空间曲面往复走丝线切割智能制造系统关键技术研究

论文摘要

在许多制造电子、仪表、电机、飞机以及火箭等所用的模具中,多数部件要求有落料斜度或上下截面具有不同的形状,而往复走丝电火花线切割加工技术已成为加工这类部件的重要手段之一。由于,目前国内加工空间曲面零件通过采用锥度切割装置使电极丝倾斜一定角度来实现锥度切割,这种加工方法容易产生较大的加工误差。同时,由于加工过程的自动化程度低而严重影响了空间曲面零件的加工质量。因此,本文提出了空间曲面往复走丝线切割智能制造系统关键技术的研究。论文的主要研究内容如下所述。空间曲面电火花线切割加工技术包括空间曲面往复走丝线切割CAD/CAM技术以及空间曲面往复走丝线切割数控技术。论文首先概括国内外空间曲面电火花线切割加工技术发展现状,并给出课题研究的背景与意义。随后,基于本智能制造系统的主要研究问题提出了应用多轴联动运动控制技术进行空间曲面往复走丝线切割智能制造系统关键技术研究的主要内容及技术路线。对于空间曲面数学模型而言,应用数学建模方法及数据库技术建立了基于极坐标方程和直角坐标方程的通用数学模型及综合数据库。通过对常用基于ISO标准的G代码图形合成程序的分析,建立了G代码程序解释模型,形成了空间曲面的两种高效合成方法。扩大了空间曲面零件的加工工艺范围。在空间曲面线切割CAD/CAM集成方面,根据系统的功能与数据结构,采用多种计算机技术建立了具有空间曲面建模、仿真及加工实时跟踪的图形化仿真平台。针对数控系统的软硬件设计问题,将开放式体系结构思想引入到五轴联动电火花线切割加工中,设计并实现了基于可编程多轴运动控制器（Programmble Multi-Axis Controller,PMAC）的开放式体系结构电火花线切割加工数控系统的硬件体系。为了确保电火花线切割数控加工软件的实时性能,采用电火花线切割加工轨迹堆栈和运动轨迹分割等处理方法,开发了多轴联动电火花线切割加工数控软件的内核模块和用户空间程序。创建了用于电火花线切割加工运动控制的PMAC运动程序,以及加工进给率控制PLC程序。实现了电火花线切割加工间隙电压检测任务、间隙调整任务及运动轨迹自动回退任务等。在五轴联动电火花线切割机床机构设计方面,首先通过分析空间曲面机构运动学及其结构特点,提出五轴联动往复走丝线切割机床的总体设计方案。基于Pro/E三维设计环境进行转摆摆工作台的参数化三维建模,并在Adamas下建立其虚拟样机。通过对转摆摆工作台动态特性的分析,验证了机构设计的正确性。随后,研制了数控转摆摆工作台原理样机,并与标准二维往复走丝线切割机床共同构成了五轴联动往复走丝线切割机床,为高精度空间曲面零件加工奠定了基础。针对往复走丝线切割加工中电极丝张力变化影响加工精度的问题,基于伺服控制技术,提出基于多轴运动控制器（PMAC）的电极丝恒张力控制方法,消除了电极丝张力变化对加工精度的影响。最后,本文对研制空间曲面电火花线切割智能制造系统加工空间曲面零件的过程进行了实验研究。实验结果证明,工件加工精度较高,验证了空间曲面往复走丝线切割智能制造系统的合理性和稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的与意义
• 1.2 国内空间曲面线切割加工技术发展概况
• 1.2.1 国内空间曲面线切割加工技术发展概况
• 1.2.2 国外空间曲面线切割加工技术发展概况
• 1.2.3 空间曲面线切割加工CAD/CAM 技术发展概况
• 1.2.4 数控系统的研究发展概况
• 1.3 论文研究的内容和方法
• 1.3.1 课题研究的主要内容
• 1.3.2 论文结构
• 第2章 空间曲面电火花线切割加工CAD/CAM 技术研究
• 2.1 引言
• 2.2 空间曲面电火花线切割运动学
• 2.2.1 空间曲面的形成与分类
• 2.2.2 空间曲面的形成条件
• 2.2.3 常见空间曲面的形成
• 2.2.4 五轴联动电火花线切割加工系统运动形式
• 2.3 极坐标数学模型简要回顾
• 2.3.1 五轴联动加工系统坐标系及符号说明
• 2.3.2 极坐标数学模型建立
• 2.3.3 极坐标数控模型建立
• 2.3.4 极坐标数控模型扩展
• 2.4 直角坐标数学模型建立
• 2.4.1 直角坐标下加工系统组成和运动形式
• 2.4.2 直角坐标下空间曲面零件线切割加工成型原理
• 2.4.3 直角坐标数学模型建立
• 2.4.4 直角坐标数控模型建立
• 2.5 基于G 代码合成复杂曲线研究
• 2.5.1 上下导线细分方法
• 2.5.2 利用G 代码合成空间曲面
• 2.6 综合曲线数据库建立
• 2.7 空间曲面线切割CAD/CAM 系统设计
• 2.7.1 CAD//CAM 系统功能与数据结构
• 2.7.2 空间曲面线切割加工CAD 系统的实现
• 2.7.3 空间曲面线切割加工CAM 系统的实现
• 2.8 本章小结
• 第3章 空间曲面往复走丝线切割加工系统硬件体系
• 3.1 引言
• 3.2 空间曲面线切割机床结构形式
• 3.3 硬件系统整体结构
• 3.3.1 系统的检测环节及脉冲电源控制
• 3.3.2 系统执行环节
• 3.3.3 电极丝恒张力控制环节
• 3.4 本章小结
• 第4章 控制系统软件体系结构
• 4.1 引言
• 4.2 软件总体结构
• 4.3 系统内核模块
• 4.3.1 内核模块整体结构
• 4.3.2 PMAC 驱动任务
• 4.3.3 线切割加工间隙电压检测任务
• 4.4 线切割加工PMAC 运动控制模块
• 4.4.1 线切割加工运动轨迹堆栈
• 4.4.2 线切割加工运动轨迹分割
• 4.4.3 加工运动轨迹的前进和回退控制
• 4.4.4 线切割加工PLC 程序
• 4.5 电极丝恒张力控制模块
• 4.5.1 恒张力控制模块软件结构
• 4.5.2 恒张力控制策略
• 4.5.3 恒张力控制模块软件流程
• 4.5.4 数据采集抗干扰处理
• 4.5.5 恒张力控制程序示例
• 4.6 用户空间程序
• 4.7 本章小结
• 第5章 复杂空间曲面加工试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 新型数控转摆摆工作台设计
• 5.2.1 五轴联动系统主要结构特点和工作原理
• 5.2.2 转摆摆工作台在Pro/E 环境下的建模
• 5.2.3 转摆摆工作台虚拟样机建立
• 5.2.4 转摆摆工作台运动特性仿真
• 5.2.5 转摆摆工作台试验样机
• 5.3 伺服系统PID 整定
• 5.3.1 伺服系统结构
• 5.3.2 PID 伺服滤波器工作原理
• 5.3.3 PMAC 的PID 控制算法
• 5.3.4 PID 滤波器参数调整和整定
• 5.4 PID 调整试验
• 5.4.1 阶跃信号反馈增益调整
• 5.4.2 正弦信号反馈增益调整
• 5.5 加工实验
• 5.5.1 加工准备与调整
• 5.5.2 样件加工试验
• 5.5.3 加工误差分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢