數(shù)控成形壓頭運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化

數(shù)控成形壓頭運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化

金屬板的漸進(jìn)法是一種用于引入快速成像技術(shù)的分層制造理念。沿著高度方向?qū)?fù)雜的三維數(shù)字模型進(jìn)行分層，形成一系列二維層，并對板的局部數(shù)字化可塑性加工進(jìn)行層次化。加工時(shí),安裝在三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控成形機(jī)床上的成形壓頭在計(jì)算機(jī)控制下先走到設(shè)定位置,對板材壓下設(shè)定的壓下量,然后按照第一層截面輪廓,以走等高線的方式,對板材施行漸進(jìn)塑性加工。形成第一層輪廓曲面后,成形壓頭再壓下一個(gè)設(shè)定高度,沿第二層截面輪廓運(yùn)動(dòng),并形成第二層輪廓曲面。如此重復(fù)直到整個(gè)工件成形完畢。工藝規(guī)劃和加工軌跡的優(yōu)化是這種漸進(jìn)塑性加工技術(shù)能否成功加工工件、提高成形精度的重要一環(huán)。如果成形壓頭在各層的壓下點(diǎn)位置始終保持不變,將會(huì)造成工件局部變形和破裂。本文著重研究成形壓頭移動(dòng)軌跡的優(yōu)化和壓下點(diǎn)分散的問題。1成形軌跡的生成過程利用通用CAD/CAM軟件,可以建立數(shù)字模型,并生成加工壓頭的運(yùn)動(dòng)軌跡。板材的數(shù)控單點(diǎn)漸進(jìn)成形法,需要生成如圖1所示的平面等高線加工軌跡。而成形壓頭的運(yùn)動(dòng)是按以下過程進(jìn)行的:首先壓頭從外側(cè)走一小段弧線后進(jìn)入加工軌跡,并沿該層輪廓外沿移動(dòng)。運(yùn)動(dòng)一周回到起點(diǎn),再向前走一小段距離δ,即軌跡重疊段長度(overlap),達(dá)到設(shè)定終點(diǎn)后向外側(cè)走一段小弧線退出該層的加工軌跡(見圖1b)。然后再空跳回該層起點(diǎn)的位置進(jìn)入加工軌跡,壓下一個(gè)設(shè)定壓下量,開始下一層的加工(見圖1b)。如此反復(fù),壓頭重復(fù)在同一點(diǎn)壓入板材,并對板材造成了累積性的沖擊,使成形工件在成形壓頭反復(fù)沖擊處出現(xiàn)凹陷和破裂。由此可見,通用CAD/CAM軟件生成的加工軌跡不能直接用作板材漸進(jìn)成形的加工軌跡,需要經(jīng)過改造、優(yōu)化,使成形壓頭的壓入點(diǎn)沿曲面輪廓線均勻分布以提高成形件的質(zhì)量。圖1壓頭的等高線加工軌跡示意圖2對加工軌跡的重建2.1壓頭的后置優(yōu)化處理由于通用CAD/CAM軟件生成的加工軌跡不能滿足板材漸進(jìn)成形的要求,針對成形壓頭對板材壓入點(diǎn)的均勻化分散,通過加工軌跡的后置處理進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)對成形壓頭的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行規(guī)劃,使壓頭進(jìn)入壓入點(diǎn)時(shí)減小速度,降低壓頭對板材的沖擊力。圖2所示為對加工軌跡的后置優(yōu)化處理流程圖。在板材的數(shù)字化成形中我們采用的是分層制造,以二維半加工方式,即成形壓頭在一層平面中沿加工軌跡運(yùn)動(dòng)一周后回到起點(diǎn),走一小段弧線退出加工軌跡,然后空跳回起點(diǎn)進(jìn)行下一層輪廓的加工循環(huán)。如果工件曲面復(fù)雜,有多個(gè)凸起,則在一層平面中軌跡是由若干封閉環(huán)組成的,在封閉環(huán)之間有成形壓頭空跳動(dòng)作。從軌跡數(shù)據(jù)中剔除其空跳軌跡數(shù)據(jù),剩余的就是由多個(gè)封閉環(huán)組成的加工軌跡,再對其數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的后置處理,最終獲得加工用的NC代碼。2.2加工軌跡重疊段長度的計(jì)算用VC++面向?qū)ο蟮木幊趟枷敕謩e建立加工軌跡的辨識(shí)模塊和成形壓頭壓入點(diǎn)均勻分布模塊。分別在辨識(shí)模塊中,分析提取加工軌跡的環(huán)信息;在壓入點(diǎn)分布模塊中,實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位的均勻分布,并輸出數(shù)控程序。為對所選壓入點(diǎn)位置進(jìn)行比較,建立了加工軌跡的特征數(shù)據(jù)點(diǎn)結(jié)構(gòu),用該結(jié)構(gòu)的數(shù)組存儲(chǔ)環(huán)的數(shù)據(jù)和記錄壓入點(diǎn)的位置。用人機(jī)交互方式輸入起點(diǎn)與終點(diǎn)處加工軌跡重疊段長度以見圖3)以及相鄰兩個(gè)壓入點(diǎn)位置之間的距離λ(見圖3)。λ和δ值要求大于最佳重疊段值R0,且必須使λ>δ>R0,以避免壓頭對板材的二次沖擊,其中R0值可由下式計(jì)算得到:式中,為平均變形抗力;σs為材料的屈服應(yīng)力;σb為材料的抗拉極限強(qiáng)度;r0為工具頭作用半徑與板厚度一半之和;A、B、C為系數(shù),一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。在實(shí)際工程中根據(jù)工件形狀給定λ值,并考慮使壓入點(diǎn)能均勻分散、加工軌跡最短、加工時(shí)間最短3個(gè)原則。其具體算法描述如下:①讀取加工數(shù)據(jù)文件中的加工軌跡環(huán),查找距離上一壓頭壓入點(diǎn)最近的點(diǎn)P。②P點(diǎn)與上一環(huán)的壓入點(diǎn)作比較得一距離值,當(dāng)其大于λ值時(shí),即可定為新壓入點(diǎn);否則,取下一特征點(diǎn)為新壓入點(diǎn),繼續(xù)執(zhí)行②。③按新的壓入點(diǎn)順序改變環(huán)中特征點(diǎn)的位置,并添加壓頭空跳動(dòng)作以及重疊段,輸出NC代碼。④檢測所有環(huán)都處理完畢則結(jié)束程序,否則返回①繼續(xù)。對軌跡數(shù)據(jù)作了處理后,再根據(jù)加工時(shí)間最短原則,對加工速度進(jìn)行規(guī)劃。加工速度包括成形壓頭進(jìn)給速度、跨越進(jìn)給速度、接觸板材表面的進(jìn)給速度和壓頭進(jìn)入與退出加工軌跡的速度。3實(shí)驗(yàn)3.1試驗(yàn)條件成形設(shè)備為華中科技大學(xué)研制的三軸聯(lián)動(dòng)板材數(shù)控成形機(jī),材料為08F,板厚為1mm,采用紙層疊快速成形技術(shù)(LOM)制作輔助支撐。3.2壓入點(diǎn)及空跳軌跡圖4為用通用三維CAD軟件構(gòu)建的汽車門覆蓋件模型。用筆者開發(fā)的軟件,對加工軌跡作后置處理,生成的成形壓頭壓入點(diǎn)及空跳軌跡見圖4中的虛線。可以看出未經(jīng)均布化處理的加工軌跡其壓頭的壓入點(diǎn)均集中在A、B和C點(diǎn)處(見圖4a),而經(jīng)過均布化處理后,壓入點(diǎn)得到了均勻的分布(見圖4b)。用該加工軌跡生成加工指令制造的汽車門覆蓋件消除了表面壓痕現(xiàn)象,獲得良好的效果,而且由于處理后的加工軌跡減少了空跳距離,縮短了加工時(shí)間,提高了加工效率。4漸進(jìn)加工成形工藝(1)用通用C