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)。是在計算機數(shù)控的基礎(chǔ)上，采七十年代出現(xiàn)。是在計算機數(shù)控的基礎(chǔ)上，采樣三維模擬仿形儀的壓偏信號，利用相應(yīng)的系樣三維模擬仿形儀的壓偏信號，利用相應(yīng)的系統(tǒng)控制軟件，進行控制計算，向各個坐標軸發(fā)統(tǒng)控制軟件，進行控制計算，向各個坐標軸發(fā)出運動指令，實現(xiàn)模型表面的自動跟蹤掃描，出運動指令，實現(xiàn)模型表面的自動跟蹤掃描，與此同時，刀具完成工件的加工。與此同時，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)控仿形機床機床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：仿形加工時仿形儀觸指的尺寸必須與加工刀具一致；完成仿形加工時仿形儀觸指的尺寸必須與加工刀具一致；完成一個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行多次重復(fù)仿形加工形儀觸指進行多次重復(fù)仿形加工；只能加工出與實物模型相同的工件，不能進行對稱形狀的只能加工出與實物模型相同的工件，不能進行對稱形狀的鏡像加工、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

3、必須有實物模型，加工時必須有實物模型，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安裝在機床上，因此通常仿形機床的工作臺至少應(yīng)是須同時安裝在機床上，因此通常仿形機床的工作臺至少應(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。掃描過程與加工過程不是同時進行的。產(chǎn)生于八十年代初。掃描過程與加工過程不是同時進行的。掃描掃描采用模擬式掃描測頭沿著未知模型的表面連續(xù)采用模擬式掃描測頭沿著未知模型

4、的表面連續(xù)接觸，采集模型表面的坐標值，把采集的數(shù)據(jù)存入計算接觸，采集模型表面的坐標值，把采集的數(shù)據(jù)存入計算機中。機中。數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理根據(jù)模具制造的需要，可以對掃描模型數(shù)據(jù)進根據(jù)模具制造的需要，可以對掃描模型數(shù)據(jù)進行陰陽模轉(zhuǎn)換、比例縮放、鏡像、旋轉(zhuǎn)、平移等處理，然后行陰陽模轉(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)中進行進一步處理。系統(tǒng)中進行進一步處理。數(shù)控加工。數(shù)控加工。九十年代出現(xiàn)?？梢詫Χ喾N材料的模具進行非接九十年代

5、出現(xiàn)?？梢詫Χ喾N材料的模具進行非接觸式的數(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重缺點：為防止雜但激光數(shù)字化采集也存在著嚴重缺點：為防止雜散反射，測量前需對工件表面進行處理，通常是散反射，測量前需對工件表面進行處理，通常是在工件表面噴上一層白色粉末；當被測表面的傾在工件表面噴上一層白色粉末；當被測表面的傾角超過角超過45時，會出現(xiàn)一個輻射盲區(qū)，稱為陰影效時，會出現(xiàn)一個輻射盲區(qū)，稱為陰影效應(yīng)，從而不能準確測量工件表面的坐標位置。雖應(yīng)，從而不能準確測量工件表面的坐標位置。雖然可通過多軸控制來減少或消除陰影效應(yīng)，但增然可通過多軸

6、控制來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 采用模擬掃描測頭的掃描系統(tǒng)采用模擬掃描測頭的掃描系統(tǒng)英國英國Renishaw公司的掃描系統(tǒng)是采用模擬掃描測公司的掃描系統(tǒng)是采用模擬掃描測頭的掃描系統(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)控機床的掃描系統(tǒng)（控機床的掃描系統(tǒng)（Retroscan、Retroscan200和和Retroscan350）和高速掃描機（）和高速掃描機（Cyclone）。）。 Retroscan機床掃

7、描系統(tǒng)機床掃描系統(tǒng)Retroscan200機床掃描系統(tǒng)機床掃描系統(tǒng) Retroscan350機床掃描系統(tǒng)機床掃描系統(tǒng)8.1.2.2 采用激光掃描測頭的掃描系統(tǒng)采用激光掃描測頭的掃描系統(tǒng)英國英國3D Scanners公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的Reversa是一個雙視窗非接是一個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機床、機床、CMM三坐標測三坐標測量機上作高速和精準的掃描，所得物件三維數(shù)據(jù)能夠量機上作高速和精準的掃描，所得物件三維數(shù)據(jù)能夠直接轉(zhuǎn)化成一些標準格式的擋案，配合反求工程軟件直接轉(zhuǎn)化成一些標準格式的擋案，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)計開發(fā)、模具等），便可直接應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)、模具制造、珠寶設(shè)計、快速成形、廣告動畫及醫(yī)學等領(lǐng)域制造、珠寶設(shè)計、快速成形、廣告動畫及醫(yī)學等領(lǐng)域。Reversa具有每秒具有每秒15000點的掃描速度、精度高、多點的掃描速度、精度高、多角度掃描、四軸全自動掃描、五軸測頭減少死角的特角度掃描、四軸全自動掃描、五軸測頭減少死角的特點。點。8.1.3 常用測頭類型常用測頭類型接觸式模擬測頭接觸式模擬測頭接觸式觸發(fā)式測頭接觸式觸發(fā)式測頭非接觸式激光測頭非接觸式激光測頭觸發(fā)式測頭工作過程觸發(fā)式測頭工作過程yxzoxoyzo外殼LVDT信

9、號 處理電路 模板仿形指動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)初級線圈次級線圈B次級線圈A磁屏蔽鐵芯v0(v)+5-5-1000+10000X ( m)8.2.2 差動變壓器的基本工作原理差動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程中，在平面輪廓的跟蹤掃描過程中，測頭觸指球端壓向模型表面，在測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摩擦力，則型表面間無摩擦力，則CO連線為連線為球端與模型表面接觸點球端與模型表面接觸點P處的模型處的模型法線方向?？刂茰y頭中心法線方向?？刂茰y頭中心O不斷地不斷地沿接觸點沿接觸點P的切線方向運動，即可的切線方向運動，即可實現(xiàn)對模型的自動跟蹤掃描。實現(xiàn)對模型的自動跟蹤掃描。xz8.2.3 輪廓跟蹤算法輪廓跟蹤算法 無摩擦時測頭的運動無摩擦時測頭的運動xzXZOCNVTP8.2.3.1 無摩擦理想情況無摩擦理想情況xz 22zxxz x z 式中為式中為 合成壓偏量合成壓偏量 。當沿測頭前。當沿測頭前進的方向看去，模型在測頭的右側(cè)時，取上部符進的方向看去，模型在測頭的右側(cè)時

11、，取上部符號；模型在測頭的左側(cè)時，取下部符號。號；模型在測頭的左側(cè)時，取下部符號。 和和 在測頭坐標系中是帶符號的，所以上式適用于任在測頭坐標系中是帶符號的，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）實際上，由于球端與模實際上，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點的法線不再重點的法線不再重合，若仍然按上式控制合，若仍然按上式控制測頭的運動，將導(dǎo)致測測頭的運動，將導(dǎo)致測頭的壓偏量增大或減小，頭的壓偏量增大或減小，

12、造成測頭過壓或離模，造成測頭過壓或離模，因此必須在因此必須在CO方向加一方向加一速度使測頭的合成速度速度使測頭的合成速度V和模型表面切線平行。和模型表面切線平行。8.2.3.2 有摩擦實際情況有摩擦實際情況有摩擦時測頭的運動有摩擦時測頭的運動 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 / 在三坐標銑床上進行三維曲面的跟蹤掃描時，在三坐標銑床上進行三維曲面的跟蹤掃描時，測頭的跟蹤運動仍然在某一平面內(nèi)進行，通過測頭的跟蹤運動仍然在某一平面內(nèi)進行，通過對其垂