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數控折彎機模具曲面自動研磨設備的組成及技術分析

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2018/6/5     瀏覽次數:    
  在市場競爭日益激烈的今天,產品周期越來越短,模具制造業面臨嚴峻的挑戰。在模具制造過程中,表面研磨和拋光占模具總加工時間的1/3到2/3.目前大量的研磨拋光工作都是由手工完成的,費時費力且加工質量差。制約了我國模具加工向更高層次發展。因此,研究研磨拋光的自動化、智能化是模具加工的重要發展趨勢。
  數控折彎機模具設計了一種用于模具自由曲面自動研磨加工的實驗裝置,并提出了基于模糊控制理論的變轉速自動研磨模具自由曲面的加工方法,對等去除量自動研磨曲面時砂輪轉速進行了仿真研究,提出了變轉速研磨曲面的新技術,并通過實驗驗證,該技術基本解決了曲面研磨中去除量不均的難題,為提高自動研磨模具曲面的加工質量提供了技術保障。
  一、數控折彎機模具曲面自動研磨裝置的組成及工作原理
  裝置的組成該自動研磨系統由JCS2018A立式加工中心、計算機、調速、調壓子系統、研磨裝置等構成。加工中心控制研磨運動過程的軌跡,研磨裝置是系統執行機構,調壓、調速子系統是系統控制環節,控制砂輪研磨的轉速和壓力,計算機實現控制信息的傳遞,一是傳遞CAM軟件生成的研磨軌跡數控程序,二是傳遞速度控制指令,研磨工具選擇球形研磨砂輪。
  裝置的工作原理本裝置是通過按模具輪廓路徑控制的同時,進行自動研磨。
  自動研磨模具曲面時,利用機床的自動進給功能從Z軸方向控制研磨工具靠近被研磨工件,工具在設定適宜高度處停止,進入工作結束后,調整研磨壓力,同時啟動電機和加工中心循環啟動電鈕,按照輸入的曲面幾何條件進行路徑控制,經過規定次數的研磨后,研磨裝置隨加工中心主軸自動向上移動,脫離工件到設定高度,這一系列動作只需要幾個程序段即可完成。
  研磨工具采用球狀砂輪,砂輪研磨自由曲面時,研磨點處的壓力、線速度隨模具曲面幾何形狀的變化而變化,通過調壓和調速子系統,控制研磨壓力和線速度,以保障模具曲面自動研磨表面加工質量的穩定性。調整電機轉速即可控制研磨點線速度。砂輪磨損可由壓力系統自動進行補償。
  二、模糊控制器的設計由于對模具自由曲面加工過程中,為達到等卻除量加工曲面。
  砂輪的轉速和曲面斜率是相關的,需要時刻調整砂輪的轉速來達到加工均勻,保證模具表面質量一致的目的。但曲面斜率是時刻變化的,其變化規律難以用精確的數字模型描述,而模糊控制是用模糊集合論將人們在實踐中獲得的控制經驗形成的語句規則直接轉化為自動控制策略,它不要求有精確的數學模型,對參數變化不敏感,很適合加工要求。
  作者在長期操作經驗基礎上,為達到研磨去除量均勻的目的,得到如下重要啟示:如果加工曲面斜率較大,應該降低砂輪轉速,曲面斜率越大,轉速降的越多;如果加工曲面斜率較小,應該提高砂輪轉速,曲面斜率越小,轉速提高越多;如果加工曲面斜率變化不大,可大體保持砂輪轉速不變。
  含模糊控制器的系統方框圖如所示。θ其中為工件曲面切線傾角(本系統適用范圍0°~45°);S為工作曲面傾角假定標準值,根據實驗中積累的經驗,取θ運用范圍中值為2215°,Y為輸出砂輪轉速。
  選用曲面切線傾角θ(反映斜率大小)與假定標準S(S=2215°)的偏差e=θ-S作為輸入語言變量,輸出語言變量可選用砂輪轉速變化量u,這樣就為砂輪轉速控制系統選定了一個單輸入、單輸出的模糊控制器。
  精確量的模糊化由上述關系計算偏差e的變化區間為<-2215°,2215°>,并采用NB(負大),NM(負中),NS(負小),ZO(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)7個模糊狀態來描述輸入量偏差e,輸出量u的變化區間為<-400,400>,同樣采用NB(負大),NM(負中),NS(負小),ZO(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)7個模糊狀態來描述輸出量u,則e和u的模糊子集分別為:e~={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}u~={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}選擇適當的量化因子,輸入量e的量化因子Ke=42215,輸出量u的比例因子Ku=4004=100.
  通過兩個量化因子,可以將e和u轉換到對應的論域E和U中,E={-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4};U={-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}
  確定模糊控制規則本模糊控制器為單輸入單輸出型,根據控制經驗,其控制規則表述為:IFe~THENu~將這些控制經驗歸納后,即可得出模糊控制規則狀態表如所示。
  由于單輸入單輸出的控制系統采用“IFe~THENu~”來描述,因此模糊關系R~=e~×u~為一個9×9矩陣,如所示。有了模糊關系R~,就可求出控制量u~=e~R~然后,按照“峰域中心值”法進行解模糊處理,得到確切響應值則e和u得對應。在實際應用中,是把上表的內容編入控制程序中,在運行時通過調入查找查詢表的子程序,實現自動研磨過程的模糊控制。
  等去除量條件下自動研磨砂輪轉速仿真利用本系統自動研磨查詢程序流程圖,其中p是曲面傾斜角2215°時的砂輪轉速,其大小與工件研磨前原始基礎面狀況、表面加工要求及工件硬度等綜合情況相關。輸入,AB為凹面,BC為凸面,可以得到等去除量自動研磨過程砂輪轉速控制曲線,如所示。
  實驗驗證根據轉速仿真試驗結果,對所示工件進行變轉速自動研磨實驗,工件材料45號鋼,工件表面原始粗糙度是6~7μm之間,砂輪進給沿工件曲線方向,研磨4次,實驗結果如所示,其中縱坐標相對變化平穩的曲線為變轉速加工結果,而相對變化劇烈的曲線為等速加工結果。為由圖可知,等速研磨時,在工件表面曲率半徑較大處,工件去除量也較大,曲率半徑小,去除量也小,這是因為在曲率半徑較大的地方,砂輪線速度大,同時,加工壓力也較大,因此隨著工件曲率半徑的不同工件表面去除量很不均勻,根據砂輪仿真速度曲線進行變轉速研磨,工件表面去除量較為均勻,兩種研磨過程工件表面粗糙度基本一致,這是因為工件表面粗糙度是由砂輪本身特性決定的??梢钥闯觯鹤冝D速研磨加工方法基本上可使去除量De均勻,同時,表面粗糙度Ra基本上可保持不變。
  結語本文利用自行設計的自動研磨系統對變轉速研磨轉速進行了仿真與實驗研究,得到結論如下:
  該裝置具有結構簡單,操作方便,成本低等突出優點,基于模糊控制原理,針對不同工件曲面形狀進行變轉速仿真,利用仿真結果和該裝置實現變轉速研磨,結果表明:工件曲面去除量均勻,表面粗糙度一致,提高了表面加工質量。
  利用該裝置進行變轉速研磨加工,工件表面粗糙度可以達到110μm,完全可以在此基礎上更換拋光輪進行拋光精加工,從而實現代替手工研磨,實現模具曲面自動化精加工的需要,為下一步實用性研究打下基礎。
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