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1、数控仿形加工技术研究F数控仿tt111:1工技木研夯文/福建省湄洲湾职业技术学院苏志雄一,引言数控仿形系统集自动控制,微电子,电子计算机,传感器,精度机械等技术于一体,是2O世纪80年代国际上高效益,高技术的机电一体化产品.国外公司竞相开发了多种数控仿形系统,如日本牧野,英国雷尼绍,美国辛辛那提等公司.国内一些厂家和研究机构,如武汉华中数控股份有限公司,青海机床厂,北京第四机床厂,北京机床研究所等,也在开发生产数控仿形系统.数控仿形加工利用接触式非接触式测头获得实物模型的表面信息,然后采用适当的控制算法对所得信息进行处理,实现机床数控系统的速度分配,完成实物表面形状的再现.数控仿形加工基于数控
2、仿形系统获得的被测曲面的几何信息,带动刀具对毛坯进行加工.最后完成形面加工的过程.所以,数控仿形加工系统实际上是在数据控技术基础上的设备集成,是数控测量与加工的集成化和一体化.数控仿形系统可通过在原有数控系统基础上进行二次开发实现.这样,既拓展了数控系统功能,又充分利用了已有数控系统的软,硬件资源.=,扫描技术发展英国雷尼绍公司的第二代高速扫描机在正常扫描时不需要人为干预,并可实现激光扫描头和接触式扫描头互换;两种扫描头测得的数据,可通过TRACECUT软件构成所扫描的型面,使激光测头和接触式测头实现互补.激光测头扫描精度为0.05mm,扫描速度为46m/m_n,可对易碎,易变形的形体及内夹角
3、,精细花纹等进行扫描,但激光测头价格较贵,且有局限性.接触式测头扫描精度高于激光头,可达0.O2mm,速度只能达到3m/m_n,测头直径大于等于0.5mm.该扫描机的光栅分辨率由原来Seriesl的5m提高到1m.完善的软,硬件使该机非常适合于中,小型模具制造中的逆向工程应用,现已广泛应用于汽车,摩托车的零部件及家用电器,医疗器械,玩具,首饰,鞋模等零件制造所用的注塑模,压铸模的设计制造中.雷尼绍公司还推出了VP2电视测头系统(CCD摄影机).具有自动边缘检测功能可用来扫描柔性密封产品,薄截面产品的模制品.德国GOM公司的ATOS便携式三维扫描仪在测量时可随意绕着被测物体移动,在足巨被测物体约
4、700mm处高速摄取实物表面数据.扫描系统可持第03期数控机床市场?117?F技术前沿续投影11种不同间距的光带于物体上.通过光带间距的变化并经过数码影像处理分析.在数秒内便可获得实物表面数据.实现三维调整化.对于大型物体需分块进行扫描.为了减少扫描照片的拼接误差,可利用一台XL数码相机,使若干不同位置扫描的曲面能按特征点自动拼接.形成一个完整的三维数字模型.该系统的测量(扫描)范围可达8mX8m.曲面拼接精度达到0.1mm/m.这种扫描系统扫描不用编程.不受场地和实物,模具等位置的限制.操作十分方便;又由于重量较轻,体积较小.可实现异地测量.ATOS扫描仪不但可以用于尖角,凹槽,复杂轮廓及软
5、质件的测量.而且可用于汽车,摩托车外饰件的造型和大型模具的制造.英国泰勒为霍普林的TALSCAN150多传感三维扫描仪采用了该公司制造的电感式接触测头和非接触式激光测头,可对多种材料进行快速扫描.电感测头的表面粗糙仪测头和非接触式激光测头一样采用金刚石制作,测头只有2m,扫描结果可进行2D或3D表面粗糙度分析.可实现表面粗糙度,深度和形状的综和测量(扫描),使三维扫描仪的功能复合化.其测量范围为100mmX100mmX100mm.特别适合于小尺寸,高精度零件的检测.也可进行钱币,皮肤等微观形状及花纹的检J.118.第o3期数控机床市场三数字化功能3.1数字化采集仿形仪在仿形模型表面的同时.就采
6、集了测量杆球心(接触式仿开控头)的坐标值.为了节省所占内存空间.仿形仪按照等弦高差的原则确定采集点,并转化成空间直线的格式存人内存.扫描(仿形)过程连续进行,不受数控处理和存盘操作的影响.由于利用硬盘实用时储存.因此数字化的容量不受限制.3.2数字化加工这是数字化采集的逆过程.存于硬盘的空间直线数控指令分批调入内存后就可按数控方式进行加工.不再需要作后置处理.加工是连续进行的.不受磁盘操作的影响.对空间曲面来说.数字化加工比仿形加工具有更高的精度.因为前者是加工时.刀具是按仿形仪测量杆球心的实际位置确定的空间直线(三维)的运动轨迹;后者是限定在一个平面内(二维)的运动.数字化加工过程就是执行一
7、系列长度很短的空间直线段指令的过程.线段长度可以小至0.4mm.其进给过程的速率可达4m/min.数字化加工可进行各轴独立比例的缩放加工,镜像加工.还可以利用同一批数控.经本系统处理后实现凹,凸模加工.对于形状复杂的工件.具有数字化功能的系统的优点较之仅有数控功能或仿形功能的系统的优点更显着.常见的仿形系统通常采用的仿形方式有如下三种(见图1).一维仿形切方式.这种仿形方式又称为z轴的一维仿形.即仿形测量过程中.Z向测头做一维仿形退让动作.其它轴作仿形进给运动.一般它具有X向Y向两种行切方式.测头的运动规律类似于曲面数控加工的坐标平面行切法.这种ZOX或ZOY平面的行切仿形方式在仿形加工能力中
8、具有较普遍的适用性.但存在精度不高的问题.二维仿形层切方式.该方式以分层切削的方法完成整个形面的加工.可提高凸台,凹槽形面的仿形加工效率.三维清根方式.该方式是ZOY平面内任意曲线的二维仿形基础上叠加z轴的一维仿形.上述一维与二维仿形时测头与形面的接触基本上是一点接触,a)一维仿形:(b)二维仿形;(c)三维仿形图1仿形的方式而三维清根仿形特征是测头与形面始终保持两点接触(一点为测点另一点为底点).该项方式适合于凸台与曲面相惯部位的清根切削.四,数控仿形系统的硬件结构基于华中f型数控系统的数控仿形系统是快速实时检测技术与加工技术的软件,硬件上的集成和一体化.一方面数控系统在软,硬件上为仿形测量
9、与加工提供了较大的支持另一方面数控系统又极大地扩展了数控系统的功能.华中I型数控系统能通用工控机的DOC操作系统为基础体系结构开放.并以此为基础实现数控系统的实时多任务控制.数控系统具有位置控制I/O控制,PLC等三个设备驱动程序其中位置控制驱动程序实现伺服单元的驱动1/o控制驱动程序实现输入/输出板,键盘板等板卡的驱动PLC驱动程序则能控制所有输入/输出点和所有的坐标轴此外还能控制主轴以及其它机构.在系统的多任务环境中.这些驱动程序均以傻的形式存在.数控仿形系统的硬件体系结构是华中I型数控系统的硬件体系结构的基础上改造而成的如图2所示.图2数控仿形系统的硬件体系结构仿形系统硬件体系结构增加了
10、仿形测头接1:3板它主要实现仿形测头的数据采集.该接1:3板将仿形F测头的形变量由模拟信号提供给计算机读取.作为仿形控制的依据.5.点光源激光仿形测头和接触式仿形测头常用于采集模型形面数据的测头有激光仿形测头(点光源与线光源)和接触式仿形测头.5.1点光源激光仿形测头华中I型数控仿形系统采用ArOmat公司的ANR1282型激光测头该测头内置激光发射器和接收装置.接收装置接收物体反射回的激光利用三角测量原理测量物体与测头间的距离.如图3所示.图3激光测头测量原理测头测量量程为60100mm强度高抗震性好精度稳定.可在50.C温差下正常工作非常适合在工厂环境下使用.三种测量频率1OHz,1OOH
11、z,1kHz任选以适应不同响应速度的要求.当选定1OHz测量频率时.精度可达4m.响应速度也足以满足仿形测量需要.测头输出信号包括三个测量距离的模拟电压量和三个反应测头状态的开关量.仿形测量时测头被安装在机床主轴处.CNC控制系统每8mS从采样电路读信测头输出信号.得到测头相对模型表面的位置并以此为依据对测头位置进行调整使测头始终位于模型表面8mm处.仿形系统每8mm记录一次采集到的数据点的X,Y,Z坐标数据.通过对若干的离散记录数据点用二次曲面进行按惯例处理只要保证离散数据点的相对位置足够小最后重新按惯例的曲面与原模型的误差就可以得到控制.通常采用这种测头进行一维仿形.5.2接触式仿形测头第
12、03期数控机床市场?119?鸯F技术前沿本系统采用的是大连理工大学的接触式仿形测头,测内部有X,Y,Z三个坐标轴方向上的传感器.可以在X,Y,Z配给坐标轴方向上测力仿形仪特点是测量杆移动时理论上不存在摩擦力.测量杆在一个方向上级平等移动.其运动部分支撑在三套平行弹簧片上.仿形仪的结构性好.便于制造和调整.一般用微型线性可变差动传感器(简称LVDT)作为高精度的位移传感器,其机械部分浸在硅油中.以保证要求的阻尼特性.更换测量杆后,由于测量杆长度变化而引起放大倍率的微小变化,需重新校准.校准时只要调用校准程序.可在机床上测定仿形仪三个方向上的放大倍率.检查其直线性,并将得出的修正系数自动存入计算机
13、中.在仿形过程中.通过保持探针始终和形面接触来采集形面的数据进给速度范围为22000mm/min.由于有三维测量的能力,所以,一般将接触式的测头用于二维和三维的仿形加工.六代仿形系统软件体系结构数控仿形系统的控制软件是基于数控系统控制软件的二次开发得到的.数控仿形控制软件的实现,一方面需要对可重用的数控系统控制软件进行重载,如PLC控制,用户界面;另一方面需根据仿形系统的要求增加新的模块,如仿形测头传感器的操作,仿形控制算法,采集数据的处理等.仿形控制软件是基于面向对象术的思想开发.根据仿形过程测头采集数据,仿形控制算法及速度分配,采集数据的处理及保存等三方面的要求,设计了测头类软件,仿形控制
14、类软件和文件管理类软件.测头类软件.该类型封装了仿形测头的物理特性,对外提供了透明度的仿形测量服务,只读取测头数据入口地址,数据读取函数,数据处理函数等.仿形控制类软件.针对跟随控制,路径生成,安全控制等仿形控制算法而设计,主要采用了继承和重载的机制,减少了代码的冗余.保证了控制算法的完整性及一致性.文件管理类软件.保证了仿形加工数据的实时保存,可实现实物模型数字化.具有数据文件操作,数据文件格式转换和数据缓;中等功能.数控仿形系统中的控制单元主要有以下三个任务:位置控制任务(4ms),插补任务(8ms),PLC控制任务【16ms).这些任务均通过定时中断服务程序来完成.任务的执行由时钟信号触
15、发.当多个任务同.12O.第03期数控机床市场时被触发时.按任务优先级别确定其执行次序.由于速度分配计算模块要对仿形系统中的多个养一进行查询和判断操作.这必将耗费大量时间.从而大大影响仿形实时性的提高,为此将速度分配划分为两个任务,即速度分配任务和事件响应任务.速度分配任务要实现测头数据的采集及数据处理,跟随控制,速度分配计算等任务,它在仿形控制中排非常重要的地位,我们将其设计为定时中断服务程序,执行周期设计为8mS,其优先级仅低于位置控制任务和插补任务.事件响应任务实现路径生成,安全控制,数控保存等模块功能,它为速度分配任务提供所需的各自信息.被设计在非定时中断任务.其优先级低于以上三种任务
16、.高于动态显示,人机界面等任务,从而可实现多任务的实时操作.-Is系统软件介绍系统软件采用模块化的设计方法,使各个模块实现一定的功能.其相互之间的协调与调用由系统主模块实现.考虑系统的可扩展性和集成性,还为系统设计了二维和三维仿形模块.系统软件包括7个模块.下面分别予以介绍.7.1主控模块主控模块是数控系统平台具有的基本控制模块,它在本系统中起着中央控制单元的作用,它以图形交互界面的形式显示各个模块的名称和功能,用户可以根据需要选某一模块并执行相应的功能.各模块的运行结果及其相互间的传递和衔接,也由主控模块统一管理和调度.7.2仿形模块仿形模块是完成系统功能的主要部分,完成对模型表面的自动跟随
17、测量,并存储测量数据,生成sIM文件.在仿形测量前,一般需要设置仿形参数;在进入自动跟随测量阶段前,该模块不会对这些参数进行有效性检查:若未设置参数或参数设置错误.系统都将退出该模块而进入主控模块,提醒用户进行参数设置.7.3原点设置模块该模块设置了测量(工件)坐标系中X,Y,Z轴的原点位置,可以特工输出,亦可通过测量装置进行设置.7.4区域设置模块区域设置模块是一个非常重要的参数庙宇模块.该模块确定的是测量过程中测头运动的空间区域,即在保证对模型表面测量的情况下,包容测头运动轨迹的包容盒.该模块需要设置的参数有;xm_n,Xmax,Ym_n.Ymax.Zm_n.Zmax.其中Zmax,Zmi
18、n分别为上,下安全面.75仿形参数设置模块仿形参数模块的功能是对测头类型,仿形速度,行进给间距,数据存储文件名等进行设置.仿形参数模块还包括了一个重要的功能,即仿形测头标定后,仿形测量得到的数据精度将提高一个数量级.7.6显示方式设置模块该模块给操作者提供了多种从屏幕观察测量过程的方式和显示数据文件图形位置与视角,可由操作者进行选择.显示模式包括正文模式,大字符模式,三维图形模式,XY图形模式,XZ图形模式,YZ图形模式和联合图形模式等.7.7仿形数据处理模块仿形数据处理模块的主要功能是为显示仿形测量的数据文件图形,转换G代码和显示G代码图形;其中较为重要的是转换G代码功能,可测量工件表面的数
19、据文件转换为用户指定精度的G代码.由于G代码是具有通用功能的数控代码,可在任何一台数控机床上运行,从而大大提高了加工效率.以上大致介绍了构成系统软件包的主要模块的功能.系统软件包主要由以上模块组成,各个模块相对独立存在,又由主控系统控制调用,并相互作用.系统软件结构简洁,实现了功能的集中,降低了系统工程复杂性.八.结束语数控仿形加工系统不仅具有仿形加工功能,而且还具有数字化功能,即数控仿形加工系统不仅能边仿形,边加工,而且还可以通过仿形测量获得模型表面的几何信息,建立描述该实物模型几何形状的完整数据.加工时只要调出数控加工指令(不再需要模型实物)即可,并可根据需要进行各轴独立比例的缩放加工,镜
20、像加工和阴,阳模加工.数字化技术便于加工信息的储存,处理和传输,在柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(cIMS)中有着重要意义.也F邀稿函我们深信,当今的企业领导人最关注的是市场,因此,作为在机床行业里唯一一本以市场为主题的杂志,数控机床市场将为企业领导人提供以下方面的资讯与服务.一,中国机床市场的变化市场总是充满变化,因此,我们急切地想了解一它会在哪里产生变化?会在什么时候发生变化?机床行业是国民经济的基础行业,这一方面说明了机床行业的重要性,但同时也说明了机床企业必须具有极强的预见和应变能力.因此,我们对每一刻的变化都充满了警觉,比方说,国家出台了某项政策,会给我们机床行业带来什么
21、影响?某个行业的生存状态,又会给我们的机床企业带来何种变化?某个地区的区域经济特点,又会是怎样地带动我们的机床企业?等等,这一切的变化,相信行业内外的专家们和企业界的朋友们有着深刻的感受和研究,让我们一起来分享吧二,机床企业如何适应这个变化的市场在不断变化的市场面前,我们的企业,尤其是一大批具有老国企特征的机床企业,又该如何不断地改变我们的体制?改变我们的运行机制?改变我们的市场营销模式和方式方法?在这方面,本杂志愿意为朋友们提供一个探讨的空间,一个互相借鉴的窗口,一个充满学习精神的企业沙龙.三,机床产品研发与技术的发展如何紧跟并引领市场机床行业的产品和技术,毫无疑问是要紧跟用户行业的发展,也
22、只有这样,其新产品和新技术才有真正的市场价值.因此我们非常欢迎以市场应用为基础的有关新产品与新技术的文章,同时,还请原谅,我们将不太欢迎以评职称为主要目的论文,虽然我们是国家级的-fl】物,可以对您的职称评定很有帮助,但是,我们是为机床企业的市场服务的一一这才是我们的主要任务.四,向市场推介高质量的产品因为我们的读者,很大一部分是在汽车制造,航空航天,军_T-,_T-程机械等领域中,同时还有一批读者是机床经销商,因此,作为连接制造与应用的一座桥梁,我们将向读者推荐机床行业里一些优秀的产品,同时,我们还将收集机床用户们的意见向制造厂商反馈,以便使机床企业更好地做好市场.因为我们誓将为机床行业做出一流的资讯服务,所以我们将重点关注,收集与-fl】发上述几类丈章,期待着与您的合作.再一次感谢您的关注,并祝读者朋友们身体健康!我们的联系方式:地址:北京永定门外马家堡东路71号立业大厦1608室邮编100068电话:01051165332电子信箱:skicscvip.sinacom网址:http:/wwwhenlimedia,COm第03期数控机床市场?121?
