CAM及其工艺工装设计0601

理论或实际应用意义：通过毕业设计能够使我综合运用本专业知识、解决工程问题的能力得到锻炼和提高。在毕业设计过程中将会运用到在大学阶段学习过的各方面专业知识，并为毕业后走上工作岗位培养规范的、科学的、严谨的学习和工作方法。在复杂零件工艺工装设计，计算机辅助设计与制造，数控加工技术、公差与测试技术、机械设计、机械制造基础、CAD/CAM、模具设计与制造、专业外语及其它相关技术等方面将获得综合性训练，学术水平与实际工作能力将得到大幅提高。结合与专业相关的具体课题，通过毕业设计，完成作为高级工程技术人员的基本训练。通过此次设计，培养我综合运用所学知识，通过创新思维，独立解决所遇到的具体工程技术问题的能力。使我在复杂零件工艺工装设计，计算机辅助设计与制造，数控加工技术、公差与测试技术、机械设计、机械制造基础、CAD/CAM、模具设计与制造、专业外语及其它相关技术等方面将获得综合性训练，学术水平与实际工作能力将得到大幅提高。压力铸造模具设计：1）零件的三维造型设计根据给定题目的零件图，使用PRO/E三维造型软件进行建模，同时生成工程图与毛坯图。2）分型面设计；零件较复杂，通过PRO/E软件分析，采用曲面与平面相结合，同时考虑模具结构工艺性进行设计分型面。3）浇注系统设计；充分运用模具手册和相关书籍文献，通过计算分析来选择浇铸系统具体结构参数。4）模具主体结构设计；参考模具设计手册以及典型模具的结构来确定该零件压铸模具结构的设计。5）推件机构设计；结合毕业实习的内容，通过力的计算，并参考模具设计手册进行设计。6）压铸机选择；根据模具的结构计算锁模力等相关技术参数来选用压铸机。在CAD/CAE/CAM技术应用于铸造模具设计制造的过程中,铸造工艺CAD技术是基础,CAE/CAM技术是建立在CAD三维数据模型基础上的应用。通过对铸件CAD三维模型数据进行铸造过程模拟仿真CAE,根据各种判据计算出缺陷的位置和大小,就可以在工艺的设计阶段预测缺陷部位,然后根据CAE的结果对铸造工艺进行优化设计,使工艺设计达到一次成功,从而有效缩短新产品开发周期,提高产品质量,获得较高的工艺出品率。然后再进行模具的CAD设计,生成三维CAD数据文件、NC代码,直接用于数控加工CAM[1~6]。本课题主要介绍基于Pro/E的CAD/CAE/CAM低压铸造工艺解决方案,基于Any-casting软件的铸造工艺模拟,从而优化工艺设计,确保模具设计一次成功,进而降低成本,最终获得优质铸件。1铸件工艺模型1.1铸件模型图1为某制冷机机壳毛坯零件,材料为ADC-10,该零件结构复杂,壁厚不均,尺寸公差要求7级,承受较大载荷,对组织致密度要求高,根据上述特点,采用低压铸造工艺生产。为了便于出芯,内腔设计3b的起模斜度。图1某制冷机机壳毛坯零件三维图1.2工艺模型在低压铸造工艺的设计中,重点考虑3个方面:浇注系统、铸件顺序凝固和铸型排气。低压铸造的凝固过程与一般重力浇注相反,铸件的凝固过程自上而下,铸件的补缩自下而上,最后通过浇口来实现。因此合理确定浇口的大小和位置,是保证铸件质量的关键。浇注系统的设计应保证缓冲、稳流、顺序凝固。其大小按以下原则:升液管热节>浇口热节>铸件热节。比例关系为(1.1~1.2)B1.1B1.0。内浇道定为<45mm,设在铸件中心位置,浇口与铸件连接处的形状设计成喇叭形,升液管直径选用<50mm。与普通铸造浇注相比,低压铸造铸型排气条件比较差,只能从分型面处和排气孔中排出,因此另在16个凸台处设置<15mm的排气塞。2工艺模拟根据低压铸造的要求和选用设备以及铸件的特点确定加压和浇注的工艺参数,用Any-casting软件对该铸件进行充型凝固过程模拟分析。结果显示,在铸件外圆圆柱部位出现明显的缩凹、缩松缺陷,见图2。图2充型凝固过程模拟分析随后对工艺进行重新分析,决定在主芯相对缺陷部位打4个<15mm的排气塞,互相贯通,从主芯后面空腔排气,见图3,再次进行模拟,结果表明缺陷被排除。3模具设计工艺模型确定后,就可以进行模具设计了。模具设计应尽量使结构简便、便于操作、装配紧密可靠、不因反复使用而变形,模块材料均选用QT500-7,4侧芯采用油缸抽芯,模具厚为铸件最大壁厚的1.5倍。首先检验模型的厚度、起模斜度等是否符合设计要求,对铸件模型设置收缩率,利用Pro/Mold模块快速地规划产品的分模面,完成模具体积块的分割,将零件经过拆模转化成型腔、型芯、浇注系统等模具零部件,再与设计好的模座装配成一套铸造模具。模具完成后通过模具开启操作展示出开模状态,在仿真的同时还可以做干涉检查以确保成品在起模时不会发生干涉,见图4。图4模具开启操作状态4模具CAM在运用CAM软件生成数控程序时,首先要产生刀位文件,然后再通过后处理文件将刀位文件编译成数控程序。模具加工的关键是型腔、型芯面的加工,无论从尺寸精度还是表面粗糙度要求都非常高。在Pro/E的NC模块下,根据加工需要,可快速生成数控车削、数控铣削及电火花线切割的NC代码,其中数控铣削是复杂模具零件的主要加工方法。数控加工程序不仅包括零件的工艺过程,而且还包括刀具的形状和尺寸、切削用量、走刀路径等工艺信息。该模具经生产试制,铸件外观质量优良,内部质量经探伤检测发现,在原来出现缩孔处组织不是很致密,后经调整低压铸造加压工艺参数得以解决,无需返修即可投入批量生产。5结语利用Pro/E强大的曲面造型和实体造型功能,对各种具有复杂外形的铸件进行工艺设计,再运用Anycasting进行工艺模拟,并同时进行模具设计,直至模具的NC加工,可有效缩短产品开发周期,提高设计效率及可靠性,提高了模具加工精度,充分保证了产品质量。参考文献[1]余谧.CimatronE设计/双塔通道0砂型模具[J].CAD/CAM与制造业信息化,2005(12):36-38.[2]余红参考文献[1]余谧.CimatronE设计/双塔通道0砂型模具[J].CAD/CAM与制造业信息化,2005(12):36-38.[2]余红华,吕强.Cimatron软件的后置处理程序及应用[J].CAD/CAM与制造业信息化,2005(11):82-85.[3]廖敦明,陈立亮,刘瑞祥,等.铸造CAD/CAE/CAM一体化技术[J].铸造,2005,54(7):702-705.[4]刘保臣,逯晓勤.模具数控加工CAM编程中工艺参数的确定[J].CAD/CAM与制造业信息化,2006(3):126-128.[5]黄圣杰,张详杰.实战Pro/ENGINEER2001模具设计[M].北京:中国铁道出版社,2002.[6]柳百成.铸造工程的模拟仿真与质量控制[M].北京:机械工业出版社,2001.如何进一步提高冲件的下料利用率,以降低冲件成本,一直是冲压工艺师所关注的问题。恰当地应用冲件套裁技术,不仅可提高下料利用率,甚至还可简化冲件冲裁工艺,更大幅度地降低冲件成本。那么,如何恰当、有效地应用冲件套裁技术,在应用该技术时又该注意些什么,这正是本文要讨论的问题。二、冲件套裁的形式冲件套裁的形式可分为2类,即单件套裁和多件套裁。1.单件套裁单件套裁就是对同一种冲件,在板(块)或条坯料上按不同的排样方式进行冲裁的方法。单件套裁按冲件排样或是条料排样的不同,又可以分为单行套裁、多行套裁和整张套裁这几种方法。(1)单行套裁生产实践中经常采用的交叉排样(如图1所示),其实就是一种最简单的单行套裁。这部分内容,在冲压文献中已多有介绍,此处不再赘述。图1(2)多行套裁将冲件按2行或2行以上的方式进行排样,称作多行套裁(如图2所示)。图2多行套裁也是一种生产中常用的方法,其不仅可提高下料利用率,应用得当,还可较大幅度的提高工效。如针对图2b、c所示的排样方法,可在模具设计时考虑同时冲裁2或3件。对一些既可单行套裁又可多行套裁的冲件(如图2a所示),应根据冲件的尺寸大小及所选块坯料的尺寸大小来确定采用哪种方法,优先考虑下料利用率高的排样方法,其次还应考虑采用该种排样进行套裁时,模具设计制造和操作的难易程度。(3)整张套裁整张套裁就是指在整张块料上,对冲件采取不同的条料排样或冲件排样的方式(如图3所示)。相对于单行套裁和多行套裁来说,整张套裁的应用往往容易被人们所忽视,在生产中应用得也不非常普遍。究其原因,主要是冲压工艺师们对其不够重视。的确,对于一些批量不大,且尺寸较小的冲件而言,应用前两种套裁方法就已足够,毋需再考虑整张套裁。然而对一些批量较大或是尺寸较大的冲件来说,应用单行套裁或是多行套裁仍有较多的工艺余料时,就势必得考虑应用整张套裁的方法。况且,有时在采用单行套裁或是多行套裁时,所选用的块、条(坯)料的规格(即尺寸大小),市场上未必能够买到。因此,此时采用整张套裁就自然有其实际意义。如图4所示的冲件,厚度为3mm,若搭边取a1=25mm,a=28mm,选用冷轧钢板,在现有标准规定的定长或定宽整张块料上,不论采取单一的纵排或横排方式,都难以避免条料冲裁冲件后的工艺余料(即条料上的尾料)。若以下料利用率较高的1000mm2000mm的定尺寸坯料为例,采取横排方式(见图5a),此时,条料冲裁冲件后的工艺余料宽度为84mm,下料利用率为667%。而采用整张套裁,即在沿宽度方向裁下条坯料之前,先在沿长度方向裁出一条宽度B为1706mm的条坯料(如图3所示)。此时,下料利用率可达712%,比非套裁方式提高了45%。图4图5这种套裁方式对冲件宽度b不就料时,较为有效。当冲件长度L亦不就料时,则可视剪条料后的工艺余料(即最后剩余条料)的宽度来考虑,若余料宽度大于冲件宽度与2个搭边值的和,可将冲件作纵排样(如图5b所示),以将这部分余料充分利用起来,提高下料利用率。这种方法亦可称做余料套裁。采用这种套裁方式时,应在有关工艺文件上注明,以使工装设计及操作人员在设计和使用冲裁工装时,对送料方向及档料位置加以考虑,并便于应用。在上例中,剪条料后的余料宽度为123mm,大于冲件宽度与2个搭边值的和,对其再进行套裁,材料利用率又可提高3%,达到742%。若余料宽度小于冲件宽度,但仍有利用价值,则可考虑象前述方法那样,先在沿宽度方向上剪出2或3个冲件纵排宽度的条料,尔后,再剪出单行横排的条料。此时,可在工艺余料上进行如图5所示的排样。不过,在整张套裁时,对一些有辗纹方向要求的弯曲件等坯料,应优先满足工艺要求,再考虑套裁。2多件套裁多件套裁就是在一张板、块或条坯料上,经过合理排样,冲裁出2种或2种以上的不同形状、规格、尺寸的冲件的一种方法。多件套裁除依旧可分为单行套裁,多行套裁和整张套裁外,还可分为废料套裁、余料套裁和结构套裁。不过在考虑多件套裁时,应特别注意:几种准备在一张板、块或条坯料上套裁的冲件,其材料的材质、厚度必须相同,这是多件套裁的前提。(1)单行套裁单行套裁是指2种或2种以上的冲件均以单行的形式进行排样的套裁。如图6所示的排样即为一种多件的单行套裁方式。图6(2)多行套裁多行套裁是指被套裁的2种或2种以上的冲件中,只要有1种冲件以多行的方式进行排样,就称为多行套裁(如图7所示)。应用多件单、多行套裁时,可考虑采用级进模等冲裁方式以提高工效。若冲件结构或形状允许,还可采取少无废料排样的方法,以更大幅度的提高下料利用率及工效。如图7所示排样方案中的两个冲件,若其外形允许略为变动,则其排样图可改为图8所示方案。此时模具结构将大为简化,连续对件1进行冲切,件2就已自动生成。图8(3)整张套裁多件的整张套裁与单件整张套裁类似,从套裁排样的角度看,往往较单件整张套裁有之更大的灵活性。此处不再赘述。(4)废料套裁废料套裁是一种在生产实践中经常采用的多件套裁方式。它是利用一些冲件的工艺废料,再冲裁出其它冲件的一种方法。废料套裁可象多件单、多行套裁一样,在模具设计时就考虑同时冲裁多种冲件,亦可分别单独进行冲裁。在单独冲裁时,应注意被套裁冲件模具的冲裁挡料定位的设计,以便于灵活的挡料定位为宜。(5)余料套裁在条坯料或单件的整张套裁中,常会出现一些条坯料冲裁冲件或整张(块)套裁后余下的尚可利用的工艺余料(见图3)。对于这些工艺余料,可考虑用于其它一些较小冲件的冲裁,使这部分余料被充分利用起来。采用余料套裁时,应在有关工艺文件上予以说明,以便于并指导实际应用。(6)结构套裁结构套裁是一种有别于上述诸种多件套裁且又容易被忽视的一种套裁方法。它不仅仅是只在工艺设计时才考虑冲件的套裁,而应在冲件的设计过程中就考虑其套裁,以最大限度地提高材料利用率。结构套裁是从一种冲件中,冲裁出另一种或多种冲件方式。这种冲裁几乎无浪费,即套裁冲件的轮廓与被套裁冲件的孔、槽(包括异型孔、槽)等近乎吻合或完全吻合。如图9所示,就是一种典型的结构套裁。图9所示冲件,是全顺汽车驻车制动操纵杆中的一组冲件,3件材料、厚度均相同。图9a所示为操纵杆支架的展开料,与驾驶室底板相连,要求有较好的机械性能,但硬度不能高。图9b、c所示冲件为一组相互啮合的大、小棘齿,要求有较好的机械强度及较高的表面硬度,且大棘齿(如图9b)需紧紧镶嵌在支架上(图9aA处)。根据产品的使用要求,大支架的槽及大棘齿的轮廓应具有较高的几何形状精度。图9若不采用套裁方式,该组冲件需经一冲出。其模具均需分别制造,材料消耗大,生产周期长,模具数量多,且大支架槽与大棘齿轮廓的几何形状和尺寸精度要求高。而采用结构套裁,原来的3套模具,仅需1套即可,且支架和大棘齿的装配轮廓,因系1套模具冲裁,故其几何形状的制造精度要求可大大降低。可见,结构套裁,不仅可大幅度地提高材料利用率,以此来降低冲件成本;而且还可从简化冲裁工艺,减少工艺装备,缩短生产周期,改善零件性能等方面,大幅度地降低零件成本。因而是一种效果十分显著的套裁方法。在汽车、家电这些含有多品种冲件的产品中,合理的应用结构套裁的方法,将会大大使产品成本进一步降低。464.1引言骨科手术辅助机器人使用过程中主要在导航装置的引导下完成手术前规划好的动作，但是在手术过程中也需要医师对机器人的位置和姿态进行调整和确认，这就需要医师能以手动的方式直接操纵机器人。现有的多自由度关节型机器人主要采用示教器的方式实现对机器人的手动操纵[55,56]。有些示教器上使用六维鼠标来控制机器人的运动。如KUKA示教盒的手动示教部件，它包括三个方向的平动和三个方向的转动，即可控制6自由度KUKA机器人的运动。但是这种方法并不适合手术过程：如果手动操纵由专门的辅助人员来完成，这不仅浪费有限的手术空间以及人力资源，而且动作指令在口头表述时不甚方便，也容易有歧义，会增加误操作的风险；如果手动操作由主刀医师亲自完成，则占用医师双手，医师不能完成其它动作，且示教器必须设计符合防水标准并消毒；无论谁来操作，使用示教器方式操纵机器人都不直观：示教器和机器人是分离的，操纵者需要换算自身站位与机器人方位的关系，这不仅效率较低，也容易产生误操作，可能造成严重后果。本文旨在针对多自由度手术辅助机器人系统开发出一个新型的多自由度关节型机器人示教方式，操纵者通过手动操纵装置可以实现对7自由度机器人末端执行器的位置和姿态控制。该方式由主刀医师亲自操作，希望达到简单、高效、低错误率的目标。4.2手动操纵装置的结构设计手动操纵装置安装于机械手臂末端，结构上包括通过信号电缆与信号处理模块相连接的三自由度操纵杆、模式选择开关和冗余姿态控制开关。4.2.1三自由度操纵杆出于应用于外科手术辅助功能的考虑，选择三自由度操纵杆实现操作输入而不是六维鼠标，目的是将位置平移操作和姿态调整操作分开控制，以免产生误操作，酿成严重后果。操纵杆功能如错误！未找到引用源。所示，型号选用30JBK-ZT-30R3G。操纵杆支架尺寸参见附录C所示。三自由度操纵杆内置电位器，具有弹簧复位装置，可实现三轴调节功能。当操纵杆无操作时，在复位弹簧作用下，手柄处于中间位置。由于输出模拟电压信号，可能会发生零点漂移现象，导致机械手臂发生蠕动，进而有可能产生严重后果。为防止这种情况的发生，在电位器的零位附近上海交通大学硕士学位论文手动操纵装置的设计47设置一段死区。此范围内机械手臂无动作，死区通过信号处理器内程序实现。当输出电压在-0.3V～+0.3V区域内波动时，机械手臂不会产生任何动作。如此，当机械手臂处于静止状态时就能保证其稳定。4.2.2模式选择开关由于操纵杆只有三个自由度，而机器人末端执行器有六个自由度，因此将操纵动作分为两组模式，即进行位置平移操作和姿态调整操作，每组各三个自由度，符合一般工业机器人产品的操作习惯。模式选择开关就是用于切换操纵杆控制位置平移操作或姿态调整操作，安装于机械手臂末端并与信号处理器相连接，如错误！未找到引用源。所示。该模式选择开关采用三位选择开关，无弹簧复位能。当开关选择中位时，处于安全模式，此时拨动操纵杆无任何动作，另外两位分别用于切换操纵杆的位置平移操作模式和姿态调整操作模式。具体而言，进行位置平移操作时，机器人末端执行器的空间姿态保持不变，沿X轴、Y轴、Z轴等方向平行移动；进行姿态调整操作时，机器人末端执行器参考点位置保持不变，末端执行器以参考点为轴心，绕X轴、Y轴、Z轴等轴线旋转，以调整姿态。上述末端执行器参考点一般设定为工具工作点，如手术刀的刀尖，钻头的尖端等。如此，则可以通过三自由度操纵杆和选择开关来分别控制机器人末端执行器的空间位置和姿态。这种操纵方式，调整位置的时候专注于刀尖的位置而不必担心姿态改变，调整姿态的时候则不必担心刀尖发生偏移，操纵简单可靠，不易发生误操作。更适合于手术中的精细位置姿态调节。4.2.3冗余姿态控制开关冗余姿态控制开关与信号处理模块相连，可利用机器人冗余自由度调整机械臂的姿态，以实现对主刀医师作业的避让。六自由度机械臂在工作空间内可以保证末端执行器达到任意位置和姿态，但是，由于机构的奇异及障碍物的存在，机械臂可能难以实现某些特定的位置和姿态。例如为了使末端执行器达到某特定位置姿态，则机器人肘部可能会占据不恰当的位置，影响医师操作。七自由度对于需要避障和回避内部奇异的机械臂来说是最少的自由度数。骨科手术辅助机器人设计为七自由度关节型机器人，其中第三自由度即为冗余自由度。在操作中如果医师觉得机器人姿态有妨碍，只需轻触位于机器人基座面板上的冗余姿态控制开关，则控制器控制机器人末端执行器按原规划运动；同时控制整个手臂以肩关节与腕关节的连线为轴线转动，实现机器人肘关节的模式选择开关支架避让，直至医师觉得不再妨碍其操作，停止触碰开关。这种方式可在不影响机器人当前操作的前提下实现机器人手臂形态的实时在线调整。冗余姿态控制开关采用具有弹簧复位的三位选择开关。当开关选择中位时，处于安全模式，无信号输出；另外两个位置各有信号输出，两信号分别用于控制机械臂顺时针方向转动和逆时针方向转动。无操作时，弹簧复位功能可实现开关回复至中位。4.2.4信号处理模块信号处理模块包括数字IO子模块、A/D转换子模块。其中A/D转换器将来自操纵杆内电位器的电压模拟信号转换为数字信号并输入机器人控制器，数字IO子模块将模式选择开关和冗余姿态控制开关的状态信息输入机器人控制器。1)数字IO子模块端子板的通用输入输出端口作为手动操纵装置的数字IO子模块，如图35所示。图35数字IO模块Fig.35DigitalIOmodule模式选择开关和冗余姿态控制开关接入EXI0~4端口，将状态信息输入计算模块。指示用灯用以显示模式选择开关所选的模式状态。上海交通大学硕士学位论文手动操纵装置的设计492)A/D转换子模块图36所示为AD转换子模块模拟量输入接口端，单个模拟量输入通道平均占用一定的系统通讯带宽，因而当8路输入全部使用的时候，均摊到单个通道的系统带宽变得最小。8个输入通道全部使用的时候，单个通道的刷新时间将是仅使用其中两个输入通道的4倍，也就是说单通道的采样率下降为1/4。图36A/D转换模块模拟量输入Fig.36AnaloginputofA/Dconvertermodule操纵杆连接到A/D转换子模块的电压输入有6条通道，分别是X、Y、Z的测量端和参考端。A/D转换子模块输入模式选择差分输出形式，将差分负相端接入“负相端子”，差分正相端接入“正相端子”。由于只需要用3路输入端，所以将输入输出通道选择按钮拨到Bit5-ON，Bit6-OFF，A/D转换器将只扫描前四路输入通道。这样提高了单通道刷新率，进而提高了示教系统的反应速度。图37A/D转换模块输入电压范围设置Fig.37InputvoltagerangesetofA/Dconvertermodule通过电阻将24V直流电压分压，使得X、Y、Z轴输入的模拟电压在-5V~+5V范围内。同时上海交通大学硕士学位论文手动操纵装置的设计通过拨码开关（Bit1-OFF，Bit2-ON，Bit3-OFF，Bit4-OFF，Bit5-OFF，Bit6-ON）将A/D转换子模块的输入电压范围设置为-5V~+5V，如图37所示。图38A/D转换模块接线原理图Fig.38A/DconvertermodulewiringdiagramA/D转换子模块通讯接口采用DB9-F与运动控制器EXTI/O端口连接，模拟量输入通道选用AI0~2，接线原理如图38所示。4.3手动操纵装置控制过程机器人控制器首先根据机器人当前姿态信息进行坐标变换，计算出机械臂末端，也即是操纵杆本身相对于地面坐标的位置和姿态。然后机器人控制器根据操纵杆三组电位器的电压信号，计算出手柄及旋钮的位置状态，即手柄的指向方位以及旋钮的旋转方向和角度，并结合模式选择开关的信号，判断出操纵者的动作意图。具体来说，当模式选择开关处于位置平移操纵模式的时候，要求机器人末端执行器状态不变，向手柄和旋钮所指方向平行移动；当模式选择开关处于姿态调整操纵模式的时候，要求机器人末端执行器以参考点为圆心（参考点通常设置为器械工作点，如锯刀的刀尖），向手柄和旋钮所指方向转动，以调整器械姿态。再根据机器人自身位置姿态进行坐标变换，计算出机器人相对于地面坐标的运动方向和速度。其中运动速度正比于手柄或者旋钮的旋转角度，由于弹簧复位装置的弹性阻力作用，运动速度也正比于操作者对操纵杆施加的力和力矩。最后机器人控制器生成驱动信号发送到各个伺服驱动器，从而控制伺服电机运动产生相应的动作。通过本装置最终实现通过控制手柄及旋钮转动的方位和角度来控制机器人末端执行器的运动方向和速度。操纵效果类似于六维力传感器实现的“手把手”示教空盒子，但是更为简单、经济。用这种操纵方式调整位置的时候专注于刀尖的位置而不必担心姿态的改变，调整姿态的时候则不必担心刀尖发生偏移，操纵简单可靠，不易发生误操纵。相当于六维力传感器直接检测六自上海交通大学硕士学位论文手动操纵装置的设计由度力/力矩分量，同时实现六自由度控制，适合于手术中的精细姿态调节。4.4坐标转换操纵杆安装在机械臂的末节，其目的就是为了能让主刀医师更直观得控制机器人所持道具或夹持工具，即主刀医师对操纵杆的操作是在工具坐标系上完成的。而机器人运动规划是在基座坐标上实现的。基座坐标相对大地坐标是不动的，而工具坐标系相对大地坐标系是运动的，这就要求操纵杆所控制的运动要做一个相对于基座的坐标变换。4.4.1机械臂D-H坐标机械臂D-H坐标示意图参见图14。图14机械臂D-H坐标示意图Fig.14D-Hcoordinatediagramofmanipulator相邻两连杆的坐标变换关系为:根据已建立的D-H坐标，可以求出7坐标系相对于0坐标系即地面坐标系的位姿。4.4.2操纵杆坐标转换如图39所示，从机器人运动控制器获得机器人当前位置姿态信息，根据机器人自身姿态进行坐标变换，计算出机械臂末端，也即是操纵杆本身相对于地面坐标的位置与姿态。图39坐标变换示意图Fig.39Coordinatetransformationschematicdiagram由于操纵杆坐标系J、工具坐标系T与腕点坐标系7之间无相对运动，都属于固定连接，故4.5手动操纵装置的优点手动操纵装置的优点在于：1)可以实现对机械臂六个自由度的控制，完成对手术路径的导航，方便医生进行更直接、安全的操纵。2)可以通过模式选择开关将操作动作分为三组模式，即进行位置平移操作模式、姿态调整操作模式以及安全模式，这样就可大大减少误操作的几率。3)通过冗余自由度控制开关对冗余自由度进行调控，方便与医生协同作业。4.6本章小结手动操纵装置使得操作者无需专门培训即可掌握手动操纵机器人运动的方法。操纵过程简单直观，可避免由于对机器人方位判断错误引起的操纵失误。这类失误在工业机器人操纵中很容易发生，而在手术应用中将产生严重后果。本文涉及的方法将机器人位置调整和姿态调整的操作独立分开，调整位置的时候专注于刀尖的位置而不必担心姿态改变，调整姿态的时候则不必担心刀尖位置发生偏移，操纵简单可靠，不易发生误操作，更适合于手术中的精细位置姿态调节。本章主要阐述了手动操纵装置的结构设计，包括三自由度操纵杆、模式选择开关、冗余姿态控制开关和信号处理器。该装置通过冗余自由度控制开关对冗余自由度进行调控，方便与医生协同作业。并且介绍了操纵杆的坐标转换，主刀医师在工具坐标系上完成对操纵杆的控制，以实现更直观得控制机器人所持道具或夹持工具。3需注意的问题在多件套裁中,对一些有数量要求的组合件、总成件,应考虑各套裁冲件的数量匹配问题。另外各种套裁方法可视具体的冲件,灵活应用,交叉进行。不过,在选用确定套裁方法时,还应考1结构不尽合理设备利用率偏低我国压铸设备不算太少除国产压铸机外几乎世界各国生产的压铸机在中国都有除一些与主机厂有固定套配关系和有较稳定的压铸件出口业务的企业外普遍存在设备利用率不高或闲置的问题不少企业上压铸时就缺少了解有的是低水平重复购进了设备没有生产对象没有预期的生产量或技术不过关产品出不来;也有因模具跟不上或设备故障缺少维修力量影响生产;还有的是缺少评估论证就借贷购进设备导致任务不足负债沉重企业陷入困境如轮壳生产我国有一个镇就有多家企业相互竞争铸件又无相应的销售对象当然困难32压铸件质且与国外相比有较大差距我国目前有20多家压铸机生产企业年产在40台左右小型压铸机质量在不断提高近几年虽试制了goot125ot16oot大型压铸机和研制200t2800t大型压铸机但与国外相比在质量上有较大差距因此国内为了生产大型铸件不得不花大量外汇进口大型压铸设备金城春兰兴光等企业的压铸厂为了生产优质铸件均选用了国外压铸机33模具制造跟不上压铸业的发展压铸模的质量直接影响压铸件的质量和成本当前国内CAD/CAM用于模具设计与制造的还不多而采用数控机床和电加工机床加工模具型腔的则是我国模具加工企业的主力分散在国内各乡镇和个体经营的模具制造企业在我国某些地区(如浙江宁波等地)已成为一支重要的力量他们的特点是制造周期短成本低所产生模具的质量有的较好有的则因材质较差和热处理不规范等寿命很短因此我国不少大型复杂铸件的模具或产量大的铸件用的模具不少依靠进口尽管进口模具价格一般比国内模具价格高出5~10倍还不得不购这是制约我国压铸件生产发展的重要因素之34技术管理水平不平衡我国一些上规模的专业化厂及压铸分厂和车间有较强的技术力量和较高的管理水平能很快吸收国内外先进技术与管理经验但也有不少企业管理不善生产场地不文明合金不符合标准熔炼工艺不严压铸工艺不稳定重复压射时工艺参数变化大检测手段和质量保证体系不完善等直接影响到产品质量的提高4压铸业发展对策探讨21世纪是高新技术产业充分发展的时代世界各国都把发展高技术作为增强综合国力提高国际竞争能力的主要战略压铸技术与其它技术既相互竞争又相互渗透特别是高新技术的融合应用将使压铸技术得到更大发展我们在研究发展趋势的基础上对其关键环节应狠下功夫这样才能将整个压铸行业的发展提高到新的水平41充分发挥压铸人才群体作用形成合力回顾我国压铸行业的迅速发展重要的是有从事和热爱压铸行业的这支3万多人的队伍以及长期在这方面踏实耕耘的一批带头人随着知识经济时代的来临知识信息已成为全球第一财富和全球第一生产力做为知识载体的人已构成全社会的关键性资源人在知识经济化过程中发挥着中心作用因此我们必须重视培养造就一批新世纪的压铸人才共同推进压铸业的进步42结合生产实践重视压铸基础研究针对目前我国大型复杂高质量压铸件生产的薄弱环节开发压铸工艺基础理论研究;严格工艺要求作好压铸技术基础工作目前应注意合金的管理及应用严格熔炼工艺稳定压铸全过程工艺参数;在提高压铸件内在质量的同时还要注重压铸件的表面质量推广铸件表面强化处理43进一步提高压铸设备与工艺装备质量努力学习及研究世界各国先进压铸机的设计及制造技术国产压铸机制造时在电器元件及密封件等方面不必过分强调国产化要发挥现有模具厂的作用通过市场竞争适当引进国外先进设备特别是制作大型模具的设备加强模具标准化工作专业生产模块模座及时为压铸生产提供优质模具44采用新的压铸合金材料441可着色压铸铝合金可着色压铸铝合金是当代压铸技术领域的研究课题日本美国等工业发达国家率先开展猛一镁一锌铝一钻等系合金的研究在进行了各种性能试验比较后认为铝一锌一镁一锰系合金的机械性能切削性能压铸工艺性均良好可着色成本色黑色金黄色青铜色金黄色最佳这种合金可压铸成形较复杂的零件经钝化处理和阳极氧化后着色其特点是化学成分简单除AIZnMgMn外加一些微量元素(如CuVBeCoNi等)成分变化范围大标准牌号合金由锭料直接配制工艺简单;常规工艺熔炼;表面着色按常规工艺进行4.42压铸镁合金现在压铸镁合金发展非常快它有很多特点镁不粘模热容量低可用于热室式压铸生产率高每小时达200~400次模具寿命比压铝时高2~3倍镁合金密度低比强度高很适合用于汽车工业美国通用福特和克莱斯勒三大汽车公司己宣布大幅度增加镁合金压铸件用量用于操纵杆支架座垫支架和发动机零件甚至汽车轮毅金有屏蔽作用非常适合用于计算机电子仪表工业磁盘驱动器支架外壳和连接杆等零件都可用镁合金制作我国有的省有丰富的镁资源及镁合金生产厂发展镁合金压铸件生产有相当好的条件443新型压铸锌合金锌合金近20年发展很快其强度几乎提高了一倍原来只用于一些壳体零件现在也用于受力零件有代替一些高强度铸铁铝合金和铜合金铸件之势汽车靠背椅操纵杆制动系统零件副条轮毅盖和滤油器接头等已用锌铝合金压铸新型压铸锌合金Aeins和Aeinelo的价格低廉仍局限用于低应力的非结构件为了改善锌合金的强度耐磨性和抗蠕变性美国通用汽车公司研究和发展中心开发了一种A。uzin。1的高强度锌基合金444压铸金属基复合材料铝基复合材料主要是将SIC颗粒加入熔化的铝合金中同时进行搅拌混合美国有制成的铝合金复合材料锭作为商品销往市场压铸工厂购得此复合材料铸锭后进行加热重熔实现接受无余量压铸生产这种铝合金复合材料铸锭压铸成的产品其强度硬度和耐磨性都高于普通铝合金压铸件并可进行热处理此外还降低了铸件的热膨胀系数增加了导热性锌铝基复合材料用作耐磨减摩材料有很好的前景以ZA一27合金为基体在熔融状态下与石墨复合成均匀桨料经挤压成型取得了好的效果在金属基复合材料中镁是一种优异基体因为它和陶瓷增强材料有很强的结合力许多陶瓷增强剂已经用来大幅度提高镁合金的耐磨性镁基复合材料的生产过程是将陶瓷颗粒加入熔融镁合金中混合搅拌后浇铸成锭料45发展新的压铸技术451真空压铸由于传统的压铸通气系统具有种种局限性因此强制通气(真空排气)已成为克服这些局限性的关键技术随着真空系统的可靠性和商业性的不断发展和提高真空压铸技术将会得到更大发展我们曾在60年代初期采用真空压铸生产航空叶轮取得了很好的效果大大提高了压铸件质量目前在国际上应用的真空系统称为PotivacSuperv真空系统在该系统中真空阀利用液态金属射人型腔所产生的动能和冲击而运动到末端时的压力来关闭抽气通道因而在充型过程最后一刻仍可以进行抽气真空压铸工艺的优点降低气孔率降低表面粗糙度提高产品尺寸精度和均匀性;减少热应力与变形减少毛刺减少型腔型芯拉杆的损伤;可根据产品规格选择更佳压铸机缩短模具修理的时间生产易于自动化延长了压铸机使用寿命易于生产390合金压铸件在欧美各国20%铸件定单要求真空压铸;在日本52%的压铸厂商在使用真空压铸因此有人认为真空压铸是压铸行业的未来452半固态压铸半固态压铸是本世纪70年代由美国麻省理工学院提出的已由布勒公司等发展成为成熟的技术用于铝合金压铸生产这种技术用于开发高熔点合金压铸有着深远的意义压铸合金组织原为树枝晶经电磁搅拌后形成非枝晶铸锭然后进行半固态压铸成形这种半固态合金压铸成形方法不仅使压铸件材质均匀晶粒细化气孔率减少并且由于半固态压铸比常规压铸温度低10OC左右使得压铸模的热负荷大为降低延长模具寿命目前国外一般都采用电磁搅拌法制备非枝晶合金锭然后再加热到半固态(约40%液态60%固态)进行压铸或挤压成形453固态压铸固态压铸类似注塑成形将粉状或粒状的金属加入装有螺旋杆的压室在压射的同时将金属熔至半固态浆充填铸型它与半固态压铸的区别是加人压室的是固态金属不必预先制备半固态金属这种工艺必需满足在压室内生产半固态金属的要求压力应>10MPa推进速度>3sm/s同时还要克服螺杆系统的质量惯性力及喷嘴衔接定位等问题46扩大计算机技术在压铸中的应用461为压铸工艺提供科学依据可用计算机模拟压铸过程中金属液流人模具的状态(即流态)还可模拟充型过程中金属液温度和模具温度的变化(温态)模拟出的流态温态为浇注系统设计提供更直观更科学的依据从而保证铸件内部质量金有屏蔽作用非常适合用于计算机电子仪表工业磁盘驱动器支架外壳和连接杆等零件都可用镁合金制作我国有的省有丰富的镁资源及镁合金生产厂发展镁合金压铸件生产有相当好的条件443新型压铸锌合金锌合金近20年发展很快其强度几乎提高了一倍原来只用于一些壳体零件现在也用于受力零件有代替一些高强度铸铁铝合金和铜合金铸件之势汽车靠背椅操纵杆制动系统零件副条轮毅盖和滤油器接头等已用锌铝合金压铸新型压铸锌合金Aeins和Aeinelo的价格低廉仍局限用于低应力的非结构件为了改善锌合金的强度耐磨性和抗蠕变性美国通用汽车公司研究和发展中心开发了一种A。uzin。1的高强度锌基合金444压铸金属基复合材料铝基复合材料主要是将SIC颗粒加入熔化的铝合金中同时进行搅拌混合美国有制成的铝合金复合材料锭作为商品销往市场压铸工厂购得此复合材料铸锭后进行加热重熔实现接受无余量压铸生产这种铝合金复合材料铸锭压铸成的产品其强度硬度和耐磨性都高于普通铝合金压铸件并可进行热处理此外还降低了铸件的热膨胀系数增加了导热性锌铝基复合材料用作耐磨减摩材料有很好的前景以ZA一27合金为基体在熔融状态下与石墨复合成均匀桨料经挤压成型取得了好的效果在金属基复合材料中镁是一种优异基体因为它和陶瓷增强材料有很强的结合力许多陶瓷增强剂已经用来大幅度提高镁合金的耐磨性镁基复合材料的生产过程是将陶瓷颗粒加入熔融镁合金中混合搅拌后浇铸成锭料45发展新的压铸技术451真空压铸由于传统的压铸通气系统具有种种局限性因此强制通气(真空排气)已成为克服这些局限性的关键技术随着真空系统的可靠性和商业性的不断发展和提高真空压铸技术将会得到更大发展我们曾在60年代初期采用真空压铸生产航空叶轮取得了很好的效果大大提高了压铸件质量目前在国际上应用的真空系统称为PotivacSuperv真空系统在该系统中真空阀利用液态金属射人型腔所产生的动能和冲击而运动到末端时的压力来关闭抽气通道因而在充型过程最后一刻仍可以进行抽气真空压铸工艺的优点降低气孔率降低表面粗糙度提高产品尺寸精度和均匀性;减少热应力与变形减少毛刺减少型腔型芯拉杆的损伤;可根据产品规格选择更佳压铸机缩短模具修理的时间生产易于自动化延长了压铸机使用寿命易于生产390合金压铸件在欧美各国20%铸件定单要求真空压铸;在日本52%的压铸厂商在使用真空压铸因此有人认为真空压铸是压铸行业的未来452半固态压铸半固态压铸是本世纪70年代由美国麻省理工学院提出的已由布勒公司等发展成为成熟的技术用于铝合金压铸生产这种技术用于开发高熔点合金压铸有着深远的意义压铸合金组织原为树枝晶经电磁搅拌后形成非枝晶铸锭然后进行半固态压铸成形这种半固态合金压铸成形方法不仅使压铸件材质均匀晶粒细化气孔率减少并且由于半固态压铸比常规压铸温度低10OC左右使得压铸模的热负荷大为降低延长模具寿命目前国外一般都采用电磁搅拌法制备非枝晶合金锭然后再加热到半固态(约40%液态60%固态)进行压铸或挤压成形453固态压铸固态压铸类似注塑成形将粉状或粒状的金属加入装有螺旋杆的压室在压射的同时将金属熔至半固态浆充填铸型它与半固态压铸的区别是加人压室的是固态金属不必预先制备半固态金属这种工艺必需满足在压室内生产半固态金属的要求压力应>10MPa推进速度>3sm/s同时还要克服螺杆系统的质量惯性力及喷嘴衔接定位等问题46扩大计算机技术在压铸中的应用461为压铸工艺提供科学依据可用计算机模拟压铸过程中金属液流人模具的状态(即流态)还可模拟充型过程中金属液温度和模具温度的变化(温态)模拟出的流态温态为浇注系统设计提供更直观更科学的依据从而保证铸件内部质量异形减速机结构复杂，传动精度高，是特殊的蜗轮蜗杆传动。蜗杆作为主动轮，同时带动两个在空间上相互垂直的两个蜗轮，达到分离传动目的，轴与轴之间的相互位置精度与垂直精度要求较高，传动要平稳无噪音、这样要求轴承孔的孔径和孔的位置精度要求较高，而且其中一个轴承孔为盲孔，孔为准110mm，一般刀具无法加工此深孔，因此对加工用的刀具和加工工艺安排要求严格。根据加工产品的要求，确定使用日本牧野公司生产的A55型卧式高速加工中心机床，刀具采用高强度高硬度的整体式硬质合金刀具，在加工时选择切削用量为：主轴转速8000r/min，进给速度2000mm/min，使单件加工整个箱体的时间控制在1h内，以满足高速、高效、高精度的加工目的，有效地减少加工成本和提高产品竞争力。1箱体工件分析如图1所示工件为六面立方体箱体，外形尺寸为171mm×170mm×144mm，材料为精铸铝合金，主要加工面由3个相互垂直的传动轴孔组成，其中孔系2、孔系3和两个传动轴孔为通孔，孔1为盲孔，尺寸深度为110mm，这给加工带来了不便，在选择刀具上及工件装夹上需要特殊要求。其它加工部分还包括各端面、辅助孔及各种紧固螺钉孔等。其中M25螺纹的底孔为精加工基准的定位孔，它与夹具支承座上的销钉配合定位。工件的尺寸公差及主要技术指标为：工件传动轴孔尺寸精度≤IT7级；位置度≤0.01mm；同轴度≤0.01mm；表面粗糙度≤Ra0.8。2加工设备选择因工件的6个面都要加工，要求保证3个传动轴孔的垂直度与同轴度要求，所以采用日本牧野公司生产的A55型高速卧式加工中心机床进行加工。此机床有2个交换式工作台，工作台B轴自身可以360°旋转，最小转角为5°。一次装夹后可以通过工作台旋转分别对工件的4个面进行一次性加工，保证了面与面之间的相对位置要求，减少多次装夹带来的定位误差，以提高产品的相互精度。3夹具设计与制造夹具的设计合理性直接影响产品的加工精度，夹具精度要稳定可靠，便于装卸，要充分考虑工序集中以减少装夹次数。通过分析此箱体加工的技术要求，采用3次装夹加工。根据工件的批量生产要求设计了专用夹具及装夹方法，如图2、图3所示。第一次装夹：用通用夹具压板及螺栓将夹具支座紧摘要：异形箱体在机械加工中属难加工零件。因其需要完成6个方向上的表面及各孔的加工，且各加工表面在空间位置上有很高的位置精度，加工中需要多次装夹找正。综合运用了机械CAD/CAM、数控高速切削、参数优化等切削加工技术加工异形箱体，效果良好。关键词：卧式加工中心；箱体类零件；加工工艺中图分类号：ＴＨ１６２文献标识码：Ａ文章编号：１００２－２３３３（２００8）10－００２４－０２StudyofProcessingMethodofWormGearBoxBasedonCAD/CAMYUANMing-wei,WANGLI-qiang,TANJi-ming（TianjinUniversityofTechnologyandEducation,Tianjin300222，China）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Itisdifficultfortheabnormityboxtocutinthemachineprocess.Becauseeachsurfacesandholesofsixdirectionsaretobemachined,moreover,eachprocesssurfacehasveryhighaccuracyonthespacepositionandmanytimesadjustmentandfixareneededintheworkingprocedure.ItissyntheticallyappliedofCAD/CAM,thehighspeedcuttingofCNCandtheparameteroptimization.固在工作台上。工件以准152内孔为粗定位基准，孔端面与支座端面贴合，在垂直方向进行准确定位，基准面用百分表找正后用螺杆螺母紧固工件。可同时加工工件4个面及为第二次装夹定位用的基准孔2-M25底径。第二次装夹：以工件上加工的2-M25孔为定位基准孔与夹具支座上的2个定位销配合作为精定位，限制工件的2个移动自由度和1个旋转自由度，使工件完全定位。然后用固定在支承座两侧工作台上的夹紧螺杆4和V型块5压紧工件，拧紧螺母9使压板11和V型块5压紧工件在支撑座上，加工90°面及270°面上的两个孔系。第三次装夹：工件及V型块5位置不动，将2个夹紧螺杆4和12及压板11换向90°，准确定位后用螺母夹紧箱体，加工0°面及180°面上的另一个孔系见图4、图5。4工件坐标系位置的设定加工此异形箱体工件需要设定多个坐标系，程序编写都应以相应坐标系作为基准，图4、图5分别表示相应两次装夹坐标系。5刀具选择、加工工艺及加工参数加工工艺顺序原则为“先粗后精，基面先行，先主后次，先面后孔”。端面加工工序采用粗铣→精铣，轴承孔采用高速粗铣→精铣（精镗）步骤。切削刀具采用了镶片式硬质合金铣刀用于高速粗加工，采用整体式硬质合金铣刀用于精加工，以便保证轴承孔径0~0.015mm的误差要求。在进行深轴承孔系1粗加工时，采用螺旋入刀高速进给切削方式，既提高效率又减少了加工工序。铝合金材料切削性能好、排屑顺畅，对刀具磨损较小，有利于提高产品质量，因此粗加工采用高速加工技术，切削速度为500mm/min，主轴转速8000r/min，进给速度为2000mm/min，每层切削深度2mm，利于排屑及提高加工效率。工艺路线和工序编写要点如下：第一次装夹：B轴工作台旋转至0°位，粗加工、精加工轴承孔系2端面。B轴工作台旋转至180°位，粗加工、精加工A基准面。B轴工作台旋转至90°位，粗加工、精加工B基准面及M25底孔。B轴工作台旋转至270°位，粗加工、精加工B基准面对称端面。第二次装夹：B轴工作台旋转至90°位，粗加工、精加工轴承孔系1及轴承孔系2一侧端面及一侧轴承孔以及端面上其它螺纹孔。B轴工作台旋转至270°位，粗加工、精加工轴承孔系1及轴承孔系2另一侧端面及另一侧轴承孔以及端面上螺纹孔。第三次装夹：B轴工作台旋转至0°位，粗加工、精加工轴承孔系3一侧端面及一侧轴承孔以及面上其它螺纹孔。B轴工作台旋转至180°位，粗加工、精加工轴承孔系3另一侧端面及另一侧轴承孔以及面螺纹孔。6计算机辅助设计与辅助制造CAD/CAM采用计算机CAD/CAM软件进行三维造型如图6所示。利用软件进行工艺分析和加工轨迹仿真，以便准确编写加工程序，也可对加工过程中进行受力和刀具磨损分析，以精确保证产品的质量。7结论数控设备的引进和应用，对精确加工高精度产品提供了强有力的保障。同样，先进制造技术及工艺应用在生产实际中，也是非常重要的，只有两者都具备，才能加工出合格的高精度产品。上述探讨的加工方法，夹持安全可靠、刀具选择合理、精加工与粗精加工分工明显，使之用最短的加工轨迹和切削时间，快速精确地加工出产品，同时，也为卧式加工中心切削类似箱体提供一个工艺参考。［参考文献］［１］FernandesKJ，RajaVH.Incorporatedtoolselectionusingobjecttechnology［Ｊ］.InternationanlJournalofMachineTools＆Manufacture，2000，40：1547－1555.［2］侯亮，徐燕申，唐任仲.面向广义模块化设计的产品族规划方法研究［Ｊ］.中国机械工程，2003，14（7）：596-599.［3］汪定伟，等，敏捷制造的EPR及其决策化［M］.北京：机械工业出版社，2003.［4］方沂.数控机床操作与编程［M］.北京：国防工业出版社，1999.（编辑黄荻）作者简介：袁名伟（1972-），男，硕士，高级实验师1引言在汽车制造中,汽车覆盖件与一般的机械产品从结构到制造工艺都有很大的区别,它具有曲面多、光顺性高、结构形状复杂、尺寸较大、精度要求高等特点,其模具制造技术难度大,成本高,开发周期和质量均难以控制。汽车大型覆盖件冲模CAD/CAE/CAM一体化技术作为现代汽车设计制造方法,在缩短汽车车型设计、模具设计与调试周期、加快新车型开发速度等方面都发挥着至关重要的作用,其中汽车覆盖件模具设计、工艺设计分析及模具制造是关键技术的重要组成部分。国家/九五0科技攻关项目/汽车覆盖件冲压成形工艺及模具技术研究0在这方面做了大量富有成效的工作,作为核心技术之一的CAM技术是模具制造中重要的一环。在汽车覆盖件模具CAD/CAE/CAM一体化技术系统中,可以充分利用CAD/CAM系统的较强的CAM功能来完成复杂型面的模具制造,但是在利用这些CAD/CAM软件系统的便利功能的同时,又必须看到目前较成熟的商品化软件的CAM系统,其基本特色均是面向曲面的加工编程方式,它们是以CAD模型的局部几何特征为目标对象来处理,而不是以面向工程的工艺特征来处理。CAM作为一项实用性、实践性极强的专业技术,直接面向数控生产实际,数控加工又是以模型为结果、以工艺为核心的工程过程,这样,面向数控加工过程的CAM工艺的研究就变得非常重要,它也是当前的应用商品软件如何提高CAM技术水平的关键所在。本文将结合汽车覆盖件模具CAM的特点,对CAM实现过程中的关键工艺技术进行探讨。2CAM工艺的前处理2.1数据转换在CAM的上游数据信息中,设计和分析所采用的CAM工艺的前处理2.1数据转换在CAM的上游数据信息中,设计和分析所采用的商品化CAD软件系统不尽相同,CAM与5模具工业62002.No.12总2627CAD所采用的软件系统也不一致,因此需要在不同的CAD/CAM系统之间做数据转换。目前用于数据转换的中间数据的标准格式有:IGES、STEP、PARASOLID等,这些标准的数据格式为在不同的CAD/CAM软件系统之间的数据转换提供了很大的方便。但就图形数据的交换而论,这些标准数据格式在实际应用于各CAD/CAM系统之间的数据交换时都会产生一些缺陷,如:(1)由于各CAD/CAM系统自身允许构造自由曲面的最高阶次不同,因而在自由曲面的数据转换时常导致新模型与原有模型有较大误差。(2)对裁剪后的复杂NURBS曲面进行数据转换时容易产生二义性。(3)复杂三维形体上的某些小特征(如复杂型面上的变半径倒圆角)无法准确地进行数据交换,这就要求在CAM工艺设计和程序编制之前对于由中间数据转换来的曲面数学模型进行检查和校对,并对曲面的完整性、光顺性进行检查。这种检查除了直接检查较大面积的曲面丢失信息外,较好的方法是利用现行CAD/CAM软件系统所具有的曲面曲率分析功能分析其曲面的连续性和光顺性,检查有无畸变或细小的缝隙。对于丢失的较大面积的曲面片,可以首先用CAM系统所提供的曲面造型方法将其重构,重构时须注意保持它与周边曲面的连续性和光顺性(如图1)。对于细小缝隙同样不能忽视,在曲面粗加工程序中,由于刀具半径较大,这种细小缝隙所带来的缺陷一般还不易反映出来,而在曲面精加工中,缝隙的存在将会带来相当严重的不良后果。因此,对于由中间数据转换而来的有缝隙的曲面,首要的工作就是对曲面缝隙的缝补和光顺(如图2)。图1曲面的连续性和光顺性2.2负面检查由于五轴加工中心在生产实际中还不够普及,图2曲面缝隙的缝补和光顺现有汽车覆盖件模具加工大多以三轴联动加工为主,因此在CAM工艺处理时,对汽车覆盖件型面上的负面部分(如图3)的加工处理就必须特别注意。因汽车覆盖件曲面形状和冲压工艺的复杂性,有些负面可以通过在冲压工艺中使制件旋转一定角度来消除,有些是考虑冲压工艺后不允许旋转而消除的,而有些负面即使在条件许可的情况下使其旋转一定角度,其负面仍不可避免。同时对于拉伸模具因拉伸冲压方向常是上下竖直方向,负面在拉伸时无法成形。对于这些负面的存在,在三坐标数控加工中必须要加以考虑,因此在模具设计和加工工艺设计时,对于存在负面的曲面模型,工艺模型上沿凹模型面负面部分处的最大型面边线(如图中A点处)上下拉直并修正曲面模型,拉直的部分在后序工序(如整形工序)中修整过来。图3型面上的负面部分2.3凸、凹模型面的转换在汽车覆盖件型腔加工中必须要考虑覆盖件料厚在模具凸、凹模型面上反映的重要性。设计汽车覆盖件型面时,考虑到本身组焊装配等尺寸关系的要求,对外覆盖件一般取其内表面即模具上的凸模作为型面设计的数字化定义面。凹模型面与凸模型面正好相差一个料厚。在模具设计时对凹模无需再另外构建模型面。在模具型面加工中,凸模可以直接使用数字化定义面来编程加工,而凹模就要考虑料厚的因素,凹模型面的加工利用凸模型面将已有的凸模型面沿X轴(对于Z轴为刀具轴的情况)旋转180b使之成为凹模型面来编程,其料厚的偏移量由CAM系统的加工余量这个加工参数来保证,当选择球头立铣刀加工时可以由刀具半径的补偿量来保证。2.4CAD/CAM基准的统一汽车覆盖件的冲压工艺常包括板材下料、拉伸修边、翻边整形、修边冲孔等工序,在这些工序的相应模具中,为方便各模具零件的制造,在模具设计时最好选用同一个设计基准。在汽车覆盖件产品设计和造型时所选用的设计坐标基准是车身坐标系,而模具型面的设计大多与此不一致,同时各工位的工序基准也有所不同,如果处理不好则会给模具制造、检查、测量带来不便。因此,基准变换一定要处理好,最好能实现基准的统一。例如,在模具设计和制造时,采用把产品图形平移到基准点并旋转到模具的冲压位置和冲压方向上,基准点最好与冲模中心重合,这样可以减少由于基准不统一造成的较大误差。在制造含有凸、凹模镶块的模具零件时,为减少一些不必要的清根和修整,凸、凹模镶块往往要与模体分离进行粗加工,然后装配好再精加工型面。这样就不可避免会产生一个问题,即分离件和合装件间的基准能否保证一致。基准的误差主要是多次加工产生的累积误差,它的存在则不能满足合模的技术要求,这种情况就必须在模架上加工出X、Y、Z3个方向的工艺基准面并在分离前后均以工艺基准面来找正进行编程加工,这样加工后的型面就只有找正误差和加工误差而消除了基准不重合的累积误差。3覆盖件模具CAM工艺技术覆盖件模具的数控加工与车身主模型的加工有所不同,车身主模型大多采用诸如油泥、硬塑等容易切削的软质材料,在数控加工时只要刀具的精度能够保证,一般加工质量均可以保证,需要考虑的问题较少。而冲压模具材料为金属材料且多为难加工材料,确定模具加工方式时要考虑的因素很多,如粗、精加工方案的确定、工艺路线的选择、加工工艺参数的确定等。3.1粗加工工艺的确定汽车覆盖件模具型面的复杂性和模具的单件加工性,使得其粗加工工艺与一般产品的加工工艺有着较大的差别,下面仅介绍在大型覆盖件模具数控加工中几种典型加工工艺。(1)增加试切工序。在模具零件粗加工中,无论是铸造毛坯还是焊接毛坯都常会遇到型面加工余量超大的现象,若一次加工到尺寸,则由于切削余量太大,导致切削力太大,刀具的进给阻力太大;若用分层的方法将粗加工分成多次进行,无论是加工成本或加工效率都不合算;如果将工件整个型面抬高一个定值,型面一次加工成,这样可减少加工时间,但有时会造成形面的个别地方加工余量不够,因此需要在粗加工之前增加一个试加工工序,检验工件粗加工时的切削量。试加工程序采用划分局部曲面加工来进行,如图4所示,在汽车顶盖凸模的粗加工时,因毛坯余量过大而且分布不均匀,在正式粗加工之前,对CAM工艺模型进行处理,如在长度方向上每隔300mm处划分出一个局部加工面,在加工中心上抬刀15mm试切20mm宽的小槽,此时有个别地方没有切上,将抬刀高度降低5mm,重复上面的试切程序,直至整个型面上的试切点均有加工余量,以后的粗加工和精加工在此状态下进行。实践证明,增加此试加工程序可减少重复加工的次数,改善加工性能,缩短加工时间,对提高模具加工质量和效率是一种行之有效的方法。图4局部曲面加工的划分另外,对较复杂的模型曲面进行加工时,有时须在粗加工之前对整个型面采用泡沫件进行试加工,以便检验加工后的实物与图纸所描述的形状是否一致,补充面的结构是否合理,通过试切加工,即检查了设计的合理性与造型的准确性,同时还检查了加工程序的正确性,发现设计不合理之处及时修改造型,修改程序,避免在模具实物加工中造成无法弥补的错误。(2)合理优化走刀路线。为了提高模具加工质量和生产效率,在模具型面的数控加工中,必须根据模具的结构特点和数控加工工艺性,采用合理的走刀方式和走刀方向。理论上在三轴及三轴以上的数控机床上可以实现三维空间任意形状的走刀。由于在汽车覆盖件的表面造型中,除了大张平坦的主曲面之外,因结构刚性的需要,还有许多的小曲面组成的凸台和凹坑,同时覆盖件模具表面上也有相同的形状,当对其模具型面进行数控加工时,就必须根据表面形状特征,采用不同的走刀方式或采用多种走刀方式的组合。虽然各种商品化CAM软件中提供的走刀方式很多,但根据生产经验,汽车覆盖件模具数控加工常用以下几种走刀方式:a)平行走刀也称梳状走刀或行切。这种走刀方式是模具加工中最常用的一种走刀方式,它多用于加工大张或较平坦的表面,在大型模具的精加工中常用这种走刀方式。b)等高外形走刀。用于一些表面形状复杂、凹坑凸台多且难以加工的曲面加工