异形弹簧数字化制造关键技术研究

发布时间：2020-11-01 05:43

　　 随着工业的发展，作为基础零部件的弹簧的应用日益广泛，对弹簧空间形状和成形精度的要求也在不断的提高。应对这种变化，适宜于加工具有复杂形状的异形弹簧的数控卷簧设备在弹簧的生产制造中发挥着越来越重要的作用。但由于各种条件的限制，我国在弹簧卷制设备制造方面与工业发达国家之间存在很大的差距，该领域主要被进口产品所占领，因此，开发具有自主知识产权的先进弹簧卷制设备对全面提升我国弹簧制造业水平显得尤为迫切和十分必要。 另一方面，弹簧作为一种常见产品，人们往往忽视对其先进制造方法的研究，造成对弹簧数控卷制的研究比较薄弱。而实际上，由于弹簧卷绕成形的特点和卷绕设备工作方式的特殊性，数控卷簧设备在使用过程中存在自动化程度低、对经验的依赖性强、操作不方便等缺陷。因此，对弹簧制造过程进行深入研究具有重要的理论意义和应用价值。 鉴于此，本文在教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目和洛阳市科技攻关项目的支持下，通过对国内外的弹簧卷绕设备生产现状和发展趋势的调查与总结，概括了弹簧卷绕制造的特点和规律，分析了弹簧卷绕过程中存在的问题和制约因素，并将数字化制造、基于知识工程等先进制造技术与理念应用于弹簧卷制领域，建立了以CAD／CAPP／CAM为核心的弹簧数字化制造系统并将之应用于生产实践中，期望能在弹簧的数控制造方面有所突破。论文的主要研究内容包括： 1．总结了弹簧卷绕成形的原理、过程和特点，并针对传统弹簧卷制过程中缺少精确的数学计算，主要依靠手工试制获取弹簧加工参数的缺陷，计算分析了与弹簧卷绕过程有关的工艺参数和影响因素，分解了弹簧卷制的步骤，提炼整理了典型弹簧的凸轮布局、刀具选择、参数确定等工艺过程，建立了弹簧形状与卷绕方式之间的联系。这些知识和规则可以帮助计算机方便地参与弹簧卷制过程，从而为弹簧的数字化制造作好了技术准备。 2．根据弹簧的成形规律和制造特点，提出了以弹簧的CAD／CAPP／CAM为核心的弹簧数字化制造的概念，明确了系统的总体框架和功能结构，并根据面向对象的设计方法对系统的需求和功能进行分析，利用UML建立了系统静态模型和动态模型。数字化制造技术可以实现弹簧的设计、制造一体化，为弹簧的数控加工提供了新的实现方法。 3．品种繁杂的异形弹簧由于具有复杂多变的末端结构，很难用一些简单的参数来完整地概括和表达其形状，造成了在弹簧的数控加工时，需要借用电机转角、送线长度等机床的动作参数来间接规定弹簧的样式，给弹簧的数控加工带来了很大的不便。本文将特征技术引入到弹簧的表达过程中，通过对弹簧类零件的形状特点和成形方式的研究，创造性地提取出了四种具有一定工程语义的基本结构特征，通过组合关系的确定和空间位置的解算，使其相互拼接组合从而构成复杂形状的异形弹簧。以形状特征为载体，利用弹簧零件的不同特征分类和层次结构，建立了弹簧零件信息表达模型，为弹簧的数字化制造提供了完整的信息源。 4．弹簧的三维显示可以使操作者提前了解弹簧效果，减少试制时间，但目前的卷簧设备大多不具备这样的功能。本文以开放图形程序库OpenGL作为几何建模工具，研究了弹簧实体表面的三维离散技术和空间点的存贮方式，实现了异形弹簧的实体造型，并提出了一种替代算法对弹簧末端过渡部分进行了光滑处理。这种方式造型逼真，而且便于嵌入到集成系统中。 5．弹簧卷绕成形时首先需要确定卷绕的动作顺序并完成对机床的配置，主要包括有关工装的选择、布局、调整和参数选取，这个过程耗时费力，经验性强，成为了弹簧数控加工的瓶颈。本文将人工智能应用到弹簧卷绕过程中，利用基于规则和基于实例的混合推理策略来完成弹簧卷绕工艺设计，并把形状特征编码矩阵作为判断实例相似的依据，规划了三级搜索过程来完成弹簧形状的匹配。基于知识的弹簧卷绕工艺规划方法改变了传统的调机方式，对提高弹簧加工的自动化水平和生产效率具有重要的意义。 6．利用上述的有关研究成果，设计了独具特色的弹簧卷制数控指令和编程格式，开发了异形弹簧数字化制造系统，实现了弹簧卷绕过程的信息共享，完成了弹簧零件特征建模、三维造型、工艺设计、自动编程等功能，并将之应用于课题协作方的新产品开发中，较好地满足了弹簧现代化生产的需要。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2007
【中图分类】：TH135
【部分图文】：

螺旋弹簧用途广泛，根据应用场所的不同功能需要，在国标规定的基本形状基础上又派生出多种形状复杂的异形弹簧，如宝塔形、中鼓形、中凹形、变径、变节距、带有复杂端部等，图2一2所示是一些具有不规则末端的异形弹簧样例。这些异形弹簧用量大，卷制过程复杂，对卷制设备和操作技术的要求高，是弹簧生产中的难点，因此本文以异形弹簧作为研究对象，探讨其数字化制造的有关实现方法和技术。作为研究基础，本章重点分析和总结了异形弹簧的常规卷绕过程，并将弹簧卷绕的工艺特点和规律进行整理，确定了一些工艺参数的计算方法，从而为利用计算机技术进行弹簧的数字化制造作好技术准备。喻砂、图2一2一些异形弹簧的样例那.2螺旋压簧的卷制及工艺特点解.2.1卷簧机的工作原理卷簧是弹簧卷制成形的简称，是弹簧制造过程的主要工序，卷制的方法和精度决定着弹簧的几何尺寸、性能、材料的利用率和生产效率。卷簧机是加工弹簧的主要设备，它把钢丝线材卷绕成一定形状的弹簧，供端磨、回火等后续工序处理114]。卷簧机一般由机身、传动系统、卷簧系统、电气控制系统、料架等部分组成。卷簧系统是卷簧机进行弹簧卷制工作的关键部分，通常由送料总成、变径机构、变距机构、切料机构和芯轴移动机构等部分组成。这些机构相互协调配合

西北工业大学博士学位论文折角和圆柱这四种基本结构特征，如图4一5所示。把这四种基本结构特征分别定义为结构基元，通过对它们进行不同的拼接组合，就能构造出各种复杂的异形弹簧I“0]。1一圆环2一圆柱3一折角4一螺旋图4一5异形弹簧形状特征分类结构基元不仅是对形状特征的抽象，而且也反映了弹簧的加工信息，因为每种结构基元形成时分别对应不同的加工方法。如圆柱段是由送线进给动作形成的，而螺旋则是由送线动作配合曲线规卷绕而成。因此从卷制方式对形状特征进行分类既能完整表达产品，又使得产品定义阶段同工艺可行性评价、单特征工艺方案推理等后续过程得以同步进行，并为弹簧卷制的其它运行模块提供支持。为便于不同结构基元之间的连接，每一种结构基元都定义一个起点和终点，还有分别经过这两个点的方向向量。两个端点为结构基元之间的接口，上一个结构基元的终点就是下一个结构基元的起点

工工装参数 数 数工艺链序号 号号号号号号号号卷卷卷卷卷卷卷 卷卷卷卷卷卷卷卷卷卷绕工序 序工工装说明 明 明工装布局索引引引引引引引引引卷卷卷卷卷卷卷 卷卷卷卷卷卷卷卷卷卷绕工步 步图6一6数据表之间的关系图6一7弹簧属性表的数据结构使用 SQLServer2000数据库设计实例结构时，可通过建立多张数据表来描述弹簧实例零件的数据信息，包括实例零件索引表、弹簧属性表、存放弹簧形状特征种类的特征组成表、存放结构基元特征具体属性的特征数据表、工艺方案表、工艺链表、工装布局表。这些数据表之间存在关联关系，如图6一6所示。在每个数据表中，根据所存储的内容，建立相应的字段。为保证不同表之间一87一
【引证文献】

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本文编号：2865102