金属板材数控渐进成形关键技术研究

论文题目: 金属板材数控渐进成形关键技术研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料加工工程

作者: 毛锋

导师: 莫健华

关键词: 快速成形,金属板材无模成形,板材数控渐进成形,开放式系统,加工轨迹规划,点支撑无模渐进成形

文献来源: 华中科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 传统的板材零件通常通过模具的凸、凹模作用获得所需形状。因为制造模具的成本很高,这种制造方法仅仅适合于大批量生产。为了满足用户产品多样化的要求,需要开发适合于小批量产品生产的新工艺。在过去几年开发的多种方法中,应用简单工具的板材数控渐进成形工艺的研究受到极大的关注。板材数控渐进成形工艺不需要专用的模具,是一种柔性的成形工艺,它根据板材零件的成形要求设计数控程序,然后通过数控机床的进给系统,成形工具按照一定的轨迹逐步地成形板材,直到得到需要的零件。可以通过修改产品的数字模型来调节成形工具的运动轨迹,达到改变成形零件形状的目的。因此,它的成形周期短,产品更新快。这种工艺非常适合于小批量、多品种和复杂的板料产品。本文紧紧围绕该成形工艺的柔性特点,对开放式控制系统以及与其相适应的开放式软件系统进行了深入研究,并针对不同成形问题深入研究了各种工艺规划策略,在提高加工效率、改进加工工艺、改善系统的可靠性和提高制件精度等方面取得了大量的研究成果,而且这些研究成果已被应用于HRPB系列快速成形系统中,对该系统快速制造出质优价廉的零件起到了重要的作用。本课题所开发的金属板材数控渐进成形机,其机身为框架式结构,具有结构简单、惯量小的优点。由于设备X方向行程较长、转矩较大,本系统采用了X轴双电机驱动方案,保证了动横梁的运动平稳。作者对不同的控制策略进行了分析对比之后,使用全坐标控制方式有效地解决了双电机驱动的同步问题。另外,在成形过程中,成形力将随着材料堆积和硬化而不断发生变化,从而诱使系统发生机械振荡,经过试验证明,在PID控制基础上加入加速度负反馈和陷波滤波功能的控制方案能够较好地抑制振荡的发生。考虑到金属板材数控渐进成形工艺对于系统快速扩展功能、多操作平台可移植性等方面的要求,以具有高度开放能力的PMAC2-PC多轴运动控制器作为控制下位机,以PC机作为控制上位机,将实时控制任务和设备管理任务分开,两者之间采用高速双端口RAM作为数据传送接口,通过中断通讯的方式保证数据通路畅通。组件化的程序设计方法被引入到数控软件系统的开发中,通过构建二进制一级可重用组件库,采用多层式系统模型,实现了软件系统的开放性和体系结构可复用性的目的。在基于组件的系统平台上,本系统采用了先进的结构化存储方法对加工数据进行存储,实现了加工数据内部的文件系统管理,对分层制造中的加工数据进行结构明晰、存取方便、高效可靠的存储管理。通过对轨迹段进行拼接整合,压缩简化了加工数据,为轨迹的工艺规划奠定基础。人机交互轨迹修改功能允许操作者使用计算机鼠标器对加工轨迹进行拖动修改,从而绕过由实际加工返回CAD模型的步骤,达到了现场快速响应的目的。从防止压痕累积、加工效率两个方面考虑,设计实现了轨迹环起止点匀布算法,为防止材料堆积和形状扭转,对轨迹环进行逆向处理,实现了正逆相间的加工工艺。为了消除底支撑模型的局限性,论文提出了点支撑无模渐进成形的新方法,通过工艺试验验证了点支撑无模渐进成形的工艺可行性,总结了成形缺陷和解决对策,并通过有限元数值模拟,对其成形过程和机理进行了分析研究。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 金属板材无模成形技术国内外的发展

1.2 应用于板材渐进成形机数控系统的国内外研究现状

1.3 课题的来源以及研究目的和意义

1.4 本课题的主要研究内容

2 金属板材数控渐进成形工艺路线概述

2.1 成形原理

2.2 从数字模型到工艺模型

2.3 加工轨迹的生成与规划

2.4 零件加工

2.5 本章小结

3 金属板材数控渐进成形机

3.1 机身结构

3.2 运动执行系统

3.3 基于机器视觉的机床自寻位

3.4 本章小结

4 基于PMAC 的开放式控制系统

4.1 控制系统方案的设计

4.2 PMAC 多轴运动控制器及系统结构

4.3 双端口RAM（DPRAM）与系统实时性实现策略

4.4 全坐标控制方式下双电机驱动同步

4.5 本章小结

5 基于组件的HRPDSF 系统软件设计与实现

5.1 基于需求分析的目标HRPDSF 系统软件

5.2 HRPDSF 系统软件体系结构

5.3 基于组件的HRPDSF 系统软件实现

5.4 本章小结

6 加工轨迹工艺规划算法研究

6.1 工艺模型的准备和加工轨迹的生成

6.2 分层制造中加工数据的结构化存储

6.3 轨迹段的拼接整合与人机交互加工轨迹修改

6.4 轨迹环起止点匀布

6.5 轨迹环逆向处理

6.6 本章小结

7 点支撑板材无模渐进成形的研究

7.1 基于点支撑的板材无模渐进成形与试验条件

7.2 试验结果

7.3 对于成形缺陷的分析

7.4 点支撑板材渐进成形有限元数值模拟

7.5 本章小结

8 总结与展望

8.1 全文总结

8.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录

发布时间: 2008-02-19

参考文献

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