四轴加工中心

关键词： 攻丝 加工

四轴加工中心（精选八篇）

四轴加工中心 篇1

1 机床的主要结构及特点

GSHM7060四轴联动卧式加工中心机床主要由底座、立柱、滑鞍、分度转台、主轴箱、冷却润滑、液压系统、全封闭防护罩以及电气系统等部分组成。

1.1 底座

底座是整台机床的基础,又是滑鞍和立柱的主要支承部件,底座这一基础件有足够的刚性,保证支承在其上各部件有较好的精度和刚性。本机床底座采用了前后底座,前后底座内壁布置了相当数量的隔板,从而增强了底座的的刚性,保证了刚性的持久性。

1.2 立柱

立柱是主轴箱的支承部件,即要承受各个方向的切削力,又要承受有关的颠覆力矩。为此,该立柱采用双柱封闭框架式结构,空腔内设置有较高的纵向和横向环形筋,使立柱具有较高的抗扭抗弯刚性。立柱采用I级铸件,机床导轨淬火磨削加工,硬度可达到HRC52以上,与其相配合的导轨面粘贴塑料导轨板,并采用间歇集中润滑装置对导轨进行间歇润滑,导轨副精度保持性好。

1.3 滑鞍和分度转台

滑鞍与分度转台是完成X轴运动和分度(B轴)运动的关键部件,这些部件有良好的刚性和运动精度。为了提高接触刚性和精度,滑鞍铸件采用封闭箱形结构,具有抗扭、抗弯性好、刚性高的特点。滑鞍导轨采用铸件贴塑工艺,还可以提高精度和稳定性,改善了机床的导轨动静磨擦特性,提高了抗爬行能力。分度转台由一个交流伺服电机通过1∶8齿轮副及一对1∶30的蜗轮蜗杆副来实现工作台的回转,工作台的夹紧与松开由油缸来实现,工作台回转位置精度由高精度端齿盘保证(见图1)。

1.4 主轴箱及自动夹刀装置

主轴箱导轨采用铸件粘贴塑导轨板,有利于提高主轴箱的运动精度和接触刚性。主轴单元采用四对轴承支撑,刚性好,输出功率大。主轴电机通过一对皮带轮1、3驱动主轴,主轴转速范围为20~12000r/min。自动夹刀装置由钢球、刀柄拉钉、碟形弹簧、松刀油缸等部分组成,夹刀由拉杆前端弧面内的四个钢球拉住刀柄拉钉,通过碟形弹簧和7∶24锥部将拉杆往后拉紧,从而使刀具拉紧。松刀时通过松刀油缸的活塞杆把拉杆向前顶,压缩弹簧,拉杆前移,钢球离开刀柄拉钉,拉杆继续前移,并将刀柄顶出0.5mm(见图2)。

2 机床的主要参数

1)X、Y、Z轴行程:700mm×600mm×600mm;

2)X、Y、Z轴快速移动速度:30m/min;

3)X、Y、Z轴加工进给速度:15m/min;

4)主轴转速:20~12000r/min;

5)工作台分度:1°×360;

6)定位精度:±0.01mm;

7)重复定位精度:±0.005mm;

8)外形尺寸:4800mm×2900mm×2760mm;

9)机床重量:15t。

3 机床的模态分析

在设计中,仅局限于机床和各个部件的分析都无法反映机床的整体性能。因此,要对机床性能进行准确的预测,必须对机床整机进行动力学分析。有限元分析是一种用来分析计算复杂结构的极为有效的数值计算方法,为机床的模态分析提供了有力的工具[1,2]。本文利用通用有限元软件ANSYS对机床模态进行了分析,着重分析了机床固定立柱和底座结合面的刚度对机床固有频率的影响,为机床的设计提供了参考。

3.1 有限元模态分析的基础

在结构动力学问题中结构固有频率和固有振型是动力学问题分析的基础,在无阻尼自由振动的情况下,结构的固有频率和振型可转化为特征值和特征向量的问题。由于机床是由若干个零件组成,先将连续体离散成为有限个单元,分别进行分析,再根据变形协调条件和平衡条件,将单元重新组合为多自由度组合体综合求解[2,3]。系统的无阻尼自由度自由振动方程为:

式中[M]、[K]分别为系统的总质量矩阵、总刚度矩阵,[x]和[x″]为系统各点的位移和加速度总矢量。由于弹性体的自由振动可以分解为一系列简谐振动的叠加,因此,设式(1)基本解的形式为:

其中:w为系统结构的固有频率,[u]为相应的振动向量,把式(2)代入式(1)得到:

其特征方程是:

由式(4)解出系统结构振动的固有频率w,代入式(3)可得到相应的振动向量[u]。

3.2 建立分析几何模型

将GSHM7060四轴联动卧式加工中心机床的底座、立柱、滑鞍、分度转台、主轴箱等部件建立三维实体模型,并装配得到整机模型(见图3),为了避免小特征和小结构件在进行有限元划分时,产生大量的有限元单元,加大计算机的计算时间;并且小特征会造成网格质量下降,影响结构的分析精度,对创建的GSHM7060四轴联动卧式加工中心CAD模型结构进行适当简化和修改,其基本原则为:(l)在CAD造型时力求精确,以真实反映结构的动、静态特性;(2)忽略CAD模型中的所有小特征,包括倒角、圆角、小孔以及凸台等;(3)对CAD模型中的小锥度、小曲率曲面进行直线化和平面化处理;(4)不考虑对整机动、静态特性影响小的零、部件结构。在有限元分析软件ANSYS中Work-bench应用平台的环境下导入整机模型。利用Simulation模块,设置GSHM7060机床的有限元模型的参数:材料为灰铸铁,杨氏模量为1.3×105MPa,密度为7200kg/m3,泊松比0.28。采用ANSYS软件自动网格划分的功能对整机模型进行网格划分,划分好网格的整机模型有198623单元、214863个节点(见图4)。在整机模型中,各部件的结合部位可以简化为一系列等效弹簧和一系列等效阻尼器构成的动力学模型。利用有限元模型中的接触面来模拟等效弹簧刚度和等效阻尼系数。按照结合类型的Friction和Stiffness建立滑块结合部位弹性约束,通过改变模拟导轨、滑块接触面积和高度尺寸来改变接触刚度和阻尼参数[3,10,11]。

3.3 模态分析

为确定加工中心主要结构件对机床动态特性的影响,对整机进行模态分析,由于机床结构是个连续体,质量和弹性都是连续分布的,所以应具有无穷多个自由度,也就是无穷多阶模态[5,6]。但是该机床的设计最高工作转速为12000r/min,因此作用在机床上的激励力频率一般都不高,只有最低模态的固有频率才有可能与激振频率重合或接近,高阶模态的固有频率远高于可能出现的激振力的频率,一般不可能发生共振,对于加工质量的影响不大,所以只需研究机床的低阶模态[7,8,9]。对机床整机的有限元模型进行模态分析,得到系统前20阶固有频率和振型,其中能明显表现出机床动态特性的是其前4阶振型,图5是整机第4阶振型和对应的固有频率。

由模态分析结果可以看出,第1阶模态主要是立柱的左右向摆动,整机的振动模态频率为78.63Hz。立柱和主轴箱等部件作为一个刚体在底座与工作台组成的基础件上部作横向摆动,主振系统是立柱和主轴箱,因此,该振动频率取决于立柱和主轴箱的y向刚度与质量。第2阶模态主要是立柱和主轴箱等部件作为一个刚体在底座与工作台组成的基础件上作前后摆动,同时伴有相对扭动,主振系统还是立柱和主轴箱。整机的频率为108.52Hz,因此该振动模态频率取决于立柱和主轴箱的刚度和相应的质量。第3阶模态主要是立柱的扭转振动,立柱和主轴箱等部件作为一个刚体在底座与工作台组成的基础件上作扭转振动,整机的固定振动频率为198.39Hz。第4阶振型主要是立柱两侧的弯曲振动和扭曲变形,主振系统为立柱,固有频率为318.71Hz。

4 结语

高速、高效、高精度是数控机床追求的重要目标,随着复杂箱体类零件、杂件的日益增加,对卧式加工中心的需求量更大。由于卧式加工中心对特殊复杂件加工具有攻坚性和高效性,在今后发展制造系统FMS(柔性制造系统)、FTL(柔性自动线)、FA(工厂自动化)、CIM(计算机集成制造)和CIMS(计算机集成制造系统)中,将起到突出的基础性、开拓性、创新性作用,是数控机床主要发展方向之一。机床研制成功后,经检测,各项技术指标全部符合检验依据要求,已接到数台定单,目前该机床已成为研发投入企业的主要产品之一。

参考文献

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[10]郑佳明.基于模态理论的机床滚珠导轨滑块结合面特性参数识别[J].精密制造与自动化,2005(3):19-20.

四轴加工中心 篇2

图 1、2所示是许昌烟草机械有限责任公司的一种混合锟零件的二维图及三维模型 ，该零件圆周上分布着一些不规则的斜齿以及右端的螺旋特征，斜齿上有一些增大摩擦的牙型特征，从图 1、2中可以看出，零件结构特征复杂，加工困难，从零件的结构来看，该零件需要采用四轴或五轴加工来完成，这里主要介绍四轴加工的具体实现过程。粗加工采用 NX10.0软件的型腔铣 （CAVITY_MILL）的驱动方式，半精加工可以采用可变轮廓铣 （VARIABLE_CONTOUR）的驱动方式，斜齿的精加工采用固定轮廓铣（FIXED_CONTOUR）的驱动方式，对于斜齿上面的牙型，我们可以根据零件的特征做一些辅助曲线，然后用可变轮廓铣 （VARIABLE_CONTOUR）驱动方式中的“曲线 /点”这种驱动方式进行加工，下面分步具体探讨。

二、用 NX10.0软件的型腔铣驱动方式进行粗加工

首先，根据零件在机床上的实际装夹方式在 NX10.0软件里建立 MCS坐标系，这个坐标系必须和零件在机床上加工时建立的坐标系位置一致。然后，在 WORKPIECE选项里指定部件和毛坯，在机床视图模式下创建加工刀具，如图 3所示。

由于型腔铣属于三轴加工，主轴不能摆动，所以必须从不同的方向对混合锟零件进行粗加工，根据混合锟零件的结构，分别从45°、135°、225°及315°方向上做刀轴矢量，从 4个方向进行加工。下面介绍型腔铣 （CAVITY_MILL）加工驱动方式各项参数的设定方法，在型腔铣切削模式选项里选择“跟随周边”，根据实际情况，选择合适的刀具平面百分比参数及每刀切削深度，在切削层选项里可以调整切削深度，在切削参数选项里选择切削顺序为“深度优先”，刀路方向为“向内”，在余量选项里设定合适的部件底面和侧面余量。在非切削参数选项里选择合适的“进/退刀方式”，在“转移 /快速”选项里设置合适安全平面及合理的快速转移方式，重点说一下刀轴的设定，在“刀轴”选项里选择“动态”方式，然后调整刀轴的矢量，这里我们把刀轴的矢量调整到 45°方向上，如图 4所示。

各项参数设定好之后，点击型腔铣对话框下面的操作选项里面的“生成”选项，就可以生成混合锟零件的粗加工刀路轨迹，如图 5所示，其他 3个方向上的刀路轨迹只需要调整刀轴的矢量方向即可生成，这里不再赘述。

完成了混合锟零件的粗加工刀路轨迹的生成，下面来讲述一下混合锟零件的半精加工。

三、用 NX10.0软件的可变轮廓铣驱动方式进行半精加工

由于混合锟零件属于圆柱型零件，加工 Φ68的圆柱面时，固定轴轮廓铣及其他固定轴的驱动方式显然无法满足加工要求。半精加工选择可变轮廓铣的驱动方式，结合混合锟零件的特殊结构，做半精加工的刀路轨迹时，对于 Φ68的圆柱面不再留余量，直接加工成形，对 16个不规则的斜齿周边及右端的螺旋特征留 0.1mm的精加工余量。下面具体讲解一下用可变轮廓铣做半精加工刀路轨迹的方法和步骤。

做半精加工刀路轨迹，用可变轮廓铣驱动方法中的“曲面”驱动模式，要用“曲面”驱动这种模式，必须要有曲面可供选择，选择混合锟零件模型上的所有曲面做“驱动曲面”显然是不合适的，因为混合锟零件结构复杂，零件上曲面太多，不宜选择。只有做一个辅助的曲面，本例做一个圆柱形曲面，以此曲面作为驱动几何体进行投影加工，如图6所示。

图6中，在曲面区域驱动方法对话框中进行参数设置，刀具位置为“相切”，切削方向为 X轴的法线方向，材料方向为“向外”，驱动设置选项，切削模式为“螺旋”，步距选择“残留高度”，最大残留高度可以根据零件的实际情况进行合适的设置。曲面区域驱动方法对话框中的参数设置完成以后，返回“可变轮廓铣”对话框，进行“投影矢量”和“刀轴”的设定，这两项都选择“垂直于驱动体”，然后对“切削参数”、“非切削移动”、“进给率和速度”等进行相应的设置，最后点击可变轮廓铣对话框下面的操作选项里面的“生成”选项，就可以生成混合锟零件的半精加工刀路轨迹，如图 7所示。

上面用可变轮廓铣的驱动方法做出了混合锟零件的半精加工刀路轨迹，要注意的是，做辅助“曲面”时，一定要考虑要加工的区域，做的辅助曲面过大或者过小，都会影响刀路轨迹的最终效果。接下来，做一下混合锟零件 16个不规则的斜齿及右端的螺旋特征的精加工刀路轨迹。

四、用 NX10.0软件的固定轮廓铣和可变轮廓铣相结合的方式进行精加工

首先用固定轮廓铣做出不规则的斜齿的精加工刀路轨迹，然后再用可变轮廓铣做出右端的螺旋特征的精加工刀路轨迹。用固定轮廓铣驱动方法中的“曲面”驱动模式来做斜齿的精加工刀路轨迹，曲面可以选择齿形四周的面作为“驱动曲面”，需要注意的是刀轴矢量的选择，我们分别从45°、135°、225°及315°方向上做刀轴矢量，从四个方向对齿形进行精加工。对于右端螺旋特征的精加工，可以用可变轮廓铣驱动方法中的“曲面”驱动模式，选择螺旋特征的左侧面和右侧面分别作为“驱动曲面”。在曲面区域驱动方法对话框中对“切削方向”、“材料方向”、“切削模式”、“步距”及“最大残留高度”等参数进行相应的设置，然后对“切削参数”、“非切削移动”和“进给率和速度”等进行相应的设置，最后点“生成”，即可以生成混合锟零件斜齿和右端的螺旋特征的精加工刀路轨迹，如图8所示。

上面用固定轮廓铣和可变轮廓铣相结合的方法做出不规则的斜齿和右端的螺旋特征的精加工刀路轨迹，下面来具体讲解一下斜齿上牙型的加工方法。

五、用 NX10.0软件的可变轮廓铣驱动方式加工斜齿上的牙型

对于斜齿上牙型的加工，我们可以选一把成型刀，用NX10.0软件的可变轮廓铣驱动方法中的“曲线 /点”驱动模式去做刀路轨迹。要用“曲线 /点”这种驱动模式，就必须有可供选择的“曲线”，我们在牙型槽底做一些辅助曲线，在可变轮廓铣驱动方法中的“曲线 /点”驱动模式下对各项参数进行相应的设置，最后生成加工牙型的刀路轨迹，如图 9所示。

至此，完成了混合锟零件粗加工、半精加工、精加工以及加工牙型等所有刀路轨迹的生成，然后可以用 NX10.0软件的后处理器生成和机床相匹配的G代码数控加工程序，生成数控加工程序以后，为了验证程序是否可用于实际加工，可以用 Vericut软件进行仿真加工。

六、用 Vericut7.2软件对程序进行仿真加工

打开 Vericut7.2软件，新建一个项目，根据机床的实际外形尺寸，在 Vericut7.2软件里构建机床模型，并配置相对应的数控系统，建立夹具、毛坯和零件等模型，根据在 NX10.0软件里生成刀路轨迹时设置的坐标系的位置在Vericut7.2软件里设置相对应的坐标系，添加G代码偏置、数控刀具、数控程序等，各项参数添加设置好以后，最后进行仿真加工，如图 10所示。

用 Vericut7.2软件对程序进行仿真加工，确认程序正确无误后，就可以把程序传输至机床进行现场加工，图 11所示是机床加工出来的实际零件。

七、结语

四轴加工中心 篇3

关键词：CNC-2150,龙门式加工中心,四轴联动,改造,控制程序,行业标准

0 引言

三轴联动的数控加工中心只能完成常规轮廓、孔的加工。如果需要加工曲线、曲面类比较复杂的零件, 如叶轮、在圆柱面上铣曲线等, 需要四轴联动加工, 普通的三轴加工中心很难完成。如果购买四轴联动的加工中心, 机床的性能提高了, 但成本也随之增加。此时可以在原加工中心上增加一个第四轴 (即A轴) 来扩展机床的功能, 并且成本投入比购新机床要少得多。

某公司的加工产品需要四轴联动, 为了节约成本, 需要在一台CNC-2150立式龙门加工中心增加一个回转轴 (即第四轴) 。该机床数控系统型号为FANUC18i-MB, 选用的回转台为MRNC-320型数控回转工作台, 以水平方式安装在X轴的工作台面上。

本研究为解决三轴CNC-2150立式龙门加工中心实现四轴联动的问题, 将在机床上增加第四轴的改造技术应用到数控机床功能扩展中。

1 硬件电路的连接

原机床有3个进给轴X、Y、Z轴, 配置了一个双轴伺服放大器和一个单轴伺服放大器, 增加了一个回转轴需要增加一个单轴伺服放大器。回转工作台伺服电机的型号为:FANUC A06B-0247-B101, α22/3000i, 额定功率4.0 k W, 额定扭矩22 N·m, 额定转速3 000 r/min。本研究根据伺服电机的规格选择伺服放大器:SVM1-80i, A06B-6114-H105, 峰值电流为80 A。回转工作台松开与夹紧是通过一个气动两位五通电磁换向阀控制实现的。工作台内有3个行程开关, 其中两个是用来检测工作台的松开与夹紧, 另外一个是工作台回参考点减速检测开关。

该机床电控柜预留了伺服放大器的安装位置, 把A轴伺服放大器用螺钉固定好, 连接好直流母线, 串行伺服总线 (FSSB) 、电机动力线、电机编码器反馈线等其他线。增加A轴后, 该机床的硬件配置[1]如图1所示。

A轴的伺服电气连接图如图2所示, A轴伺服放大器直流母线 (P、N) 连接到上一个伺服放大器 (Y、Z轴伺服放大器) 的直流母线P、N端口, CX2A连接到上一个伺服放大器的CX2B接口, 负责放大器之间的信号传送, A轴伺服放大器串行伺服总线 (FSSB) COP10B连接到上一个伺服放大器的COP10A接口, COP10A连接到光栅接口板的COP10B接口, FSSB总线高速传送轴卡对各伺服放大器的控制信号以及各放大器的状态反馈信号, A轴采用半闭环控制, 故A轴不外接圆光栅。CZ1L接口和JF1接口分别连接A轴伺服电机的三相动力线和编码器的反馈线。

2 开机调试

相关电路连接好经检查无误后, 在急停状态下接通机床电源, 并设置第四轴所需的参数。

(1) A轴所需系统参数的设置如表1所示。

几个重要系统参数的设置方法为:

P1827参数, 到位宽度[2]。是指轴定位结束时, 若其位置偏差值在参数P1827设定的范围之内, 则定位结束, 执行下个程序段, 若其值不在到位宽度之内, 系统一直在等待达到该值, 从而不能执行下个程序。到位宽度值不能设置太大也不能太小, 设定值过大则系统的轮廓精度差, 过小则系统达不到。设置时, 先设成参数的缺省值 (30) , 然后反复调试找到一个合适的值, 使加工产品轮廓精度达到工艺要求, 该机床中该参数最终设定值为20μm。

P1620参数, 线性加减速时间常数。加减速时间常数大的轴响应慢, 加减速时间常数小的轴响应快。这个参数要根据轴的负载、转动惯量和刚性来设置, 伺服电机一旦选定, 输出力矩就一定, 负载大的、转动惯量大和刚性较差的系统加减速时间要适当大些, 反之, 设定值可以适当小些。设置时, 先设成参数的缺省值 (200) , 然后通过反复调试找到一个合适的值, 使轴的响应比较快电机又不出现过流。该机床中该参数最终设定值为150 ms。

(2) A轴伺服初始化。

设置好A轴系统参数后, 进行A轴伺服初始化。由于数字伺服控制是通过软件方式进行运算控制的, 而控制软件是存储在伺服ROM中。通电时数控系统根据所设定的电机规格号和其他适配参数—齿轮传动比、检测倍乘比、电机方向等, 加载所需的伺服数据到工作存储区 (伺服ROM中写有各种规格的伺服控制数据) , 而初始化设定正是进行电机规格号和其他适配参数的设定。

设定方法如下:

(1) 在紧急停止状态, 接通电源;

(2) 确认显示伺服设定调整画面的参数。SVS (#0) =1 (显示伺服画面) ;

(3) 按照下面顺序, 显示伺服参数的设定画面。按[SYSTEM]键, 再按翻页 (扩展) 键, 找到软件键[SV-PRM];

(4) 使用光标、翻页键, 输入A轴初始设定必要的参数, 初始化参数如表2所示。

设置好以上参数断电重新启动, A轴伺服初始化完成。

部分参数设置说明:

(1) 柔性齿轮比的计算[3,4,5]:

(2) 参考计数器的设定主要用于栅格方式回原点, 根据参考计数器的容量使电机转一转。所以, 参考计数器设定错误后, 会导致每次回零的位置会不一致, 也即回零点不准。参考计数器容量设定值是指电机转一转所需的 (位置反馈) 脉冲数。

(3) 速度脉冲数 (PRM2023) [6], 位置脉冲数 (PRM2024) 在半闭环系统中是一个固定值8 192/819, 12 500/1 250, 当初始位#0 (PLC01) 设置为0时:使用PRM 2 023, 2 024的值, 设置值为8 192、12 500;当初始位#0 (PLC01) 设置为1时:在内部把PRM 2 023, 2 024的值乘10倍, 设置值为819、1 250。

(3) FSSB伺服总线[7]的设置。

FSSB总线是将CNC、伺服放大器和分离型检测器接口单元彼此间通过光缆连接起来。这些放大器和脉冲模块就是所指的驱动部分。驱动号码 (1, 2, 3, …, 10) 按照驱动分配以升序排列;越小的号码所指定的驱动离CNC越近。该机床X、Y、Z轴采用闭环控制A轴半闭环控制。增加A轴后, FSSB伺服系统连接如图2 (b) 所示。图中, M1表示第一分离型检测器接口单元, 用来连接X、Y、Z三轴光栅尺。

自动方式设置FSSB之前要把P1902#0、#1设置为0, FSSB设置完后P1902#1自动变成1。

进入FSSB画面的方法:

(1) 按功能键[SYSTEM], 显示系统画面;

(2) 按数次翻页键, 直到出现FSSB菜单;

(3) 按软键FSSB;

(4) 按软键AMP进入放大器设定画面, 在放大器设定画面输入A轴的轴号A3-L:4, 然后按Setting软键。按AXIS软键进入轴设定画面, 在轴设定画面中, 设定关于轴的信息, 如分离型检测器接口单元的连接器号和CS轮廓控制等设定。A轴是半闭环也不是CS轮廓轴, 在轴设定画面不要设置, 但一定要按Setting软键, 要不然不能完成FSSB设置。断电重新启动FSSB设置完成。

(4) A轴输入输出电路的设计。

本研究根据系统所剩I/O资源, 确定了A轴输入信号和控制换向电磁阀、A轴回参考点指示灯输出信号等地址, A轴相关的输入/输出电路如图3所示。

(5) A轴的PMC程序设计和调试。

A轴的控制流程图如图4所示, A轴有分度指令时, Y3.5有输出中间继电器KA12闭合, 电磁铁YV5得电A轴松开, 松开到位压下行程开关SQ2 (X7.1变成1) 后, A轴开始分度, 如果电磁铁YV5得电500 ms后没有检测到松开到位信号SQ2, 就会产生A轴没有松开的报警。当A轴分度达到目标位置时, Y3.5没有输出电磁铁YV5断电A轴夹紧, 夹紧后压下行程开关SQ1 (X7.2变成1) , A轴分度完成, 如果电磁铁YV5断电500 ms后没有检测到锁紧信号SQ1, 会出现A主轴没有锁紧的报警。A轴只有松开才能分度, M24、M25分别是A轴夹紧和松开的M指令。

SQ1, SQ2—A轴夹紧和松开到位检测行程开关, 常开输入;SQ3—A轴回零减速检测行程开关, 常闭输入;X23.0, X23.7—A轴手动运行的正、负方向键;KA12—中间继电器, 其常开触点控制换向阀的电磁铁YV5;HL12—A轴回参考点指示灯

机床的PMC程序保存在系统的F-ROM中, A轴PMC程序设计和调试是把编制好的PMC程序嵌入到机床原PMC程序中, 经调试后, A轴能正常运行并不影响机床其他功能。

A轴PMC控制程序嵌入到机床原PMC程序的步骤和方法如下:

(1) 通过系统PMCI/O画面, 把机床原PMC程序备份到存储卡 (M-CARD) 卡上。

(2) M-CARD格式PMC转换成梯形图格式PMC。

通过存储卡备份的PMC程序称之为存储卡格式 (M-CARD) 的PMC (后缀为.000.001等) 。其格式机器语言, 不能由FANUC PMC编辑软件的Ladder 3[8] (文件后缀为.LAD, 梯形图格式) 直接识别和读取并进行修改和编辑, 所以必须进行格式转换。同样, 由Ladder 3编辑好的PMC程序也必须通过格式转换, 然后才能装载到CNC中。

格式转换的方法如下:

电脑上运行LADDERⅢ软件, 如图5 (a) 所示, 新建一个类型与备份的M-CARD格式的PMC程序类型相同的空文件。

如图5 (b) 所示, 选择文件菜单中的“导入”, 软件会提示导入的源文件格式, 如图5 (c) 所示, 选择M-CARD格式, 执行下一步找到要进行转换的M-CARD格式文件, 按照软件提示的默认操作一步一步执行, 即可将M-CARD格式的PMC程序转换成Ladder 3直接识别的.LAD格式文件, 这样就可以在Ladder 3软件上进行修改和编辑操作了。

(3) 在机床原PMC梯形图上增加A轴的PMC控制梯形图。

(4) 梯形图格式PMC转换M-CARD格式PMC, 将其存储到M-CARD, 通过M-CARD装载到CNC中。

选择在Ladder 3编制好的机床PMC梯形图程序[9], 采用工具菜单中的编译功能将该程序编译成机器语言, 如图6 (a) 所示, 如果没有提示错误, 则编译成功, 如果提示有错误, 要退出修改后重新编译, 然后保存, 再选择文件菜单中的“导出”, 如图6 (b) 所示;将PMC梯形图程序转成M-CARD格式如图6 (c) 所示, 存储到M-CARD上, 通过系统PMC I/O画面装载到CNC系统F-ROM中。通过以上操作就把A轴PMC程序成功嵌入到机床原PMC程序中, 可以利用PMC调试的方法对A轴进行调试。

(6) A轴的关闭与开通。

生产加工中要移开A轴, 本研究设计了A轴忽略信号F72.5 (#4NG) , 使用时要设置如下参数:

#4NGOFF设置方法:如下按功能键[OFFSET]→按扩展软键→PN操作软键→翻页键找到#4NG画面→移动光标到#4NGOFF。用断电保存继电器K4.3设置是否调用A轴PMC程序。

脱开A轴的方法:设置#4NG ON, K4.3=0, A轴伺服参数P2009#0=1, P2165=0 (记录好原值) 。

开通A轴的方法:设置#4NG OFF, K4.3=1, A轴参数P2009#0=0, P2165恢复原来的值即可。

3 结束语

为了减少轮廓误差[10], A轴的位置环增益要设成与其他三轴一致 (5 000) , 本研究在现场经过反复的调试, A轴运行平稳, 低速无爬行、高速无振动现象。用激光干涉仪检查A轴定位精度和重复定位精度[11]分别是±6"和5", 而行业标准分别是±8"和6", 设计精度达到了要求。增加A轴后, 机床可以实现四轴联动, 从而可以完成复杂曲面的加工, 增强了机床的功能, 扩展了机床的加工范围。机床改造后主要用来加工叶轮零件, 机床每天至少运行16 h以上, 没有任何故障, 性能稳定, 加工产品质量合格。本研究成功的改造经验对从事相关工作技术人员有着实际的指导意义和参考价值。

参考文献

[1]Beijing-FANUC.FANUC0iC数控系统功能说明书[M].Beijing-FANUC, 2003.

[2]Beijing-FANUC.FANUC 0i系统参数设置手册[M].Beijing-FANUC, 2004.

[3]李芳丽.CAK3675V数控车床故障诊断与可靠性增长技术研究[J].机械, 2012, 39 (11) :71-76, 80.

[4]周炳文.实用数控机床故障诊断及维修技术500例[M].北京:中国知识出版社, 2006.

[5]凌万春.数控机床故障的诊断维修[J].机电工程技术, 2012, 41 (8) :226-228.

[6]朱自勤.数控机床电气控制技术[M].北京:中国林业出版社, 2001.

[7]刘江.FANUC 0iC数控系统FSSB总线的参数设定[J].制造技术与机床, 2009 (3) :157-159.

[8]Beijing-FANUC.FANUC系统PMC编程手册[M].Beijing-FANUC, 2001.

[9]刘建伟, 王卫英, 曾礼平.高速数控加工复杂曲线的刀具轨迹计算方法[J].轻工机械, 2012, 30 (2) :79-81.

[10]孙涛, 刘强.轮廓误差补偿方法研究[J].机床与液压, 2010 (5) :37-39.

四轴加工中心 篇4

CAXA制造工程师是北航海尔软件有限公司研制开发的全中文、面向数控铣床和加工中心的三维CAD/CAM软件。

功能特点:1) 方便的特征实体造型。采用精确的特征实体造型技术, 可将设计信息用特征术语来描述, 简便而准确。通常的特征包括孔、槽、型腔、凸台、圆柱体、圆锥体、球体和管子等, CAXA制造工程师可以方便地建立和管理这些特征信息。实体模型的生成可以用增料方式, 通过拉伸、旋转、导动、放样或加厚曲面来实现, 还可以用等半径过渡、变半径过渡、倒角、打孔、增加拔模斜度和抽壳等高级特征功能来实现。2) 强大的NURBS自由曲面造型。CAXA制造工程师从线框到曲面, 提供了丰富的建模手段。可通过列表数据、数学模型、字体文件及各种测量数据生成样条曲线, 通过扫描、放样、拉伸、导动、等距、边界网格等多种形式生成复杂曲面, 并可对曲面进行任意裁剪、过渡、拉伸、缝合、拼接、相交和变形等, 建立任意复杂的零件模型。3) 灵活的曲面实体复合造型。基于实体的“精确特征造型”技术, 使曲面融合进实体中, 形成统一的曲面实体复合造型模式。利用这一模式, 可实现曲面裁剪实体、曲面生成实体、曲面约束实体等混合操作, 是用户设计产品和模具的有力工具。4) 两轴到三轴的数控加工功能, 支持4~5轴加工。两轴到两轴半加工方式:可直接利用零件的轮廓曲线生成加工轨迹指令, 而无需建立其三维模型;提供轮廓加工和区域加工功能, 加工区域内允许有任意形状和数量的岛。三轴加工方式:多样化的加工方式可以安排从粗加工、半精加工到精加工的加工工艺路线。4~5轴加工模块提供曲线加工、平切面加工、参数线加工、侧刃铣削加工等多种4~5轴加工功能。标准模块提供2~3轴铣削加工。5) 支持高速加工。本软件支持高速切削工艺, 以提高产品精度, 降低代码数量, 使加工质量和效率大大提高。可设定斜向切入和螺旋切人等接近和切入方式, 拐角处可设定圆角过渡, 轮廓与轮廓之间可通过圆弧或S字型方式来过渡形成光滑连接, 从而生成光滑刀具轨迹, 有效地满足了高速加工对刀具路径形式的要求。6) 参数化轨迹编辑和轨迹批处理。CAXA制造工程师的“轨迹再生成”功能可实现参数化轨迹编辑。用户只需选中已有的数控加工轨迹, 修改原定义的加工参数表。CAXA制造工程师可以先定义加工轨迹参数, 而不立即生成轨迹。工艺设计人员可先将大批加工轨迹参数事先定义而在某一集中时间批量生成。这样, 合理地优化了工作时间。7) 独具特色的加工仿真与代码验证。可直观、精确地对加工过程进行模拟仿真、对代码进行反读校验。仿真过程中可以随意放大、缩小、旋转, 便于观察细节, 可以调节仿真速度;能显示多道加工轨迹的加工结果。仿真过程中可以检查刀柄干涉、快速移动过程 (G00) 中的干涉、刀具无切削刃部分的干涉情况, 可以将切削残余量用不同颜色区分表示, 并把切削仿真结果与零件理论形状进行比较等。8) 加工工艺控制。CAXA制造工程师提供了丰富的工艺控制参数, 可以方便地控制加工过程, 使编程人员的经验得到充分的体现。9) 通用后置处理。全面支持SIEMENS、FANUC等多种主流机床控制系统。CAXA制造工程师提供的后置处理器, 无需生成中间文件就可直接输出G代码控制指令。系统不仅可以提供常见的数控系统的后置格式, 用户还可以定义专用数控系统的后置处理格式。可生成详细的加工工艺清单, 方便G代码文件的应用和管理。10) CAXA制造工程师是一个开放的设计/加工工具。它提供了丰富的数据接口, 包括:直接读取市场上流行的三维CAD软件, 如CATIA, Pro/ENGINEER的数据接口;基于曲面的DXF和IGES标准图形接口, 基于实体的STEP标准数据接口;Parasolid几何核心的x—T、x—B格式文件;ACIS几何核心的SAT格式文伟面向快速成型设备的STL以及面向Inte rne t和虚拟现实的VRML等接口。这些接口保证了于世界流行的CAD软件进行双向数据交换, 使企业可以跨平台和跨地域地与合作伙伴实现虚拟产品开发和生产。

2 四轴联动机床

本例中采用的加工中心型号为VMC600, 采用FANUC-0iMD系统。机床配备了第四轴联动数控分度盘。随着数控技术的发展, 由原先的单轴控制到现在的2轴、3轴、4轴和5轴加工。软硬件技术的进步为提高企业的生产效率, 减轻工人的劳动强度起到了很大的作用。本机床为FANUC-0iMD系统, 可以实现4轴控制、4轴联动。四轴轴控制是指数控系统能够控制的机床坐标轴数目为4个, 包括X轴移动、Y轴的移动、Z轴的移动及回转轴A轴。四轴联动是指数控系统可同时控制按一定规律完成一定轨迹插补的协调运动的机床坐标轴数目为4个, 也就是说可以在同一时间内上述四个运动轴在数控系统的控制下可以同时运动, 以便实现我们所要的运动轨迹。此类机床主要加工对象是在外圆表面上加工凸台、凹槽、异型曲面或者文字等图案。应用范围较广。

3 圆柱凸轮螺旋线的绘制及编程

1) 打开CAXA制造工程师软件, 先绘制圆柱凸轮基体———圆柱。直径为50mm, 高度为200mm。2) 绘制螺旋线。点击“公式曲线”按钮, 输入螺旋线参数。螺旋线参数说明:设定螺旋线半径为25, 螺距为100, 直角坐标系下绘制螺旋线。3) CAM编程。利用CAXA制造工程师提供的多轴加工功能对上述曲线进行CAM编程, 生成刀具轨迹。a.建立工件毛坯。b.在菜单栏里点击“四轴曲线加工”按钮。c.设定CAM编程参数。

参数说明:旋转轴即A轴, 设定为绕X轴旋转;走刀方式为往复, 可以节省空走刀的时间;加工误差设定为0.01, 数值越小, 加工精度就越好;偏置选项为曲线上, 本图我们虽然只绘制了一条螺旋线, 没有画出实体槽的形状, 但是依靠软件此项功能, 我们可以免去绘制实体的步骤;加工深度为螺旋槽总的加工深度为10mm;进刀量是指每层的切削深度, 这里设为1mm, 如果深度过大, 可能会由于轴端刚性不足而引起振动, 甚至发生刀具折断或者工件变形等不确定因素。4) 点击确定按钮后, 刀具轨迹便可显示。5) 生成加工程序。在模型树里选中四轴曲线加工, 点击鼠标右键, 选择后置处理2, 生成G代码。然后选择fanuc_4axis_A, 然后确定, 即可生成加工程序。6) 模拟仿真。在模型树里选中四轴曲线加工, 点击鼠标右键, 选择线框仿真。

4 结语

四轴加工中心 篇5

1 叶片零件的加工工艺分析

(1) 零件图的分析。如图1和图2所示, 叶片零件由五个截面数据确定, 各叶片截面之间依次有10mm的间距和5°的旋转角度, 旋转轴为A轴。零件材料为铝棒, 毛坯尺寸为φ35×150, 不需要车削加工, 加工曲面为叶片曲面。由于工件是轴对称零件, 故选择毛坯左端面中心作为工件坐标系原点。

(2) 刀具的选择。由于工件材料为硬铝, 切削性能较好, 选用高速钢立铣刀即可满足工艺要求。粗铣时采用φ10的三刃圆柱直柄立铣刀, 精铣时采用φ6的三刃球头立铣刀。

(3) 机床及装夹方式选择。机床选择四轴联动立式加工中心。由于工件是较短的棒料, 采用第四轴A轴上的三爪卡盘进行装夹, 不需要顶尖。

(4) 工艺路线制定。采用先粗后精的加工顺序:粗加工时采用型腔铣加工方式, 采用三轴加工方式, 分成上下两部分两次铣削;精加工时采用可变轴流线铣加工方式, 采用四轴加工方式。

(5) 切削用量的选择。粗铣时主轴转速选择1500r/min, 进给速度选择200mm/min, 精铣时主轴转速选择2000r/min, 进给速度选择300mm/min。

2 应用UG软件对叶片零件进行四轴加工

2.1 零件的粗加工

(1) 打开UG软件, 绘制如图2所示的三维实体模型。

(2) 首先选择型腔铣粗加工叶片曲面上半部分。在【创建刀具】、【创建几何体】之后, 单击【创建工序】按钮, 弹出【创建工序】对话框, 将【类型】设置为【mill_contour】, 【工序子类型】选择【CAVITY_MILL】, 【刀具】选择D10, 几何体选择WORKPIECE, 单击【确定】按钮, 弹出【型腔铣】对话框, 将【刀轴】设置为【+ZM轴】, 【切削模式】设置为【跟随周边】, 【平面直径百分比】设置为40, 【每刀的公共深度】设置为【恒定】, 【最大距离】设置为1mm, 如图3所示。

单击【切削层】按钮, 弹出【切削层】对话框, 按图4所示设置参数, 单击【确定】按钮退出。分别单击【切削参数】按钮、【非切削移动】按钮和【进给率和速度】按钮, 设置相应的参数, 单击【确定】按钮退出。单击【生成】按钮, 生成刀具路径, 如图5所示。

(3) 选择型腔铣粗加工叶片曲面下半部分。在操作导航器几何视图中右键单击【CAVITY_MILL】, 选择复制命令, 再右键单击【CAVITY_MILL】, 选择粘贴命令, 生成【CAVITY_MILL_COPY】。如图6所示。双击【CAVITY_MILL_COPY】, 弹出【型腔铣】对话框, 在刀轴中选择【指定矢量】, 选择-ZC轴, 单击确定, 退出对话框, 如图7所示。

单击【切削层】按钮, 弹出【切削层】对话框, 按图8所示修改参数, 单击【确定】按钮退出。单击【生成】按钮, 生成刀具路径, 如图9所示

2.2 零件的精加工

单击【创建工序】按钮, 弹出【创建工序】对话框, 将【类型】设置为【mill_multi_axis】, 【工序子类型】选择【VARIABLE_STREAMLINE】, 刀具选择B6, 单击【确定】按钮, 弹出可变流线铣对话框, 单击【指定切削区域】按钮, 弹出切削区域对话框, 选择要加工的四个曲面, 单击确定退出。投影矢量选择【垂直于驱动体】, 刀轴选择【4轴, 垂直于驱动体】, 弹出指定矢量对话框, 选择+X作为旋转轴, 单击确定退出, 如图10所示。选择【驱动方法】中的【流线】, 单击【编辑】按钮, 弹出流线驱动方法对话框, 如图11所示设置参数, 单击【确定】退出。依次设置好【切削参数】、【非切削移动】和【进给率和速度】, 单击【确定】按钮退出。单击【生成】按钮, 生成如图12所示刀具路径。在操作导航器几何视图中单击【WORKPIECE】, 单击【确认刀轨】按钮, 单击【3D动态】, 再单击【播放】按钮, 可生成如图13所示的仿真加工零件。

2.3 数控程序的生成

产生粗加工程序可以选择三轴后处理器, 不再赘述, 但产生精加工程序时由于UG默认的四轴后处理器是绕B轴旋转, 而本次加工要求绕A轴旋转, 因此要自定义四轴后处理器。依次单击【开始】、【所有程序】、【Siemens NX 8.0】、【加工】、【后处理构造器】, 在后处理构造器中单击【文件】、【新建】, 按图14进行设置, 单击确定。再单击【第四轴】, 按图15进行设置, 单击关闭, 保存更改。右键单击工序导航器中的【VARIABLE_STREAMLINE】, 选择后处理, 单击浏览按钮, 选择刚定义的后处理器【4_axis_new_post】, 单击【确定】, 生成如图16所示的四轴程序。

3 结语

通过采用四轴联动数控加工中心与UG软件结合的方法, 可一次完成叶片曲面的加工, 相对于三轴加工不仅有很高的加工精度而且有很高的加工效率, 对于仅有四轴联动加工中心的单位制造叶片类零件具有较强的借鉴意义。

参考文献

[1]张文建, 彭一男, 冯恒昌.基于UG的汽轮机叶片四轴加工方法的研究[J].制造业自动化, 2011, (3) :26-28.

[2]杨小毅.轴流式透平叶片的四轴联动数控加工方法[J].风机技术, 2013, (3) :53-58.

四轴加工中心 篇6

1 问题提出

如何完成圆柱表面上北京奥运标志的造型及加工?如图1所示。

2 造型操作过程

(1) 利用软件图形矢量化 功能[3]及文字输入功能完成XY平面上图形的绘制, 如图2所示。

(2) 打开工具栏曲线生成栏中线面映射功能 , 不用修改命令行中的任何参数, 按照状态栏的提示 (拾取XY平面内的映射曲线) , 拾取XY平面内的图形确定后, 拾取曲面, 接着拾取映射曲线上的参考点 (最低点, 图3中A点) , 拾取曲面上一点 (图3中B点) , 与曲线中的点对应, 鼠标左键切换调整坐标轴方向, 右键确定后生成图4, 完成造型。

(3) 技巧分析:XY平面造型过程中长度值一定要小于等于曲面造型中圆的周长, 宽度值要小于等于曲面的高度, 即XY平面上的图形不能超出曲面区域。图3中A点 (B点) 坐标轴方向一定要对应, 即X正方向是长度方向 (圆周方向) , Y正方向是宽度方向 (高度方向) 。

3 仿真加工[4]

(1) 毛坯设置:如图5所示。

(2) 四轴加工方式选择:根据零件加工要求, 按照软件加工方法使用范围, 选择四轴柱面曲线加工方式, 加工参数设置 (如图6) 完成后, 按系统提示依次轮廓曲线, 自动生成加工轨迹。

(3) 实体仿真:选择加工轨迹实体仿真验证程序的正确性 (图7) 。

(4) 代码生成:选择fanuc_4x_A数控系统 (图8) , 生成数控机床能够识别的加工程序, 并导入机床完成零件的加工。

4 结束语

CAXA制造工程师四轴CAM造型、加工功能强大。本文结合实例介绍了软件线面映射功能的使用方法与注意事项, 并分析了四轴柱面曲线加工方法的应用。掌握这些技巧, 可以方便、高效地完成四轴零件的造型、加工, 为模具设计制造工作提供有力保障。

参考文献

[1]陈贵银.CAXA的三维设计与数控加工[J].机床与液压, 2003 (06) :122-123.

[2]周永倩.基于CAXA制造工程师和宇龙的复杂曲面仿真加工[J].煤矿机械, 2012 (10) :105-106.

[3]李建春.CAXA制造工程师在四轴零件加工中的应用研究[J].机械制造, 2010 (07) :95-96.

四轴加工中心 篇7

UG NX7.0的CAM模块包括平面铣、型强铣、固定轴曲面轮廓铣、可变轴曲面轮廓铣、车加工、切削仿真及后处理等十几个子模块,每个子模块中又包括多种不同的模板。用户通过使用NX CAM提供的不同加工模块,根据零件结构,加工表面形状和加工精度要求选择适合的加工类型,可以进行各种复杂零件的粗精加工。

1 叶片工艺分析

汽轮机叶片主要应用在汽轮机发动机上,零件对加工后的表面粗糙度和轮廓精度要求较高。其叶身较长、叶片壁薄,所以合理的进行加工程序的编制,选择合理的切削用量、因地制宜地选用刀具材料成为顺利加工出该零件的关键技术之一。选用四轴数控加工中心进行叶片加工,其通过控制刀轴各个矢量方向的改变来加工各曲面,在编制加工程序时需要注意各曲面刀路的重叠相接。根据叶片的特点,我们采用的程序编制流程为:型腔铣粗加工叶片,固定轴轮廓铣半精加工和精加工叶片的各个曲面,最后区域铣削精加工叶柄部分。

2 加工操作

UG的CAM模块提供了交互式编程产生精确具轨迹的方法,用户可通过观察刀具运动来图形化编辑刀具轨迹,最终的刀位源文件经过后置处理即生成数控加工程序。

2.1 准备工作

首先建立毛坯,在建模环境下,通过拉伸得到叶片的毛坯,半径为80mm。进入加工环境,建立加工坐标系。坐标系建立在毛坯的中心,通过旋转叶片,使叶片模型全部在毛坯范围内。由于叶片有弯扭角度,在建模时需要建立两个工艺台,以便在装夹时使两边中心对中。在加工时,粗加工出工艺台并留出精加工时刀具下刀的位置即可。建立3个基准面,为以后设置安全平面做准备。工艺台与基准面建立如图1所示。最后创建一把端铣刀和一把球头铣刀,端铣刀直径为7.7mm,球头铣刀直径为6mm,半径为3mm。

2.2 编写型腔铣粗加工程序

型腔铣程序作为粗加工程序可快速出去除零件的毛坯余量,为零件的后续加工做准备。首先建立粗加工坐标系,使Zm轴方向与叶身曲面法线方向一致。在部件选择时注意将工艺台作为加工部件选中,同时需给刀具留出进刀的距离。走刀方式选择跟随周边。跟随周边用于创建一条沿着轮廓顺序、同心的刀位轨迹,能维持刀具在步距运动期间连续地进刀,以产生最大化的材料切除量。刀轴方向为指定矢量,方向与叶片后缘曲面法线一致。刀具选择直径为7.7mm的端铣刀。粗加工时,全局每刀深度可以稍大一些,设置为1mm。在切削层设置项中,选择斜基准面作为切削层的终点。在切削参数项中,将底部面与侧壁量一致去掉,底部余量和壁余量分别设置为0.25mm和0.1mm。在非切削移动中,安全项中选择使用继承的,进刀的各参数设置如图2所示。最后设置进给和速度项,点击生成按钮,生成刀具路径。叶片后缘刀路轨迹如图3所示*。同理可生成叶片后缘的粗加工程序。

2.3 编写固定轴曲面轮廓铣加工程序。

固定轴曲面轮廓铣是用于精加工由轮廓曲面形成的区域加工方法,通过精确控制刀轴和投影矢量,使导轨沿着非常复杂的曲面的复杂运动。在切削区域选择中,选择要加工的曲面。由于叶片在叶身与叶柄处有一定的陡峭度,所以在进刀角度中选择45°进刀,这样可以在陡峭部分得到良好的加工效果。由图4和图5对比,可以看出在陡峭部位,取90°的进刀角度会有明显的刀路断接现象,45°进刀角度刀路连接顺畅,稀疏合理。

在刀轴选择时,半精加工与精加工的刀轴选择可以稍微不一样,这样加工出来的曲面精度较高。对于半精加工,刀轴方向和Zm轴一直,而在精加工中,用两点选择方法选择垂直于叶片的叶柄棱线作为刀轴的方向。半精加工时,余量都为0.1mm,进刀类型为插削,安全设置为平面,利用上面建立的斜基准面偏置一定距离来设置安全平面。精加工时只要将余量设置为0,其余和半精加工设置的参数一样。

2.4 编写其他表面精加工程序。

由于叶片有弯扭角度,只变换两次加工角度加工不到全部的叶身,需要通过选择不同的切削曲面来建立其它加工程序来完成。选择曲面时可以通过剪裁曲面来选择,也可以通过设置区域方法来界定。为了使编程简单,本文采用设置区域方法来界定。区域铣削驱动方法为非陡峭,陡角为20°。

2.5 程序模拟仿真

对已编写的程序进行模拟仿真是检验程序正确性最为直观快捷的方法,编程人员可通过UG NX7.0附带的程序仿真功能检验程序的正确性,具体的操作步骤如下:

在几何视图下,选择所有程序右击,选择【刀轨确认】命令,弹出【导轨可视化】对话框,选择【2D动态】选项卡,点击开始,即可以看到模拟仿真的过程。2D仿真状态通过不同刀路颜色可看到整个程序中每一步的仿真状态,可更直观的检查程序的正确性。

2.6 后置处理

后置处理的任务是根据机床运动结构和控制指令格式,将前置计算的刀位数据转换成机床各轴的运动数据,并按其指令格式进行编码,成为数控机床的加工程序。具体操作步骤如下:

首先利用UG/Post Builder的后置处理程序,通过设置机床的控制系统、最大行程等相关参数创建3个可实现从刀位文件到G指令转换处理的控制文件。然后在几何视图下,选择粗加工程序右击,选择【后处理】,弹出后处理对话框,如图6,选择mazak h630,点击应用,即生成粗加工程序的NC程序。同理可生成精加工后处理程序。部分NC代码如图7所示。

3 实际加工

将后处理生成的NC代码通过串行通讯接口传送到加工中心系统即可进行实体加工。通过叶片加工实例表明,加工出来的叶片表面粗糙度小,轮廓清晰,精度较高,符合设计要求。

4 结论

通过应用UG软件完成四轴数控编程加工叶片,提高了叶片加工精度,缩短了叶片的生产周期,为叶片类零件的制造提供了切实可行的方法。由实例可以看出其各种参数的设置、整个叶片加工工艺的制定以及编程者的经验等都是成功加工出叶片的关键因素。本文对叶片类零件的四轴编程和制造具有一定的参考价值。

参考文献

[1]汪光远.血泵叶轮四轴数控加工方法[J].制造技术与机床,2008(10):117-119.

[2]顾京.王振宇.UG软件在导风轮制造中的应用[J].现代制造工程,2005(12):127-129.

[3]肖世宏.UG NX 5数控加工[M].北京:人民邮电出版社,2008.

[4]周立波,李厚佳.基于UG的加工仿真及后置处理器的开发[J].制造业自动化,2009(2):47-50.

四轴飞行器视觉导航系统设计 篇8

四轴飞行器属于旋翼式无人飞行器的一种, 具有以下几个特点: (1) 体积小、重量轻、结构对称; (2) 4个螺旋桨能产生较大的升力; (3) 易于实现上下、前后、侧向、水平等飞行姿态。随着计算机技术、传感器技术和微机电技术的发展, 四轴飞行器的开发和研制取得了重大进步, 成为国内外研究热点[2]。其在环境监测、低空侦查、信号干扰等领域发挥着独特的优势, 无论在军事领域还是民用领域都有着广阔的应用前景[3]。

由于四轴飞行器主要面对近地面环境, 为了解决GPS在近地面环境失效的问题, 本文设计了视觉导航系统来实现四轴飞行器的定位与导航。

1 视觉导航技术

计算机视觉是研究用计算机和成像设备来模拟人和生物视觉系统功能的技术学科[4], 在许多人类视觉无法感知的场合 (如精确定量感知、危险场景感知、不可见物体感知等) , 计算机视觉更显示出它的优越性。图像处理技术以及摄像机硬件的发展使得计算机视觉技术可以引入到无人机的导航问题中[5]。一个完整的视觉导航系统由图像采集、图像处理与位姿解算、导航控制三部分组成, 如图1所示。

目前常用的导航方式有惯性导航和GPS导航, 惯性导航过程中惯性器件具有累积误差, 对初始值过于敏感;而GPS并不总是可获取的, 并且即使可以获取, 其精度上往往满足不了无人机导航的需要[6]。视觉导航技术具有设备简单、信息量丰富、智能化水平高、信号探测范围广等优点, 并且依靠计算机视觉提供的实时信息可以与惯性导航和GPS信息进行融合, 弥补后两者的缺陷, 提高导航精度[7], 因此视觉导航被大量地采用。

2 导航系统设计方案

2.1 总体结构设计

系统利用机载摄像头实时捕捉环境信息, 通过无线收发模块将图像数据传输给上位机, 采用摄像机标定方法解算四轴飞行器的位姿信息及其与着陆平台的相对位置关系, 并生成导航指令发送至主控制器, 调整电机转速, 实现四轴飞行器的飞行控制。系统整体结构图如图2所示。

2.2 飞控模块

飞行控制模块是整个飞行器的核心, 需要执行多种复杂的任务。STM32f103系列处理器主要有以下特性: (1) 32位的ARM Cortex-M3架构; (2) 支持3.3 V低电压供电; (3) 72 MHz运行频率, 1.25 DMIPS/MHz; (4) AD/DA、IIC、SPI、UART、USB等多种接口功能; (5) 4个16位定时器和2个带有电机控制的PWM高级控制定时器, 作为主控的核心, 其在开发应用和处理器功能上有着绝对的优势。

2.3 摄像头

STM32开发板板载了一个摄像头接口 (P8) , 用来链接OV7670摄像头模块。OV7670是OV (Omni Vision) 公司的一颗1/6英寸的CMOS VGA图像传感器, 其体积小, 工作电压低, 有效像素为640×480, 提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。

2.4 无线收发模块

n RF24L01是一款工作在2.4~2.5 GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片, 具有125个可选工作频道, 数据传输率为1或2 Mb/s, SPI接口数据速率为0~8 Mb/s, 工作电压为1.9~3.6 V, 拥有自动应答及自动重发功能。

3 图像处理与位姿解算

图像处理与位姿解算是视觉导航系统的核心与关键, 是四轴飞行器能否实现定点降落的前提。当系统获得一幅图像时, 需要对图像数据进行处理、分析、理解, 并从中提取出对飞行器着陆有用的信息, 解算出飞行器实时的位置和姿态信息。导航系统提供实时的位姿参数作为自主飞行控制算法的主要输入参数, 以达到飞行器自主飞行控制的目的[8]。图像处理与位姿解算的流程如图3所示。

3.1 图像预处理

在图像生成、传输和记录过程中, 成像系统、传输介质、工作环境和记录设备的不完善均会引入噪声而使图像质量下降。图像预处理的目的是采用一系列技术降低噪声的影响和图像的失真程度[9], 包括图像的去噪、灰度化、二值化等。

3.2 特征提取

角点是图像很重要的特征, 对图像图形的理解和分析有很重要的作用[10]。角点提取是一种典型的几何特征提取方法。Harris算法是基于亮度变化的角点检测算法, 不依赖于目标的其他局部特征, 利用角点本身的特点直接提取角点, 计算简单, 具有较高的稳定性和鲁棒性, 能够在图像旋转、灰度变化以及噪声干扰等情况下准确地检测特征点, 具有较高的点重复度和较低的误检率。Harris算法提取棋盘格角点如图4所示, 棋盘格旋转后提取的角点如图5所示。

3.3 位姿解算

由于摄像头是安装在四轴飞行器上的, 其与飞行器的相对位置关系已确定, 因此可由摄像头的位姿信息来推算四轴飞行器的实时位姿信息。常用的位姿测量方法其实质是摄像机外部参数标定的过程。摄像机标定是确定摄像机内外参数的一个过程, 其中内部参数的标定是指确定摄像机固有的、与位置参数无关的内部几何与光学参数;而外部参数的标定是指确定摄像机坐标系相对于世界坐标系的三维位置和方向关系, 可用3×3的旋转矩阵R和一个平移向量t来表示。从摄像机采集到的图像中提取并区分各个特征点之后, 得到了一系列特征点的物理世界坐标系和图像像素坐标系坐标对。对于像素坐标, 利用摄像机标定过程测得摄像机内部参数, 在得到内部参数之后, 就可以进一步确定相对于每一副图像的旋转矩阵R和平移向量t。

(1) 位置解算

摄像机坐标系与世界坐标系的转换关系可表示为:

平移向量t是世界坐标系原点在摄像机坐标系下的坐标, 而所需求解的摄像机位置参数T是指摄像机坐标系原点在世界坐标系下的坐标, 因此需要对式 (1) 进行修改。将摄像机坐标系与世界坐标系的转换过程描述为先进行平移, 然后进行旋转, 则其关系可表示为:

结合式 (1) 、式 (2) 可得摄像机的位置参数:

(2) 姿态角计算

姿态角 (翻滚角α、俯仰角β和航向角γ) 参数则需要根据旋转矩阵R并结合坐标系旋转几何关系来进行求解。

其中:

由此可得姿态角的计算公式为:

4 实验结果

用VC++设计上位机界面, 实现实时监控。摄像机标定是在飞行器飞行前进行的, 因此该过程不会占用飞行时图像处理时间, 只需将得到的内部参数值记录到飞行器控制系统中, 方便求解位姿状态。实验过程在室内进行, 四轴飞行器从世界坐标系原点 (0, 0, 0) (单位:cm) 起飞, 着陆平台铺设在地面上, 中心位于世界坐标系 (450, 450, 0) (单位:cm) 。当着陆平台不在视野范围内时 (如图6所示) , 则发送导航指令控制飞行器继续搜寻。一旦出现着陆平台 (如图7所示) , 就引导飞行器飞行至着陆平台正上方 (如图8所示) , 最后垂直降落到着陆平台上, 运行轨迹如图9所示。

在相同条件下, 分别进行10次试验, 四轴飞行器着陆地点坐标如表1所示。

实验结果表明, 基于着陆平台的四轴飞行器视觉导航系统在室内具有一定的导航精度, 能够实现四轴飞行器的起飞、悬停、定点降落这一系列过程。但是由于需要进行大量的图像处理, 耗时较多, 还很难满足高实时性的要求。室内环境相对简单, 不受天气等的影响, 系统的抗干扰能力还有待提高。单一的视觉导航方式在精度、稳定性、实时性等方面还有待提高和发展。因此融合其他导航方式的组合导航将成为接下来的研究重点。

(cm)

参考文献

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