数控车床进给部件及网络通信系统设计
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基于反求工程的CAD/CAM/DNC集成技术1反求工程出现和发展的时代背景二次大战中,几十个国家卷入战祸,饱受战争创伤。特别是战败国,在二战结束后,急于恢复和振兴经济。日本在60年代初提出科技立国方针:“一代引进,二代国产化,三代改进出口,四代占领国际市场”,其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出。为要国产化的改进,迫切需要对别国产品进行消化、吸收、改进和挖潜。这就是反求设计(Inverse Design)或反求工程(InverseEngineering),这两者是同一内涵,仅是不同国家的不同提法。发展到现在,己成为世界各国在发展经济中不可缺少的手段或重要对策,反求工程的大量采用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础。实际上,任何产品问世,包括创新、改进和仿制的,都蕴含着对已有科学、技术的继承和应用借鉴。因而反求思维在工程中的应用已源远流长,而提出这种术语并作为一门学问去研究,则是60年代初出现的。市场经济竞争机制已渗透到各个领域,如何发展科技和经济,世界各国都在研究对策。从共性特征可概括为4个方面对策:(1)大力提倡创造性。包括新的思维方式、新原理、新理论、新方案、新结构、新技术、新材料、新工艺、新仪器等等。对于发展一个国家的国民经济来说,创造性是永恒主题。(2)研究和应用新的设计理论、方法去改造和完善传统的方法,使能既快又好地设计出新型产品。(3)把计算机应用广泛地引入产品设计、开发的全过程(预测、决策、管理、设计制造、试验、销售服务等)中,以期达到这些过程的一体化、智能化和自动化。(4)研究和应用反求工程,使能在高的起点去创造新产品。2反求工程的含义反求工程是综合性很强的术语,它是以设计方法学为指导,以现代设计理论、方法、技术为基础,运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维,对已有新产品进行解剖、深化和再创造,是已有设计的设计,这就是反求工程的含义,特别强调再创造是反求的灵魂。21 正设计与反设计传统的工业产品开发遵循严谨的研发程序,从功能的确认与规格的制定开始,来构思产品的零部件需求,再由各个组件的设计、制造以及检验零部件组装、检验全机组装、性能测试等程序来完成。这种开发的模式即为顺向工程(Forward Engineering),也叫正设计。 逆向工程(Reverse Engineering)通常以专案方式执行某一模型的仿制工作。往往一件仿制的产品没有原始设计图文件,而是委托单位交付一件样品或模型,由制作单位复制出来。传统的复制方法是用立体雕刻机或靠模铣床制作出1:1等比例的模具,再进行批量生产。这种模拟式(Analog type)的复制方式无法建立标注有工件尺寸的图文件,也无法做任何外形修改,因此已渐渐为新型字化的逆向工程系统所取代。钳工修配传统的反求工程的具体过程为:实物或主模型工艺主模型(仿形靠模) 仿形加工钳工修配。实物或主模型工艺主模型(仿形靠模)仿形加工图1正设计过程示意图在反求工程的CAD/CAM/DNC集成环境中,硬件配备主要有稳定的局域网、三坐标测量仪、装有CAD/CAM软件的计算机、DNC服务器以及数控加工设备等。其支撑软件可采用PRO/E、Solid Works或Master CAM。其一体化流程图见图1。 图 2 基于反求工程的CAD/CAM/DNC一体化流程图 如果说正设计的关键要解答“怎么做?”,即设计任务提出后,怎样实现和达到预定目标,那么反求的关键要解答“为什么要这样做?”,即已知目标后,要探索和掌握这种目标的设计者是如何一步一步实现的,反求别人脑袋里是怎样想、怎样做的,要摸清设计意图、所用技术、关键和设计理论与方法。从这个意义上说,正设计是主动的创造,而反求是先被动后主动的创造,别有一番难度。故反求并非正设计的简单逆过程,因为一个先进成熟的产品,凝集着设计者的智慧和技术,要去吃透、消化,包含很多复杂内容。往往吃透别人的技术比自己创造还难,这是因为:(1)先进产品中总有“绝招”、“诀窍”和关键技术,我们并不掌握;(2)别人的思维不会告诉你,要想“钻进别人脑袋里去挖出来”,要花艰苦劳动。多年来我国测绘仿制的产品,大多数达不到原产品的水平,涉及原因、内容和技术是多方面的,正说明发展反求工程的研究和应用是多么重要。22 反求工程的系统随着计算机辅助几何设计的理论和技术的发展,以及cad/cae/cam集成系统的开发和商业化,产品实物或模型首先通过扫描以及各种先进的数据处理手段获得产品的几何信息,然后充分利用cad/cam技术快速、准确地建立产品的数学集合模型,经过适当的工程分析和cam编程,就可数控加工出产品模型,最后制成产品,实现从产品(样件)再设计产品(批量)的制造过程。这种实物测量反求技术广泛应用于产品改型,模具设计等生产活动中;特别是对于具有复杂曲面外形的产品,如汽车、摩托车的复杂外形,也是消化、吸收先进技术进而改造和开发各种新产品的重要手段,据此构成了反求工程的主要思想。 相对于传统的产品设计流程即所谓的正向工程而提出的。正向工 程是泛指按常规的从概念设计到具体模型再到成品的生产制造过程。而反求工程是从现有的模型(产品样件、实物模型等)经过一定的手段转化为概念和工程设计模型,如利用三维坐标测量机的测量数据对产品进行数学模型重构,或者直接将这些离散数据转化成nc程序进行数控加工而获取成品的过程。反求工程的设计流程和环境如图3和图4所示。 外形修饰数据处理样品3 D轮廓测量C A D曲面建构CAM产生的NC文档模具加工逐层产生的STL文件RP快速成型模具成型产品复制图3反求工程设计流程图 4 基于逆向工程的CAD/CAM/DNC一体化环境2.3 反求工程的系统组成反求工程首先必须使用精密的测量系统将样品轮廓三维尺寸快速测量出来,然后再以取得的各点数据做曲面处理及加工成型。故建立一套完整的反求工程系统,需要有下列配备:(1)测量探头有接触式(触发探头、扫描探头)和非接触式(激光位移探头、激光干涉仪探头、线结构光及ccd扫描探头、面结构光及ccd扫描探头)两种。(2)测量机有三维坐标测量机、多轴专用机、多轴关节机械臂及激光追踪站等(3)点群数据处理软件进行噪声滤除、细线化、曲线建构、曲面建构、曲面修改、内插值补点等。 (4)cad/cam软件一般pc级或工作站级cad/cam。 (5)cnc工具机执行原型制作或模具制作。2.4 反求工程中的技术难题 要执行反求工程项目,需要对产品的特征和制作流程有充分地了解。许多产品是自由曲面组成,对模型上的凹槽、开口或其他特征须做精确的辨识,以完成模型的建构。如何将各点的数据正确无误的处理建构出有用的曲线、曲面,需要有经验丰富的工程师。此外,反求工程技术还包括测量技术上的难题。逆向工程技术及应用涉及到下列问题:(1)要准确及快速地将工件数据取得:(2)要确实将数据建构成曲面及应用外形;(3)要与各种cad/cam及cae结合;(4)要节省产品制造成本,提高产品竞争力。2.5 反求工程的过程反求工程过程一般分为5个阶段:(1)零件原型的数字化,通常采用三维坐标测量机cmm(coordinate measuring machine)或激光扫描等测量装置来获取零件原型表面的三维坐标值。(2)从测量数据中提取零件原型的几何特征,按测量数据的几何属性对其进行分割,采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原型所具有的设计与加工特征。(3)原型cad模型的重建,将分割后的三维数据在cad系统中分别做表面模型的拟合,并通过个表面的求交与拼接获取零件原型表面cad模型。(4)重建cad模型的检验与修正,采用根据获取的cad模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建cad模型是否满足精度或其它试验性能指标的要求,对不满足要求的重复以上过程,直至达到零件的设计要求。(5)在建立模具全数字化三维模型的基础上,实现模具型腔的数控加工。3 基于cad/cam/dnc下的反求工程 采用先进的设计思想和设计手段,在计算机网络及cad /cam技术的支持下,可建立基于反求工程的模具cad/cam/dnc集成化环境,如下图。在建立模具全数字化三维的基础上,可以快速实现产品的再设计。 图3.1 基于反求工程的模具cad/cam/dnc集成化环境3.1 环境配置 硬件环境由3o台nt工作站,3台数控加工中心,1台三坐标测量机组成模具设计与数控加工环境局域网。利用nt工作站对模具进行三维实体(曲面)造型、模具装配模拟检查、实体加工仿真模拟、数控加工到位文件生成和nc后处理。3台cam工作站用于对加工中心和数控机床的控制,以计算机直接数控(dnc)的方式控制机床的在线加工。 支撑软件采用美国pic公司的pro/e2001,利用pro/e2001强大的造型功能,准确完整地表达和描述模具的复杂曲面和实体模型,然后进行加工切削仿真,检查加工中的过切现象和加工刀位的合理性,从而取代实际试切,降低成本,节约加工工时。3.2 应用过程在模具cad/cam/dnc一体化集成环境的支持下,进行复杂模具计算机辅助设计与数控加工(cad/cam/dnc)的基本过程如下:(1)根据加工模具的结构形状及设计要求,利用pm/e软件的三维造型(实体和曲面)设计建立完整、准确的模具三维实体(曲面)模型。(2)在模具三维主摸型的基础上,利用pm/e软件的加工模块拟定模具加工工艺(粗、精加工),选择相应的加工参数及有关选向。(3)生成模具数控加工的刀位文件。(4)利用pm/e软件进行数控加工的实体加工仿真模拟,检查刀位文件的合理性及有效性,以代替实际试切过程。(5)根据具体加工机床进行刀位文件的后处理,生成该机床的数控加工指令(加工代码)。(6)将模具的数控加工代码,采用dnc方式,控制数控机床(加工中心)的在线加工。4 实例 由于汽车覆盖件大都是空间结构、形状复杂,从而决定了在冲压成形中的变形复杂性、变形规律不易掌握、出现的质量问题也比较多。模具设计中不能向轴对称零件那样可以较容易地计算出主要工艺参数,模具参数等 。但是由于汽车覆盖件多数是一次拉深成形的,利用反求工程可以解决模具设计中的一系列的问题。下面以汽车覆盖件的模具设计为例,描述基于反求工程的模具cad/cam/dnc的一体化过程。 在模型表面数字化中,采用以3dfamily公司生产的lsh600激光扫描测量系统测量。采集模型表面或特征线的坐标值,把采集的数据存入计算机中 根据模型制造的需要,对测得模型进行噪声处理,多视图拼合,比例缩放、镜像、旋转、平移等处理,基于最小二乘法进行数据的光顺,压缩不必要的数据点一以减少后期计算量 。将处理后的3d点数据以qitech格式输出。为了满足pro/e的数据格式,必须在文件开头加入open are length、begin section以及每开始处加入begin curve,生成pro/e能够识别的.-hl数据式。 pro/e软件的scan tool模块有线的控制点移动(control y)、拟合(composite)、断裂(split)、组合(merge)、投影(projected)等功能,可去除特征曲线的坏点,并对特征曲线进行光顺处理,从而可以保证曲面的光顺性,生成如图所示的车门外板零件图。 图4.1 车门外板 图4.2 凸模 图4.3 凹模 基于反求工程技术.在计算机网络和CAD/CAM集成技术的支持下,建立模具CAD/CAM/DNC集成化环境,不但缩短了模具的设计制造周期,而且大大地降低了模具的生产成本,保证了模具的加工质量,提高了数控设备利用率,实现了模具的快速制造。同时为进一步实施分散化网络制造奠定了坚实的基础。摘要:本论文介绍了数控系统技术及其DNC通信技术的应用现状和发展趋势,了解了数控车床典型的结构设计和进给部件的特点。本论文着重对数控车床的进给系统进行了方案的论证、结构的比较和分析,并设计完成了EX-106数控车床的进给系统及其零部件,且对主要的进给轴和零部件进行了强度和刚度的校核、使用寿命的计算和零部件精度的分析。论文对数控系统的DNC通信系统进行了硬件和软件的方案比较、分析,并完成了数控系统的DNC通信系统的硬件和软件的设计,并对实验的结果进行了分析。论文还介绍了基于反求工程的CAD/CAM/DNC集成技术,详细叙述了反求工程含义和流程,叙述了CAD/CAM/DNC反求工程相对于传统反求工程优势,完成了反求工程实例图解。关键词:数控系统 DNC通信系统 EX-106 进给部件 反求工程Abstract: This thesis introduced a number to control system technique and its DNC correspondence technical of applied present condition and development trend, understand number control the structure design of lather typical model and enter to the characteristics of parts. This thesis emphasizes the comparison ofwith argument, structure that the logarithms controlled lather to enter to carry on a project to the system and analyzes, and designed to complete EX-106 number control lather to enter zero parties to the system and it, and to entered mainly to carry on strength to the stalk and zero parties with just pit, the calculation of the service life and the analysis of the zero parts accuracy in the school of degree. The thesis logarithms controls the project comparison that the DNC correspondence system of system carried on hardware and software, analytical, and completed a number to control the correspondence hardware of the system and the design of the software of the DNC of system, and to experiment of carried on analysis as a result. The thesis still introduced according to anti- to the integration technique of the CAD/CAM/DNC of engineering, described in detail anti- to engineering meaning and process, described CAD/CAM/DNC anti-to engineering opposite in tradition anti- to engineering advantage, complete anti- to engineering a solid example an illustrated manual table.Key Words: Numerical control system. Correspondence system of DNC. EX-106. Enter to the parts. Anti-to engineering 目 录 摘要 引言 1数控技术及网络通信的应用 11 数控技术发展现状 12 现代网络技术 13 数控技术在网络总的应用 2 数控车床的进给系统 21 数控机床进给传动的特点 22 电动机进给系统 23 数控车床的X轴进给运动及传动装置 24 数控车床的Z轴进给运动及传动装置 3 EX-106数控车床进给部件设计 31 进给轴的方案 32 进给轴尺寸设计 33 联轴器和轴承的选取 34 进给轴及其零部件的校核 4 数控机床的DNC网络通信系统 41数控机床的DNC网络通信系统方案 42 DNC通信系统的硬件设计分析 43 DNC通信系统的软件设计分析 5 基于反求工程的CAD/CAM/DNC集成技术 51 反求工程简介 52 反求工程的系统组成 53 基于CAD/CAM/DNC的反求工程 54 反求工程实例 参考文献 致谢
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