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　　1　機(jī)械液壓拉深的機(jī)理與軟件設(shè)計(jì)

　　1.1　機(jī)械液壓拉探的原理與壓力曲線

　　對(duì)深杯形件，沖壓加工通常采用多次拉深工藝，不但加工周期長(zhǎng)，而且表面粗糙，壁厚不均。為了提高金屬?zèng)_壓件的質(zhì)量，我們采用如圖1所示的機(jī)械液壓拉深方法，在沖頭下行的過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)液壓腔和壓板的壓力加工出合格的零件。這種加工方法的實(shí)質(zhì)是增大凸模與坯料的有利摩擦，抑制危險(xiǎn)斷面的局部變薄；消除坯料與凹模表面的有害摩擦；通過(guò)控制壓邊力及液壓壓力變化等，在保證不起皺的前提下使筒壁拉應(yīng)力最小化，從而明顯減少了拉深次數(shù)，并由此減少了模具和加工成本，提高了生產(chǎn)效率。由于工件的外表面總是處在液壓腔中，因此工件無(wú)需其它表面處理工序即可獲得良好的表面質(zhì)量。同時(shí)，工件的形狀由沖頭的形狀決定，簡(jiǎn)化了凹模制造工藝。

　　在工件的加工過(guò)程中，液壓腔內(nèi)液壓力的控制是生產(chǎn)合格產(chǎn)品至關(guān)重要的一環(huán)。液壓腔的壓力如果控制在圖2所示的工作區(qū)域內(nèi)就可加工出合格的產(chǎn)品。壓力過(guò)大，工件就會(huì)產(chǎn)生裂紋，壓力過(guò)小，工件就會(huì)產(chǎn)生皺折。因此我們需設(shè)計(jì)一機(jī)械液壓拉深輔助成形軟件系統(tǒng)來(lái)優(yōu)化加工過(guò)程。

 
圖1　機(jī)械液壓拉深示意圖

圖2　沖頭和壓力曲線關(guān)系圖

　　1.2　機(jī)械液壓拉深輔助成形系統(tǒng)的軟件包功能

　　本軟件系統(tǒng)研究和提供一種方法，它可獲得、積累、分析和優(yōu)化每一特定被加工工件的工藝參數(shù)和壓力曲線。這個(gè)軟件系統(tǒng)作為一種工具將這種方法集成為一個(gè)軟件包。用戶可輸入一些基本幾何原型和一些復(fù)雜的幾何形體組成一個(gè)組合體，并輸入其技術(shù)參數(shù)和壓力曲線，軟件包將儲(chǔ)存和管理這些工程數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶需要加工一個(gè)工件時(shí)，他可輸入新工件的幾何和加工信息，通過(guò)編碼技術(shù)，軟件包將在數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索到一些最為類似的工件的加工參數(shù)和壓力曲線，將這些類似工件的加工參數(shù)和壓力曲線作為參考模型，用戶能調(diào)節(jié)和計(jì)算出一個(gè)更適合于新工件加工的工藝參數(shù)和壓力曲線。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法，我們可測(cè)試這些加工參數(shù)的可行性。如果它們?nèi)圆贿m應(yīng)新工件的加工，我們將繼續(xù)計(jì)算、模擬和調(diào)整新的加工條件和壓力曲線。如果它們適應(yīng)于新工件的加工，我們將新工件的加工編碼、加工參數(shù)、壓力曲線儲(chǔ)存到這個(gè)工程數(shù)據(jù)庫(kù)中。新工件的這些加工信息將成為這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的一部分。當(dāng)更多的有限元模擬的工件加工和成功產(chǎn)品的加工信息儲(chǔ)存在這個(gè)工程數(shù)據(jù)庫(kù)中，則日益積累的數(shù)據(jù)資源將成為這個(gè)系統(tǒng)的集成方法的基礎(chǔ)。

　　1.3　系統(tǒng)的軟件和硬件環(huán)境

　　機(jī)械液壓拉深輔助成形系統(tǒng)的硬件環(huán)境為一個(gè)PC586(233MH)的微機(jī)，它帶有一個(gè)4.2G的硬盤和一個(gè)CD驅(qū)動(dòng)器。我們采用Windows95作為操作平臺(tái)，開(kāi)發(fā)軟件用Borland C++5.02和它的數(shù)據(jù)引擎，數(shù)據(jù)庫(kù)為Paradox，畫圖軟件為AutoCAD V.14。

　　Windows95具有良好的網(wǎng)絡(luò)功能，連在同一網(wǎng)絡(luò)上的微機(jī)可共享其硬件和軟件資源。我們可方便地把用于數(shù)據(jù)處理的微機(jī)和用于DNC加工的微機(jī)連接起來(lái)。

　　Borland C++5.02是一個(gè)非常高效的軟件開(kāi)發(fā)工具，它提供Windows對(duì)象庫(kù)(OWL)以用于Windows界面的設(shè)計(jì)。它還提供其數(shù)據(jù)引擎和數(shù)據(jù)庫(kù)管理控件以方便地與工程數(shù)據(jù)庫(kù)相連接。它同時(shí)具有非常豐富的多媒體和通信函數(shù)。它為深拉液壓輔助金屬成形系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)強(qiáng)有力的開(kāi)發(fā)工具。

　　2　軟件框架與設(shè)計(jì)方法

　　2.1　軟件框架

　　本系統(tǒng)的軟件框架如圖3所示。加工工藝的工程數(shù)據(jù)庫(kù)主要由三種方式產(chǎn)生：a.由有限元軟件包ABAQUS等仿真加工而得到工藝參數(shù)和壓力曲線；b.由板材加工廠家輸入已合格產(chǎn)品的幾何形狀、工藝參數(shù)和壓力曲線；c.由新零件尋找出類似工件的工藝參數(shù)并加以修正，通過(guò)實(shí)際加工驗(yàn)證得到加工信息。軟件提供良好的用戶界面和工程數(shù)據(jù)庫(kù)處理能力。它將工程數(shù)據(jù)處理和工程圖形的顯示良好地溶合為一體。圖4是液壓輔助金屬成形系統(tǒng)的主界面之一。

圖3　液壓輔助金屬成形系統(tǒng)的軟件框架

圖4　機(jī)械液壓拉深金屬成形系統(tǒng)主界面

　　2.2　工件的加工編碼

　　工件的加工編碼將被用于工件加工信息的儲(chǔ)存、尋找、分析和歸類。當(dāng)我們從屏幕上選擇相應(yīng)的表達(dá)幾何和工藝參數(shù)輸入的圖標(biāo)菜單時(shí)，軟件系統(tǒng)將自動(dòng)構(gòu)造工件的加工編碼。我們定義工件的加工編碼為：

　　材料編碼│厚度編碼│幾何結(jié)構(gòu)編碼│加工條件編碼│…i編碼

　　我們用數(shù)字定義工件加工編碼的每一場(chǎng)域。如果兩個(gè)工件在同一場(chǎng)域有相同的數(shù)字，這意味著它們?cè)谶@一場(chǎng)域有相同的幾何或技術(shù)參數(shù)。兩個(gè)工件在同一場(chǎng)域的數(shù)字相差越小，則它們?cè)谶@一場(chǎng)域有更多的幾何或工藝類似性。當(dāng)我們要制造一個(gè)新的工件時(shí)，通過(guò)交互方式輸入工件的幾何和技術(shù)參數(shù)，系統(tǒng)可自動(dòng)產(chǎn)生工件的加工編碼，通過(guò)下述公式，我們可查詢出最為類似工件的技術(shù)參數(shù)和壓力曲線：

　　Bi是i場(chǎng)域在整個(gè)編碼中的平衡因子，它取決于這個(gè)場(chǎng)域在整個(gè)工件加工編碼序列中的影響程度。Ci是新工件在i場(chǎng)域的編碼，OCi是老工件在i場(chǎng)域的編碼。如果軟件系統(tǒng)工程數(shù)據(jù)庫(kù)有1?000個(gè)老工件的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將在每一場(chǎng)域比較新工件和老工件1?000次，并得出DltCode。DltCode越小，新老兩個(gè)工件的幾何和技術(shù)參數(shù)越類似。當(dāng)我們查尋出較為類似的一些工件后，系統(tǒng)將給出類似工件的加工編碼和技術(shù)參數(shù)。當(dāng)然新工件和老工件在幾何和技術(shù)參數(shù)上有一些差異，我們將調(diào)整這些參數(shù)以適應(yīng)新工件的加工。系統(tǒng)將產(chǎn)生的新的技術(shù)參數(shù)和壓力曲線作為加工過(guò)程的技術(shù)參考。通過(guò)其機(jī)械控制和DNC加工系統(tǒng)，我們將實(shí)驗(yàn)新工件的技術(shù)參數(shù)和壓力曲線。如果這些參數(shù)仍然不適應(yīng)新工件的加工，我們將根據(jù)工件的打皺、裂縫和表面質(zhì)量現(xiàn)象繼續(xù)調(diào)節(jié)這些參數(shù)以獲得最佳的加工技術(shù)參數(shù)和壓力曲線。如果這個(gè)制造系統(tǒng)是一個(gè)DNC閉環(huán)控制CAM系統(tǒng)，這個(gè)調(diào)整過(guò)程是非常快的。當(dāng)獲得高質(zhì)量工件的技術(shù)參數(shù)和壓力曲線后，這些工藝參數(shù)和加工編碼將儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。這些制造工藝信息是可重復(fù)使用的歷史和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，適應(yīng)于新工件的工藝參數(shù)將被CAM系統(tǒng)或機(jī)械液壓控制系統(tǒng)所使用。

　　2.3　軟件包的主要功能和實(shí)現(xiàn)技術(shù)

　　軟件包提供的一些主要對(duì)話框介紹。

　　a.模型構(gòu)造對(duì)話框。它是提供給用戶構(gòu)造幾何模型的工具，用戶輸入各種幾何模型的參數(shù)，然后輸入模型的文件名，系統(tǒng)將通過(guò)*.SCR接口文件將它們轉(zhuǎn)換成AutoCAD的幾何模型，用戶還可將它們裝配成一個(gè)組合體。AutoCAD的圖形有*.DWG、*.WMF、*.BMP和*.DXF這些文件格式。通過(guò)OLE自動(dòng)化技術(shù)，這些幾何圖形將自動(dòng)顯示在主窗口中。

　　b.曲線繪制和曲線類型選擇對(duì)話框。通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤輸入各種壓力曲線的型值點(diǎn)，也可由工程數(shù)據(jù)庫(kù)讀入壓力曲線的型值點(diǎn)。曲線采用三次參數(shù)樣條擬合而成。各條壓力曲線的區(qū)域陰影由程序自動(dòng)繪出。壓力曲線包括液壓腔壓力曲線、壓板壓力曲線等。

　　c.演變曲線對(duì)話框。當(dāng)我們尋找出最為類似工件的加工編碼和其它加工參數(shù)后，我們將它們作為一個(gè)參考，通過(guò)調(diào)整類似工件的各個(gè)參數(shù)以適應(yīng)新工件的加工，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)，我們將得到新工件的壓力曲線和工藝參數(shù)。某一類型的新的壓力曲線由原壓力曲線演變而來(lái)，有時(shí)只要調(diào)整一個(gè)參數(shù)，有時(shí)需要調(diào)整幾個(gè)參數(shù)。演變曲線對(duì)話框是提供給我們進(jìn)行工藝參數(shù)修改和調(diào)整壓力曲線的工具。

　　d.壓力曲線輸出對(duì)話框。為了加工的需要，我們將顯示和打印壓力曲線坐標(biāo)，用戶還可在對(duì)話框中編輯和儲(chǔ)存這些坐標(biāo)。輸出的壓力曲線坐標(biāo)主要用于非DNC加工系統(tǒng)。

　　2.4　軟件系統(tǒng)采用多文檔文件管理

　　為了數(shù)據(jù)處理和圖形繪制的一體化，軟件系統(tǒng)采用多文檔的Windows界面。其中*.PTS用來(lái)儲(chǔ)存壓力曲線和OLE對(duì)象，OLE對(duì)象包括AutoCAD圖形、位圖和Windows的圖元文件。*.XY用來(lái)以文本格式儲(chǔ)存每條曲線的坐標(biāo)。*.DB用來(lái)儲(chǔ)存工件的加工編碼和技術(shù)參數(shù)。所有這些數(shù)據(jù)都可在該軟件系統(tǒng)提供的窗口中加以編輯。

　　3　結(jié)　論

　　我們已成功地開(kāi)發(fā)出機(jī)械液壓拉深輔助成形系統(tǒng)的軟件包，該軟件包集數(shù)據(jù)管理、圖形繪制、加工編碼處理為一體。我們將繼續(xù)在下列兩個(gè)方面展開(kāi)進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)。

　　a.設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)DNC控制系統(tǒng)。盡管我們可以輸入、輸出和尋找出合理的經(jīng)驗(yàn)曲線和加工參數(shù)，但液壓輔助金屬加工過(guò)程是非常復(fù)雜的，它受許多加工因素的影響。為了生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，我們將開(kāi)發(fā)液壓輔助金屬成形的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。結(jié)合工程數(shù)據(jù)庫(kù)查尋，通過(guò)調(diào)控工藝參數(shù)和設(shè)計(jì)自適應(yīng)的閉環(huán)系統(tǒng)，可快速和穩(wěn)定地尋找、修改和控制各種加工參數(shù)和壓力曲線。

　　b.開(kāi)發(fā)表面質(zhì)量和尺寸誤差分析的程序。通過(guò)三維測(cè)量?jī)x器可測(cè)量出工件的尺寸，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)輸入到這個(gè)軟件系統(tǒng)中，通過(guò)設(shè)計(jì)接口文件和OLE自動(dòng)化技術(shù)，在AutoCAD中顯示被加工工件的圖像，工件的理論和實(shí)際被加工幾何形狀還可在3DS中顯示出來(lái)。我們可在可視虛擬空間中畫出其誤差曲線和曲面。誤差分析程序?qū)樯a(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品提供可靠的保證。