉(zhuǎn)角,h為上下導(dǎo)線距離。

    2.2 一般數(shù)學(xué)模型的建立

    在數(shù)學(xué)模型的建立過程中,假設(shè)工件保持不動,五軸聯(lián)動的所有運動都集中復(fù)合到電極絲相對于固定工件的運動上來。下面通過數(shù)學(xué)的方法,建立動直線At Bt的運動軌跡方程,來建立五軸聯(lián)動加工的一般數(shù)學(xué)模型[3]。

    (1)At點和Bt點坐標(biāo)

    (2)母線AtBt運動的方程(相對于OtXtYtZt坐標(biāo)系)電極絲AtBt在t時刻在OtXtYtZt坐標(biāo)系中的方向數(shù)為

    式(3)就是動直線掃過的空間直紋曲面的參變量方程,其中S為參變量。

    (3)一般數(shù)學(xué)模型的評述

    在式(1)中,除了幾個事先定好的參數(shù)φ0、ω、h以外,還有兩個未知的上、下導(dǎo)線函數(shù) ρ1(φ)、ρ2(φ)需要確定,它們是這一部分的關(guān)鍵因素。只要已知ρ1(φ)和 ρ2(φ),事情就可以通過式(1)~(3)全部解決。因此,式(1)~(3)是五軸聯(lián)動加工系統(tǒng)的通用數(shù)學(xué)模型。針對不同的三導(dǎo)線曲面零件的加工,只需要討論具體涉及到的ρ1(φ)和ρ2(φ)就可以了。

    3 五軸聯(lián)動加工運動分析

    轉(zhuǎn)、擺、擺數(shù)控工作臺是線切割五軸聯(lián)動加工系統(tǒng)的重要組成部分,其上具有1個轉(zhuǎn)臺和2個擺臺,傳動原理如圖2所示[4]。步進(jìn)電動機3固定于基體上,由它通過齒輪副及蝸輪副傳動,實現(xiàn)下擺臺擺動;步進(jìn)電動機2固定于下擺臺上,由它通過另一套齒輪副及蝸輪副傳動,使上擺臺擺動;步進(jìn)電動機1固定于上擺臺上,由它通過第3套齒輪副及蝸輪副傳動,使回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動。工件裝夾在回轉(zhuǎn)臺上,這樣工件就可以實現(xiàn)1個轉(zhuǎn)動、2個擺動的合成運動。如果將轉(zhuǎn)擺擺數(shù)控工作臺與電火花線切割機床的原工作臺配合使用,即可實現(xiàn)五軸聯(lián)動加工,也就是實現(xiàn)工件沿X軸、Y軸移動和繞X軸、Y軸、Z軸轉(zhuǎn)動。

    4 轉(zhuǎn)、擺、擺數(shù)控工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

    為了使轉(zhuǎn)擺擺數(shù)控工作臺能實現(xiàn)不同半徑尺寸的三導(dǎo)線曲面零件的加工,要求回轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動中心與上擺臺的擺動軸心之間的距離可調(diào),即e值大小可調(diào)整,如圖3所示。為了加工和調(diào)整方便,上、下擺臺的擺動軸線必須相交,而且交點應(yīng)與回轉(zhuǎn)臺臺面同高,即交點落在工件的底面上,否則,工件加工前調(diào)整困難。由于結(jié)構(gòu)限制(存在3根轉(zhuǎn)軸),因此,擺動軸不能做成一根長軸,而需要做成曲軸形狀。但是,眾所周知,曲軸不僅制造困難、裝配也不容易,為此設(shè)計了如圖3所示的上擺臺的擺動軸結(jié)構(gòu)及擺動中心調(diào)整機構(gòu),圖中1、6為擺動軸,它們與滑塊7、9為一體,滑塊為長方體;2為上擺臺的轉(zhuǎn)軸支座;8為上擺臺臺面,它的兩端有與滑塊相配合的槽,使上擺臺在槽內(nèi)滑動,以調(diào)整擺動中心e值;3為一連接桿,用于安裝調(diào)整件,5為調(diào)整彈簧,4為調(diào)整螺釘。該結(jié)構(gòu)將曲軸一分為三,分別由 1、3、6組成,制造時互不干涉,裝配也簡單。下擺臺的擺動軸結(jié)構(gòu)與上擺臺的擺動軸結(jié)構(gòu)相似,需要做成曲軸形狀,不過下擺臺的擺動中心位置不可調(diào)整。

    在滿足加工精度及使用要求的前提下,轉(zhuǎn)擺擺數(shù)控工作臺的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單,工藝性要好,容易制造。此外,設(shè)計時還應(yīng)該注意轉(zhuǎn)擺擺數(shù)控臺的體積小、重量輕、外形美觀等特點。綜合上述各項指標(biāo)而設(shè)計的轉(zhuǎn)擺擺數(shù)控臺如圖4所示,轉(zhuǎn)擺擺數(shù)控工作臺具有普遍的適用性。

    5 多軸聯(lián)動加工數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)

    基于Windows操作系統(tǒng)和可編程多軸控制器(PMAC),開發(fā)出空間曲面多軸聯(lián)動電火花線切割加工數(shù)控系統(tǒng)。PMAC是一個多任務(wù)實時計算機系統(tǒng),可以實現(xiàn)復(fù)雜的實時運動控制任務(wù),具有高度的開放性。設(shè)計并實現(xiàn)了基于可編程多軸控制器(PMAC)的開放式體系結(jié)構(gòu)電火花線切割加工數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系。該硬件體系實時性強,系統(tǒng)穩(wěn)定性好,同時具有良好的開放性和可擴展性。多軸聯(lián)動電火花線切割加工數(shù)控系統(tǒng)主要包括數(shù)控裝置、脈沖電源控制機以及間隙電壓檢測裝置、運動控制器等。并開發(fā)出一套加工性能穩(wěn)定的多軸聯(lián)動電火花線切割加工數(shù)控系統(tǒng)軟件。

    6 空間曲面零件五軸聯(lián)動加工實驗

    6.1 加工結(jié)果

    現(xiàn)以多軸聯(lián)動加工系統(tǒng)在X+B+C+E運動形式下,加工拉拔模為例說明樣件的加工過程。如圖5所示,該拉拔模分兩部分,一段帶斜度,另一段是直壁部分。斜度部分是由圓平滑過渡到矩形的三導(dǎo)線直紋曲面,需要采用轉(zhuǎn)擺擺數(shù)控臺才能加工;直壁部分是四棱柱面,采用機床原有X、Y坐標(biāo)切割即可。斜度部分與直壁部分需分兩次切割,先進(jìn)行斜度加工,然后再進(jìn)行直壁加工。圖6為加工出的拉拔模實體圖。

    6.2 影響加工精度的因素

    6.2.1 轉(zhuǎn)擺擺工作臺回擺及絲杠間隙對加工精度的影響

    在加工中,由于空間曲面零件的造型特征決定了數(shù)控轉(zhuǎn)擺擺工作臺必須經(jīng)?;財[,X、Y兩軸也要經(jīng)常換向運動,才能實現(xiàn)空間曲面加工。由于工作臺以及絲杠的機械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了在回擺及往復(fù)運動時有一定的回程間隙,這樣會造成工件回擺角度產(chǎn)生一定偏差,使得實際加工得到的擺角要比期望的擺角小,導(dǎo)致試驗加工得到的零件尺寸比仿真結(jié)果尺寸出現(xiàn)偏差。要想改善加工狀況不僅要提高工作臺的制造精度、選用高精度絲杠,還要從原理上提出有效的解決辦法及措施。

    6.2.2 數(shù)控模型對加工精度的影響

    如圖1所示,經(jīng)過時間t工件旋轉(zhuǎn)角度為φ=ωt,上導(dǎo)線極徑值為 ρ=ρ1(φ),下導(dǎo)線極徑值為 ρ=ρ2(φ),通過在時間t前后上下導(dǎo)線各自極徑的變化得到了X、Y、A、B、C五軸各自的運動增量,這樣就確定了電極絲在t時刻的另一空間位置。兩個位置間用直線連接,這條直線就是工件的實際行走路徑。因此,數(shù)控模型決定了電極絲按照分度直線擬合運動而沒有沿著上下導(dǎo)線的參數(shù)方程行走,造成原理誤差,實際加工中產(chǎn)生微小加工波紋,尤其在上下導(dǎo)線由幾段參數(shù)方程組成時,兩段交點處很容易造成工件形狀的失真[5]。

    7 結(jié)語

    本文對電火花線切割多軸聯(lián)動加工進(jìn)行了詳細(xì)分析,研究了空間曲面線切割加工的運動規(guī)律,建立了通用數(shù)學(xué)模型體系。研制了轉(zhuǎn)擺擺數(shù)控工作臺,開發(fā)了五軸聯(lián)動加工數(shù)控系統(tǒng),為實現(xiàn)電火花線切割五軸聯(lián)動加工實踐奠定了基礎(chǔ)。進(jìn)行了空間曲面零件的加工實驗,加工出理想的空間曲面零件,驗證了所建數(shù)學(xué)模型的正確性及轉(zhuǎn)擺擺工作臺的合理性。分析出影響加工精度的主要因素,解決了空間曲面高速走絲電火花線切割加工的加工難題。

    [1]趙萬生.先進(jìn)電火花加工技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003:170-207.

    [2]任福君,劉晉春,趙萬生,等.復(fù)雜曲面電火花多軸加工計算機仿真研究[J].機械工程學(xué)報,2000,36(7):78 -85.

    [3]任福君.空間曲面電火花線切割運動學(xué)及其應(yīng)用[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2004.

    [4]王新榮.電火花線切割多軸聯(lián)動加工運動學(xué)及其應(yīng)用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2000.

    [5]任福君,姜永成.空間曲面電火花線切割CAD/CAM系統(tǒng)[J].機械工程學(xué)報,2007,43(5).

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