模具自由曲面路径规划技术的研究

孙丽杰 蔡玉俊

摘要:随着制造业的迅速发展,用户对模具曲面的加工也提出了越来越高的要求。短周期、高精度、低成本,已成为满足大众的趋势。因此,复杂曲面的多轴加工和加工过程的优化在模具曲面加工技术中越来越重要。综述了模具自由曲面数控加工技术中的关建技术,分析了传统的数控加工技术的不足,最后探讨了自由曲面加工的发展趋势。

关键词:刀具信息;曲面划分;路径规划

1 技术现状与关键技术分析

数控加工的效率与质量取决于加工方案与加工参数的合理选择,包括刀具形状与尺寸、刀具相对于工件加工表面的姿态、走刀路线、主轴转速、切削深度和进给速度等。为了优化这些参数,必须知道在复杂的切削状态下这些参数与刀具受力、磨损、加工表面质量及机床震颤等众多因素的关系。在复杂形状零件的加工过程中,切削状态往往是一直变化的,其优化措施还必须具有动态自适应的特点。在建立工艺数据库的基础上,采取自动特征识别,根据特征与知识来编程是解决该问题的重要途径。目前,对于加工方案与参数的自动选择与优化已开展了不少的研究

2 曲面划分技术

为了提高表面质量,同时考虑刀具寿命的影响,往往将型腔曲面按一定的算法划分为一系列曲面信息与工艺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艺参数进行加工,将接刀痕迹控制在曲面片的交接处,这就是型腔曲面分片划分技术。但是,如何确定曲面片边界,在整个曲面片上规划高效的刀具轨迹是一个值得深入研究的问题。

2.1 集成刀具几何信息的加工几何模型

传统的加工几何模型没有集成刀具的几何信息,将刀具几何信息和加工几何模型集成,便于将刀具寿命作为刀具序列优选的约束,而刀具寿命的影响对高速高精加工是至关重要的。

2.2 面向高速铣削的切削力模型

高速切削力模型是高速高精加工中参数优化的前提。以往的切削力模型大多是针对某类刀具在一般切削条件下建立的,在复杂曲面的高速铣削条件下,切削速度起着非常重要的作用,切削速度对切削力的影响规律完全不同于中低速切削,常规切削条件下建立的切削力模型与高速铣削下切削力模型的近似存在疑问,有必要开展高速切削中切削速度对切削力的影响规律,建立面向高速铣削的切削力模型。

3 路径规划技术

在模具曲面的多坐标数控加工中,刀具轨迹的优劣直接影响其加工精度和加工效率。同一曲面加工所选刀具轨迹不同,其精度和效率有时会有很大差别。能产生优质高效加工结果的完整刀具轨迹并不可能由一种统一的算法来得到。因此,在得到局部优化的刀具轨迹后,还需要进行合理的编辑处理。传统数控加工的刀具轨迹规划已开展了不少研究。在参数曲面的轨迹规划中,等参数线法是最常用的一种刀具轨迹规划方法,这种方法的最大优点是算法简单,但加工效率低,且表面质量较差。路径截面线法适合参数线分布不均匀的曲面加工,型腔加工及复杂组合曲面的加工。但是需要求交运算,算法较复杂,计算量较大。等距偏置法是求边界曲线的等距离曲线作为刀具轨迹线,其间距也只能根据残留高度最大处决定,这种方法与等距截平面法相视,因而加工效率有时也比较低。等残留高度法是最为常用的加工路径生成方法,但是存在孤立环和轨迹光滑性问题,因此加工效果并不尽如人意。

4 面向高速切削的数控编程

模具数控加工采用CAD/CAE/CAM技术可以通过计算机检索来继承前人的经验积累;可以采用一系列优化设计程序;可以通过人机交互、反复修改;可以利用计算机模拟成型过程以增大设计可靠性。模具CAD/CAE/CAM技术可以促进产品系列发展,大大减少甚至消灭设计中的错误。高速数控加工作为一种新的加工工艺,与传统加工相比,它有着特殊的加工工艺要求。而数控加工的数控指令包含了所有的工艺过程,故应用于高速切削的CAM系统必须能满足相应的特殊要求。高速切削时,NC指令的执行时间可以小到1毫秒,这远远快于数控机床的各种功能部件的响应速度。因此,在高速切削时,往往要求数控系统在几何性能上具有“前瞻性”。NURBS插补具有速度高、精度高、前瞻性好的优势,能支持高速切削。

5 数控编程与CNC的集成

复杂零件数控编程包括建立几何模型到控制机床加工出合格零件的全过程,涉及机床、数控系统、加工程序生成及操作等多方面因素。在此过程中,CNC系统是信息流和数据流的交汇点,它所供使用的数据命令种类及其控制加工过程的可能性与有效性直接影响到加工质量和加工效率。长期以来对数控加工技术的研究主要是从CNC和数控编程技术两方面独立地开展,复杂零件的加工方式是先借助离线数控编程生成由直线/圆弧段构成的零件程序后,再由CNC执行直线/圆弧插补来完成。随着CNC系统处理能力的不断提高,数控自动编程系统的功能正在逐步向数控系统上移植对于三维曲面加工,由于缺少足够的几何信息,复杂曲线功能难以应用于三维曲面的加工。为此,国外相继开展了CNC曲面实施插补加工的研究,但要实用化有待进一步的研究。

6 NURBS加工技术

传统的加工是采用微小直线加工,将NURBS技术应用于CNC系统中,能有力地支持高速切削、高精度加工,提高复杂曲面的高效性。NURBS加工时,一条NURBS运动语句代表一条自由曲线,其所含的走刀信息量远远大于传统的直线插补,该特性可以大大提高CNC系统的前瞻性功能,有力的支持高速切削,NURBS加工已经成为复杂曲面高效加工的一个非常关键的技术。因此,开发面向NURBS曲线、曲面插补功能的数控系统和数控编程系统显得越来越紧迫。

7 STEP-NC

数控系统一直采用的G、M代码(ISO6983)已不能适应现代化生产和技术发展的需要,这种面向运动和开关控制的数控程序限制了CNC系统的开放性和智能化发展,同时也使得CNC与CAX技术之间形成了瓶颈,严重阻碍了机械制造业的发展。STEP-NC的出现使得下一代机床控制器终于具备了切实可行的支撑技术,与CNC系统现有的制造模型相比,STEP-NC在具有不同的特点:(l)采用基于STEP的信息模型。STEP-NC控制器直接阅读基于STEP的产品信息(ISO 14649),加工过程中的产品信息还可以被上游系统直接阅读,使得制造系统中各功能模块(CAD, CAPP,CAM,PDM,MRP,ERP等)之间形成了一条“高速公路”,从而实现设计、制造、管理等的无缝连接。(2)易于应用编程。面向对象而不是面向动作的编程使现场编程界面大为改观。对于复杂曲面直接利用NURBS描述。(3)易于实现自主智能化。(4)提高的开放性。(5)支持网络化制造。因此,STEP-NC已成为世界工业化国家研究的热点。

8 发展趋势

为适应高速切削、CIMS、并行工程和敏捷制造等先进制造技术的发展,缩短产品研究周期以柔性与快速地响应市场需求,数控编程技术呈现出进一步向集成化、智能化、自动化、易使用化和面向车间编程方向发展的趋势。

数控技术作为制造领域最重要和最核心的技术之一,越来越多的影响着我们的生活。我国要实现“制造大国”向“制造强国”的跨越,先进数控技术的普及和提高是一个不可或缺的前提。STEP-NC标准的出现为数控技术的发展指明了新的方向。如何通过引入STEP-NC技术来改进和完善现有的数控体系,使数控技术充分发挥出其技术优势,成为当前数控技术领域的研究热点。

9 结束语

优化数控加工工艺,将复杂曲面划分为不同的数控加工区域,分别在子区域上选择刀具,优化切削参数、走刀模式是复杂曲面零件数控加工工艺规划的策略。充分利用STEP-NC技术,基于NURBS的高速切削技术,实现数控编程与CNC的集成,开发和应用面向实体加工方式而非传统的曲面局部加工方式的智能化的CAM系统可以实现复杂曲面的高效加工。

参考文献

[1]蔡玉俊.模具型腔高校数控加工策略及参数优化研究:(博士学位论文)2005.

[2]任秉银,唐余勇编着.数控加工中的几何建模理论及其应用.哈尔滨工业大学出版社,2000,1.

[3]曾荣,岳伏军,等.NURBS插补技术在高速切削中的应用研究.南京航空航天大学学报,2002,34(1):82~85.

[4]周艳红,周云飞,周济.自由曲面CNC高速高精加工.华中理工大学学报,1996,24(12):21~23.

[5]张承瑞,刘日良,王恒.STEP-NC-新一代机床控制器.组合机床与自动化加工技术,2002,12.

作者简介:孙丽杰(1985-),女,汉族,山东聊城人,天津工程师范学院研究生,硕士。