第八章仿形數(shù)字化加工技術(shù)

1、第八章 仿形數(shù)字化加工技術(shù)8.1 概述概述8.1.1 8.1.1 仿形加工及數(shù)字化加工仿形加工及數(shù)字化加工七十年代出現(xiàn)。是在計(jì)算機(jī)數(shù)控的基礎(chǔ)上，采七十年代出現(xiàn)。是在計(jì)算機(jī)數(shù)控的基礎(chǔ)上，采樣三維模擬仿形儀的壓偏信號(hào)，利用相應(yīng)的系樣三維模擬仿形儀的壓偏信號(hào)，利用相應(yīng)的系統(tǒng)控制軟件，進(jìn)行控制計(jì)算，向各個(gè)坐標(biāo)軸發(fā)統(tǒng)控制軟件，進(jìn)行控制計(jì)算，向各個(gè)坐標(biāo)軸發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令，實(shí)現(xiàn)模型表面的自動(dòng)跟蹤掃描，出運(yùn)動(dòng)指令，實(shí)現(xiàn)模型表面的自動(dòng)跟蹤掃描，與此同時(shí)，刀具完成工件的加工。與此同時(shí)，刀具完成工件的加工。 8.1.1.2 8.1.1.2 新型的新型的數(shù)控仿形數(shù)控仿形機(jī)床機(jī)床8.1.1.18.1.1.1液壓和電觸發(fā)仿形

2、液壓和電觸發(fā)仿形產(chǎn)生于五、六十年代。產(chǎn)生于五、六十年代。 控制系統(tǒng)必須是專用的仿形系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)必須是專用的仿形系統(tǒng)。 仿形加工的局限性：仿形加工的局限性：仿形加工時(shí)仿形儀觸指的尺寸必須與加工刀具一致；完成仿形加工時(shí)仿形儀觸指的尺寸必須與加工刀具一致；完成一個(gè)工件粗精加工的不同階段必須選用不同規(guī)格的刀具和仿一個(gè)工件粗精加工的不同階段必須選用不同規(guī)格的刀具和仿形儀觸指進(jìn)行多次重復(fù)仿形加工形儀觸指進(jìn)行多次重復(fù)仿形加工；只能加工出與實(shí)物模型相同的工件，不能進(jìn)行對(duì)稱形狀的只能加工出與實(shí)物模型相同的工件，不能進(jìn)行對(duì)稱形狀的鏡像加工、比例縮放加工、凸凹模加工等；鏡像加工、比例縮放加工、凸凹模加工等；加工時(shí)

3、必須有實(shí)物模型，加工時(shí)必須有實(shí)物模型，邊仿形邊加工邊仿形邊加工，因而其仿形速度，因而其仿形速度受到低切削速度的影響；由于被仿形模型與待加工的毛坯必受到低切削速度的影響；由于被仿形模型與待加工的毛坯必須同時(shí)安裝在機(jī)床上，因此通常仿形機(jī)床的工作臺(tái)至少應(yīng)是須同時(shí)安裝在機(jī)床上，因此通常仿形機(jī)床的工作臺(tái)至少應(yīng)是被仿形模型的兩倍以上；被仿形模型的兩倍以上；8.1.1.3 8.1.1.3 新型的數(shù)字化加工技術(shù)新型的數(shù)字化加工技術(shù)產(chǎn)生于八十年代初。掃描過(guò)程與加工過(guò)程不是同時(shí)進(jìn)行的。產(chǎn)生于八十年代初。掃描過(guò)程與加工過(guò)程不是同時(shí)進(jìn)行的。掃描掃描采用模擬式掃描測(cè)頭沿著未知模型的表面連續(xù)采用模擬式掃描測(cè)頭沿著未知模型

4、的表面連續(xù)接觸，采集模型表面的坐標(biāo)值，把采集的數(shù)據(jù)存入計(jì)算接觸，采集模型表面的坐標(biāo)值，把采集的數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)中。機(jī)中。數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理根據(jù)模具制造的需要，可以對(duì)掃描模型數(shù)據(jù)進(jìn)根據(jù)模具制造的需要，可以對(duì)掃描模型數(shù)據(jù)進(jìn)行陰陽(yáng)模轉(zhuǎn)換、比例縮放、鏡像、旋轉(zhuǎn)、平移等處理，然后行陰陽(yáng)模轉(zhuǎn)換、比例縮放、鏡像、旋轉(zhuǎn)、平移等處理，然后生成需要的生成需要的CNCCNC加工程序，也可以生成各種不同格式的加工程序，也可以生成各種不同格式的CADCAD數(shù)數(shù)據(jù)，送到其他據(jù)，送到其他CAD/CAMCAD/CAM系統(tǒng)中進(jìn)行進(jìn)一步處理。系統(tǒng)中進(jìn)行進(jìn)一步處理。數(shù)控加工。數(shù)控加工。九十年代出現(xiàn)?？梢詫?duì)多種材料的模具進(jìn)行非接九十年代

5、出現(xiàn)?？梢詫?duì)多種材料的模具進(jìn)行非接觸式的數(shù)字化采集。觸式的數(shù)字化采集。8.1.1.4 非接觸式激光掃描技術(shù)非接觸式激光掃描技術(shù)但激光數(shù)字化采集也存在著嚴(yán)重缺點(diǎn)：為防止雜但激光數(shù)字化采集也存在著嚴(yán)重缺點(diǎn)：為防止雜散反射，測(cè)量前需對(duì)工件表面進(jìn)行處理，通常是散反射，測(cè)量前需對(duì)工件表面進(jìn)行處理，通常是在工件表面噴上一層白色粉末；當(dāng)被測(cè)表面的傾在工件表面噴上一層白色粉末；當(dāng)被測(cè)表面的傾角超過(guò)角超過(guò)45時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)輻射盲區(qū)，稱為陰影效時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)輻射盲區(qū)，稱為陰影效應(yīng)，從而不能準(zhǔn)確測(cè)量工件表面的坐標(biāo)位置。雖應(yīng)，從而不能準(zhǔn)確測(cè)量工件表面的坐標(biāo)位置。雖然可通過(guò)多軸控制來(lái)減少或消除陰影效應(yīng)，但增然可通過(guò)多軸

6、控制來(lái)減少或消除陰影效應(yīng)，但增加了系統(tǒng)的成本；精度較低。加了系統(tǒng)的成本；精度較低。 8.1.2 8.1.2 數(shù)字化掃描系統(tǒng)典型產(chǎn)品介紹數(shù)字化掃描系統(tǒng)典型產(chǎn)品介紹8.1.2.1 8.1.2.1 采用模擬掃描測(cè)頭的掃描系統(tǒng)采用模擬掃描測(cè)頭的掃描系統(tǒng)英國(guó)英國(guó)Renishaw公司的掃描系統(tǒng)是采用模擬掃描測(cè)公司的掃描系統(tǒng)是采用模擬掃描測(cè)頭的掃描系統(tǒng)典型產(chǎn)品，可分為兩類，即用于數(shù)頭的掃描系統(tǒng)典型產(chǎn)品，可分為兩類，即用于數(shù)控機(jī)床的掃描系統(tǒng)（控機(jī)床的掃描系統(tǒng)（Retroscan、Retroscan200和和Retroscan350）和高速掃描機(jī)（）和高速掃描機(jī)（Cyclone）。）。 Retroscan機(jī)床掃

7、描系統(tǒng)機(jī)床掃描系統(tǒng)Retroscan200機(jī)床掃描系統(tǒng)機(jī)床掃描系統(tǒng) Retroscan350機(jī)床掃描系統(tǒng)機(jī)床掃描系統(tǒng)8.1.2.2 采用激光掃描測(cè)頭的掃描系統(tǒng)采用激光掃描測(cè)頭的掃描系統(tǒng)英國(guó)英國(guó)3D Scanners公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的Reversa是一個(gè)雙視窗非接是一個(gè)雙視窗非接觸式激光掃描頭，可裝配在觸式激光掃描頭，可裝配在CNC機(jī)床、機(jī)床、CMM三坐標(biāo)測(cè)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上作高速和精準(zhǔn)的掃描，所得物件三維數(shù)據(jù)能夠量機(jī)上作高速和精準(zhǔn)的掃描，所得物件三維數(shù)據(jù)能夠直接轉(zhuǎn)化成一些標(biāo)準(zhǔn)格式的擋案，配合反求工程軟件直接轉(zhuǎn)化成一些標(biāo)準(zhǔn)格式的擋案，配合反求工程軟件（如（如Surfacer）或）或CAD/CAM系

8、統(tǒng)（如系統(tǒng)（如UG，Pro-E或或CADDSS等），便可直接應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、模具等），便可直接應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、模具制造、珠寶設(shè)計(jì)、快速成形、廣告動(dòng)畫(huà)及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域制造、珠寶設(shè)計(jì)、快速成形、廣告動(dòng)畫(huà)及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。Reversa具有每秒具有每秒15000點(diǎn)的掃描速度、精度高、多點(diǎn)的掃描速度、精度高、多角度掃描、四軸全自動(dòng)掃描、五軸測(cè)頭減少死角的特角度掃描、四軸全自動(dòng)掃描、五軸測(cè)頭減少死角的特點(diǎn)。點(diǎn)。8.1.3 常用測(cè)頭類型常用測(cè)頭類型接觸式模擬測(cè)頭接觸式模擬測(cè)頭接觸式觸發(fā)式測(cè)頭接觸式觸發(fā)式測(cè)頭非接觸式激光測(cè)頭非接觸式激光測(cè)頭觸發(fā)式測(cè)頭工作過(guò)程觸發(fā)式測(cè)頭工作過(guò)程yxzoxoyzo外殼LVDT信

9、號(hào) 處理電路 模板仿形指動(dòng)體硅油彈簧片密封圈o8.2 曲面跟蹤原理曲面跟蹤原理8.2.1 三維接觸式模擬三維接觸式模擬仿形儀的基本結(jié)構(gòu)仿形儀的基本結(jié)構(gòu)初級(jí)線圈次級(jí)線圈B次級(jí)線圈A磁屏蔽鐵芯v0(v)+5-5-1000+10000X ( m)8.2.2 差動(dòng)變壓器的基本工作原理差動(dòng)變壓器的基本工作原理LVDTlinear variable differential transformer在平面輪廓的跟蹤掃描過(guò)程中，在平面輪廓的跟蹤掃描過(guò)程中，測(cè)頭觸指球端壓向模型表面，在測(cè)頭觸指球端壓向模型表面，在法向反力的作用下，球端中心法向反力的作用下，球端中心C產(chǎn)產(chǎn)生一空間壓偏量。假設(shè)球端與模生一空間壓偏量

10、。假設(shè)球端與模型表面間無(wú)摩擦力，則型表面間無(wú)摩擦力，則CO連線為連線為球端與模型表面接觸點(diǎn)球端與模型表面接觸點(diǎn)P處的模型處的模型法線方向?？刂茰y(cè)頭中心法線方向。控制測(cè)頭中心O不斷地不斷地沿接觸點(diǎn)沿接觸點(diǎn)P的切線方向運(yùn)動(dòng)，即可的切線方向運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的自動(dòng)跟蹤掃描。實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的自動(dòng)跟蹤掃描。xz8.2.3 輪廓跟蹤算法輪廓跟蹤算法 無(wú)摩擦?xí)r測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)無(wú)摩擦?xí)r測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)xzXZOCNVTP8.2.3.1 無(wú)摩擦理想情況無(wú)摩擦理想情況xz 22zxxz x z 式中為式中為 合成壓偏量合成壓偏量 。當(dāng)沿測(cè)頭前。當(dāng)沿測(cè)頭前進(jìn)的方向看去，模型在測(cè)頭的右側(cè)時(shí)，取上部符進(jìn)的方向看去，模型在測(cè)頭的右側(cè)時(shí)

11、，取上部符號(hào)；模型在測(cè)頭的左側(cè)時(shí)，取下部符號(hào)。號(hào)；模型在測(cè)頭的左側(cè)時(shí)，取下部符號(hào)。 和和 在測(cè)頭坐標(biāo)系中是帶符號(hào)的，所以上式適用于任在測(cè)頭坐標(biāo)系中是帶符號(hào)的，所以上式適用于任意象限。意象限。設(shè)切線方向的速度為設(shè)切線方向的速度為 ，則其在，則其在X、Z方向的分量方向的分量 和和 分別為分別為TVTXVTZVxzxTTZxzzTTXVVVV / （8-1）實(shí)際上，由于球端與模實(shí)際上，由于球端與模型表面存在摩擦力，型表面存在摩擦力，CO連線與連線與P點(diǎn)的法線不再重點(diǎn)的法線不再重合，若仍然按上式控制合，若仍然按上式控制測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)，將導(dǎo)致測(cè)測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)，將導(dǎo)致測(cè)頭的壓偏量增大或減小，頭的壓偏量增大或減小，

12、造成測(cè)頭過(guò)壓或離模，造成測(cè)頭過(guò)壓或離模，因此必須在因此必須在CO方向加一方向加一速度使測(cè)頭的合成速度速度使測(cè)頭的合成速度V和模型表面切線平行。和模型表面切線平行。8.2.3.2 有摩擦實(shí)際情況有摩擦實(shí)際情況有摩擦?xí)r測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)有摩擦?xí)r測(cè)頭的運(yùn)動(dòng) x z OCVTPVVRXZVR的方向和大小應(yīng)保證綜合壓偏量的方向和大小應(yīng)保證綜合壓偏量為規(guī)定值為規(guī)定值0，取偏離的誤差為取偏離的誤差為 = - 0 。用。用調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)VR ，使，使 減減至最小或零，則有至最小或零，則有 KVR式中式中K為比例系數(shù)，于是為比例系數(shù)，于是VR的在的在X、Z方向的分量方向的分量VRX 、VRX為為xzzRRZxzxRRXVVVV / （8-2）綜合式（綜合式（8-1）和（）和（8-2），得），得xzzRxzxTZxzxRxzzTXVVVVVV / 在三坐標(biāo)銑床上進(jìn)行三維曲面的跟蹤掃描時(shí)，在三坐標(biāo)銑床上進(jìn)行三維曲面的跟蹤掃描時(shí)，測(cè)頭的跟蹤運(yùn)動(dòng)仍然在某一平面內(nèi)進(jìn)行，通過(guò)測(cè)頭的跟蹤運(yùn)動(dòng)仍然在某一平面內(nèi)進(jìn)行，通過(guò)對(duì)其垂