先進制造技術第6章應用實例6.26.36.4電火花線切割加工應用實例快速成形應用實例三維實體造型應用實例CONTENTS目錄6.1電火花加工應用實例6.5逆向工程技術應用實例6.6計算機集成制造系統應用實例6.7柔性制造系統應用實例6.1電火花加工應用實例電火花加工計算機集成制造系統快速成形6.1.1工件毛坯準備

電火花加工前，應先對工件的外形尺寸進行機械加工，使其達到一定的要求。在此基礎上，應做好以下準備工作。三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工加工預孔磨光、除銹、去磁工件熱處理6.1.1工件毛坯準備1.電極的裝夾與校正圖6-2較大電極直接裝夾１—電極；２—主軸法蘭；３—連接法蘭圖6-1用電極夾具裝小電極１—電極；２—夾具

電極裝夾與校正的目的是使電極正確、牢固地裝夾在機床主軸的電極夾具上，使電極軸線和機床主軸軸線一致，保證電極與工件的垂直度。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.1.1工件毛坯準備1.電極的裝夾與校正圖6-3精密角尺校正電極圖6-4百分表校正電極圖6-5型腔電極校正電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.1.2工件的裝夾與定位

一般情況下，工件可直接裝夾在墊塊或工作臺上。如果采用下沖油時，工件可裝夾在油杯上，用壓板壓緊。工作臺有坐標移動時，應使工件中心線和十字拖板移動方向一致，以便電極和工件的校正定位。

在定位時，如果工件毛坯留有較大加工余量，可劃線后用目測法大致調整好電極與工件的相互位置，接通脈沖電源弱規準加工出一個淺印。根據淺印進一步調整工件和電極的相互位置，使型腔周邊加工余量盡量一致。加工余量少的型腔定位較困難，必須借助量具（塊規、百分表等）進行精確定位后，才能進行加工。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.1.3電規準的選擇、轉換與平動量的分配

電規準選擇和轉換正確與否，對型腔表面的加工精度、表面粗糙度以及生產效率均有很大的影響。當電流峰值一定時，脈沖寬度愈寬，則單個脈沖能量愈大，生產率愈高，間隙愈大，工件表面愈粗糙，電極損耗愈小。當電流峰值增加時，則生產率增加，電極損耗加大且與脈沖寬度有關。因此，在選擇電規準時，要綜合考慮以上因素。１.電規準的選擇電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.1.3電規準的選擇、轉換與平動量的分配

電規準轉換的數，應根據具體的加工對象來確定。對于尺寸小、形狀簡單、深度淺的型腔，加工時電規準轉換的數可少些；對于結構復雜、尺寸大、深度大的型腔，電規準的轉換數要多些。在實際生產中，一般粗加工規準選擇1，中、精加工選擇2-4。

平動量的分配是單電極平動加工的一個很重要的問題，主要決定于被加工表面修光余量的大小、電極損耗、主軸進給運動的精度等因素2.電規準的轉換與平動量的分配電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.1.3電規準的選擇、轉換與平動量的分配

采用晶閘管脈沖電源、石墨電極加工型腔時，電規準轉換與平動量分配見表6-1。2.電規準的轉換與平動量的分配表6-1電規準的轉換與平動量分配電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工電火花加工計算機集成制造系統快速成形6.1.3電規準的選擇、轉換與平動量的分配

采用晶體管復合脈沖電源、紫銅電極加工型腔時，電規準轉換與平動量分配見表6-2。三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工2.電規準的轉換與平動量的分配表6-2電規準的轉換與平動量分配電火花加工計算機集成制造系統快速成形6.1.3電規準的選擇、轉換與平動量的分配三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工2.電規準的轉換與平動量的分配表6-2電規準的轉換與平動量分配6.1.4加工實例1.型孔加工實例圖6-6級進模型孔簡圖（１）級進模型孔加工

圖6-6為繼電器接觸片的級進模型孔簡圖。其中，工件材料、組合電極材料均為Cr12，刃口高度為7mm，表面粗糙度Ra1.25～0.63μm，加工時間約為6h。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.1.4加工實例圖6-7復式沖模型孔簡圖

（２）定子復式沖模型孔加工

圖6-7為電機定子復式沖模型孔簡圖。其中，工件材料、電極材料均為Cr12，加工周長為3460mm，刃口高度為15mm，雙邊間隙為0.055mm，表面粗糙度Ra2.5～1.25μm，加工時間約為13ｈ,采用四回路晶體管復合脈沖電源，電參數如表6-3所示。1.型孔加工實例電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工表6-3加工定子復式沖模型孔電參數6.1.4加工實例1.型孔加工實例電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工表6-463.5mm電視機后蓋塑料模型腔加工規準6.1.4加工實例2.型腔加工實例

電視機后蓋塑料注射模的型腔，由于其放電面積較大，加工深度較深，電極和工件的質量較大，它屬于形狀復雜的中型型腔。所以加工時機床的主軸要承擔較大質量而且靈敏度要高。要求平動頭的剛性要好，脈沖電源能大電流長時間連續工作，而且穩定可靠。加工時，要采取合理的操作工藝。6.2電火花線切割加工應用實例電火花加工計算機集成制造系統快速成形6.2.1工件毛坯的準備三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工

一般線切割模具零件的工藝過程是：下料→鍛造→退火→機械粗加工→淬火與回火→磨削加工→線切割加工→鉗修1.預孔加工圖6-8預孔位置圖圖6-9孔徑等與工件厚度關系6.2.1工件毛坯的準備1.預孔加工圖6-10加工窄槽時起點的取法

在切割窄槽時，起始孔要放在圖形的最寬處，不允許起始孔與切割軌跡存在相交現象如圖6-10所示。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.1工件毛坯的準備2.熱處理圖6-11材料預加工圖

熱處理是為了減少在線切割加工過程中的材料變形，力求最大限度地減少鍛造、熱處理時產生的組織缺陷和殘余應力。為減少材料變形對加工精度的影響，在熱處理前，可進行預加工，電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.1工件毛坯的準備3.材料選擇

選擇淬透性好、熱處理變形小的材料。對于冷沖模具，所選用的鋼可分為碳素工具鋼和合金工具鋼兩大類。碳素工具鋼（T8A，T10A）來源廣泛，但最大的缺點是淬透性差，熱處理變形大，殘余應力顯著，回火穩定性差。在線切割加工中，材料易變形，甚至崩裂。合金工具鋼由于其他元素的加入，使材料的性能大為改善。因此，當采用線切割工藝加工模具時，應盡量選擇Cr12、CrWMn、Cr12MoV、GCr15等合金鋼。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.1工件毛坯的準備4.基準面圖6-12基準孔圖

切割時，工件大都需要有基準面?；鶞拭姹仨毦?。當切割圖形對位置精度要求較高時，除有基準面外，最好在工件中心設置一個2～6mm、有效深度為3～5mm的基準孔，如圖6-12所示。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.1工件毛坯的準備4.基準面圖6-13圓形基準面與基準孔圖

基準孔的直徑絕對尺寸精度沒有嚴格的要求，但需考慮其圓度以及定位尺寸精度。因此，必須利用坐標磨床進行精加工。若由于某種原因不能設置中心基準孔時，可以利用精坐標磨床精加工原有其他孔。

在圓形坯料上，加工的形狀如果有指定方向，且對其加工形狀的位置有精度要求時，應在毛坯的外周圍設置1～2個直線基準面及定位用的基準孔，如圖6-13所示。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.2電極絲的選擇

電極絲的直徑應根據工件加工的切縫寬度、工件厚度和拐角尺寸的要求來選擇。如圖6-14所示，對凹模內側拐角Ｒ的加工，電極絲的直徑應小于1/2切縫寬。即圖6-14加工路線的選擇

Ｒ≥Φ/２＋δ式中:

δ——放電間隙

Φ——電極絲直徑電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.2電極絲的選擇

在微細加工時，必須使用直徑細的電極絲。目前電極絲的種類很多，有鉬絲、鎢絲、紫銅絲、黃銅絲和各種專用銅絲，表6-5是電火花線切割常用的電極絲。表6-5

電火花線切割常用的電極絲電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.2電極絲的選擇

為了滿足切縫和拐角的要求，需要選用線徑細的電極絲，但這樣加工工件的厚度受到限制。表6-6列出線徑與拐角R的極限和加工厚度的極限值表6-6線徑與拐角和工件厚度的極限電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.3加工路線的選擇

在加工中，工件內部應力的釋放會引起工件的變形，所以在選擇加工路線時，必須注意以下幾個問題。

1）避免從工件端面開始加工，應從預孔開始，如圖6-14所示。

2）加工路線距離端面（側面）應大于5mm。

3）應從離開工件夾具的方向開始加工（即不要剛開始加工就趨近夾具），最后再轉向工件夾具的方向。如圖6-14所示，由1段至2、3、4段。

圖6-14加工路線的選擇電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.3加工路線的選擇

4）要在一塊毛坯上切出兩個以上零件時，不應一次切割出來，而應從不同預孔開始加工，如圖6-15所示。圖6-15從一塊工件上加工兩個以上零件的加工路線電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.5定位1.以孔為基準圖6-16定位方法

以孔為基準時，孔要用坐標磨床進行精加工，電極絲接觸部位尺寸為3～5mm，以R為半徑進行倒棱，孔內必須清潔無污，定位精度可達到5～10μm。

定位方法有兩種，即以孔為基準的定位法和以工件端面為基準的定位法，通常采用讓金屬電極絲和被加工物發生電接觸的方式。2.以端面為基準

用端面定位，其精度不如以孔為基準的定位精度高。一般進行定位時，由于條件不同，容易產生定位誤差。故進行定位時，最好多做幾次。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.6試切與切割

一般來說，在正式切割前，對加工質量要求高的工件最好進行試切。試切的材料應該為擬切割工件的材料。經過試切可以確定加工時的各種參數。有時為了檢查程序編制的正確與否，也可采用薄板進行試切。慢速走絲線切割加工的切縫寬度因工藝條件的差異而變化較大，因此在正式切割前必須進行試切。機床的啟動過程應按操作須知進行。切割加工中的注意事項如下：1）數控切割時，凡是未經嚴格審核而又比較復雜的程序，以及穿孔后沒有校對的紙帶均不宜直接用來加工模具零件，而應先進行空機運轉或用薄鋼板試切。經確認無誤后，方可正式加工。2）進給速度應根據工件厚度、材質等方面的要求在加工前調整好，也可以在切割工藝線上進行調整。從加工正式開始一直到加工結束，均不宜變動進給控制旋鈕。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.6試切與切割

3）切割過程中遇到以下問題應及時處理。

①如發現工作液循環系統出現堵塞，應及時疏通。特別是要防止工作液浸入機床內部造成短路，導致燒毀電器元件。

②電蝕產物在導輪上積聚過多，會導致與絲架之間形成一條通路，造成絲架帶電。這樣既不安全，又影響切割效率。4）為確保高精度要求的模具零件順利進行加工，一般在每段程序切割完后，檢查縱、橫拖板的手輪刻度值是否與指令規定的坐標相符。如發現差錯，應及時處理，避免加工零件報廢。5）不要輕易中途停機，以免加工后工件出現中斷痕跡。6）每天工作結束后，應清潔機床，防止銹蝕。7）做好加工記錄，積累經驗，不斷提高使用和維護水平。

電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.7加工過程中特殊情況的處理1.短時間臨時停機

當某一程序尚未切割完畢需要暫時停機片刻時，應先關閉控制臺的高頻、變頻及進給按鈕，然后關閉脈沖電源的高壓、工作液泵和走絲電機，其他的可不必關閉（只要不關閉控制臺電源，控制機就能保存停機時剩下的程序）。重新開機時，應按下述次序操作：先開走絲電機、工作液泵、高頻電源，再合變頻開關、高頻開關，即可繼續加工。2.斷絲處理

1）應立即關閉脈沖電源的變頻，再關閉工作液泵及走絲電機，把變頻粗調置于“手動”一邊，打開變頻開關，讓機床工作臺繼續按原程序走完，最后回到起點位置重新穿絲加工。若工件較薄，可就地穿絲，繼續切割。

2）若加工快結束時斷絲，可考慮從末尾進行切割，但要重新編制一部分程序。當加工到二次切割的相交處時，出現斷絲要及時關閉脈沖電源和機床，以免損壞已加工的表面。

若斷絲不能再用，需更換新絲時，應測量斷絲的直徑，若新絲直徑與斷絲相差較大，應重新編制程序，以保證加工精度。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.7加工過程中特殊情況的處理3.控制機出錯或突然停電

一般出現在待加工模具零件的廢料部位且模具零件的精度要求又不太高的情況下，應待排除故障后，將鉬絲退出，拖板移到起始位置，重新加工即可。4.短路的排除

應立即關掉變頻，待其自行消除短路；如此法不能奏效，再關掉高頻電流，用酒精、汽油、丙酮等溶劑沖洗短路部分；如仍不能消除短路，應把絲抽出，退回起始點，重新加工。目前在應用微機進行控制時，斷絲、短路都會自行處理，在斷電情況下也能保持記憶。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.8后續處理1.機械拋光

線切割加工完成后，由于被加工模具的表面粗糙度不理想，以及加工表面產生與基體成分和性能完全不同的變質層，影響模具質量和壽命，線切割加工后還要進行后續處理（精修和拋光）。2.擠壓珩磨拋光

擠壓珩磨拋光又稱磨料流動加工。它是利用半流動狀態的磨料在一定壓力下強迫通過被加工表面，經磨料顆粒的磨削作用而去除工件表面變質層材料。磨料流體介質一般由基體介質、添加劑、磨料三種成分混合而成，而基體介質屬于一種黏彈性高分子化合物，起黏結作用。磨料使用氧化鋁、碳化硼、碳化硅、金剛石粉等，視工件材料選用。

機械拋光分電動（或氣動）工具和拋光專用機床兩種。電（氣）動工具又分為回轉式、往復式兩種，回轉式電動工具如原西德的軟軸磨頭，往復式電動工具實際上就是電動銼刀。為了提高效率，還使用專門為拋光模具而設計制造的拋光專用機床。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.8后續處理1.超聲波拋光2.化學拋光

化學拋光是利用化學腐蝕劑對金屬表面進行腐蝕加工，以改善表面粗糙度。這種拋光技術不需要專用設備，節約電能，使用方便。對形狀復雜（包括薄壁窄槽模具）的型腔模具也可進行拋光，并能保證幾何精度。腐蝕劑以鹽酸為主，加入各種添加劑。拋光可達Ra0.1μm。

超聲波拋光是利用換能器將超聲波電能轉換為機械動能，使拋光工具發生超聲波諧振，在工件與工具之間有適量的研磨液對工件進行剝蝕，實現超聲波拋光。拋光可達到Ra0.1μm。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.9加工實例圖6-17型孔切割程序（a）型孔零件圖；（b）型孔切割程序

圖6-17（a）所示為型孔零件，工件厚度為15mm，加工表面粗糙度為Ra3.2μm，其雙邊配合間隙為0.02mm，電極絲為Φ0.18mm的鉬絲，雙面放電間隙為0.02mm。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.9加工實例圖6-17型孔切割程序（a）型孔零件圖；（b）型孔切割程序

（1）確定補償距離

補償距離Δｔ＝0.18/2+0.02/2=0.09+0.02=0.1mm

電極絲中心軌跡如圖6-17(b)所示

（2）確定加工路切割型孔時，在中心O1鉆孔，從O1開始切割。電極絲中心的切割順序是：O1A→弧AB→BC→弧CD→DA→AO1。

（3）編制切割程序單

B2900B4907B4907GYL4B2900B4907B17000GXNR4B0B4186B4186GYL4B2900B4907B17000GXNR2B0B4186B4186GYL2B2900B4907B4907GYL2DD

1.程序編制電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.9加工實例圖6-17型孔切割程序（a）型孔零件圖；（b）型孔切割程序

（1）確定補償距離

補償距離Δｔ＝0.18/2+0.02/2=0.09+0.02=0.1mm

電極絲中心軌跡如圖6-17(b)所示

（2）確定加工路切割型孔時，在中心O1鉆孔，從O1開始切割。電極絲中心的切割順序是：O1A→弧AB→BC→弧CD→DA→AO1。

（3）編制切割程序單

B2900B4907B4907GYL4B2900B4907B17000GXNR4B0B4186B4186GYL4B2900B4907B17000GXNR2B0B4186B4186GYL2B2900B4907B4907GYL2DD

1.程序編制電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.2.9加工實例

脈沖電源參數選擇如表6-7所示。表6-7脈沖電源參數選擇電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.3快速成形應用實例6.3.1快速成形加工過程12快速成形系統

數據處理部分主要是三維CAD模型加工軌跡的離散過程，由高性能計算機處理完成

下層成形執行部分主要是加工過程的執行和控制，由數控RPM設備來完成。RPM制作零件的過程是從CAD開始的。利用CAD/CAM等系統進行3D幾何造型，產生數據文件，然后將其內外表面用小三角平面片離散化。數據處理成形執行電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.3.2快速成形加工實例

本節將以茶壺為例介紹產品的快速成形設計。

傳統的零件加工過程是先制造毛坯，然后經切削加工，從毛坯上去除多余的材料得到零件的形狀和尺寸，若不合格則需重新設計或人工處理。這種方法不僅耗時，且需要操作工人有相當的經驗水平，使得制作周期長且成本高。

快速成形不是按上述工藝，而是利用激光成形機將茶壺整體成形。利用成形機制作的茶壺原型進行有關試驗來評估設計，如不合格，則可重新修改重新制作原型，而不必用實際茶壺來試驗。一旦試驗合格，則可利用茶壺原型翻制模具或制作模芯用于精鑄。其作業流程如下。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.3.2快速成形加工實例圖6-18茶壺形狀

(1)利用三維建模設計軟件（如Pro/E,SolidWorks,AtuoCAD等）設計和構建3D模型，然后輸出為STL格式的文件。茶壺形狀如圖6-18所示。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.3.2快速成形加工實例圖6-19分層參數設置

（2）將格式為STL的茶壺文件加載到快速成形零件數據準備系統（RPData）中，設置分層厚為0.2mm。如圖6-19所示。

（3）然后對它進行分層處理，如圖6-19所示。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.3.2快速成形加工實例圖6-20輪廓檢查

（4）對其輪廓進行檢查，看看是否有病態線段。如圖6-20所示電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.3.2快速成形加工實例圖6-21輪廓編輯

（5）對輪廓進行編輯，將多余的線段刪除以及打斷的線段封閉。如圖6-21所示電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.3.2快速成形加工實例圖6-23加載掃描參數

（6）給茶壺加上支撐，使之能平穩地在工作臺上成形，然后保存為LGS格式輸出。如圖6-22所示。

（7）將已做好支撐的茶壺零件加載到快速成形機的控制系統中，載入X-Y掃描參數。如圖6-23所示。圖6-22人工支撐電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.3.2快速成形加工實例圖6-24制作茶壺模型

（8）根據所設置的參數，快速成形機自動地一層一層掃描固化，大約6～7h后即可成形，在移動工作臺去除零件。如圖6-24所示。

運用RPM技術制造茶壺原型僅需6～7h 左右，而傳統的制造方法可能要幾星期或幾個月。RPM技術對于實現快速可視化零件形態，提高產品的設計質量，降低成本，縮短設計周期，為產品盡快地推向市場提供了最佳的方法。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.4三維實體造型應用實例6.4.1Pro/E的組成模塊及其功能簡介

Pro/E是一套CAD/CAM/CAE大型軟件包，它功能強大，廣泛用于機械、工業設計、汽車、航天等行業，由數十個功能模塊組成，每一個模塊都有自己獨立的功能，用戶可以根據需要選用，各個模塊創建的文件有不同的文件擴展名。此外，高級用戶還可以調用系統的附加模塊或者使用軟件進行二次開發工作。1.草繪模塊

草繪模塊用于繪制和編輯二維平面草圖。在Pro/E建模時，一般要先繪二維平面草圖，因而，二維草圖繪制在三維建模中具有非常重要的作用，是三維建模時的重要步驟。在使用零件模塊建立三維特征時，如需要進行二維草圖繪制，系統會自動切換至草繪模塊。同時，在零件模塊中繪制二維平面草圖時，也可以直接讀取在草繪模塊下繪制并存儲的文件。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.4.1Pro/E的組成模塊及其功能簡介2.

零件模塊

零件模塊用于創建三維模型。由于創建三維模型是使用Pro/E進行產品設計和開發的主要目的，因此零件模塊也是參數化實體造型最基本和最核心的模塊。

Pro/E建模方法模仿真實的機械加工過程：首先創建基礎特征，這就相當于在機械加工之前生產毛坯；然后在基礎特征之上創建放置特征，如創建圓孔、倒角、筋特征等，每添加一個放置特征就相當于一道機械加工工序。但與機械加工不同的是，在零件建模時，既可以去除材料，也可以根據需要增加材料。使用Pro/E進行三維模型創建的過程，實際上就是使用零件模塊依次創建各種類型特征的過程。這些特征之間可以彼此獨立，也可以互相之間存在一定的參考關系，例如特征之間存在的父子關系。在設計中，特征之間的相互聯系不可避免，但應盡量減少特征之間復雜的參考關系，這樣可以方便地對某一特征進行獨立的編輯修改。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.4.1Pro/E的組成模塊及其功能簡介3.

零件裝配模塊裝配就是將多個零件按實際的生產流程組裝成一個部件或完整的產品的過程。在組裝過程中，用戶可以添加新零件或是對已有的零件進行編輯修改。使用Pro/E的零件裝配模塊可以輕松完成所有零件的裝配工作。在裝配過程中，按照裝配要求，還可以臨時修改零件的尺寸參數，并且，系統能使用爆炸圖的方式來顯示所有零件相互之間的位置關系，非常直觀，如圖6-25所示為Pro/E爆炸圖實例。圖6-25Pro/E爆炸圖實例電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.4.1Pro/E的組成模塊及其功能簡介4.

曲面模塊

曲面模塊用于創建各種類型的曲面特征。使用曲面模塊創建曲面特征的基本方法和步驟與使用零件模塊創建三維實體特征非常類似。這里需要特別指出的是，曲面特征不具有厚度、質量、密度以及體積等物理屬性。但是，通過對曲面特征進行適當的操作可以使用曲面來圍成實體特征的表面，還可以把由曲面圍成的模型轉化為實體模型。5.

工程圖模塊

使用零件模塊和曲面模塊創建三維模型后，接下來的工作就是在生產第一線將三維模型變為產品。這時，設計者必須將零件二維工程圖送到加工現場，用于指導生產加工過程。如圖6-26所示為工程圖實例。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.4.1Pro/E的組成模塊及其功能簡介圖6-26Pro/E工程圖實例電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.4.2Pro/E的的特征圖6-27特征操作菜單1.實體特征

實體特征是生活中最常見的一類特征，這類特征具有質量、體積等實體屬性。同時實體特征具有確定的形狀和大小，具有厚度。12實體特征

基礎實體特征

基礎實體特征可分為以下基本類型：①拉伸實體特征；②旋轉實體特征；③掃描實體特征；④混合實體特征；⑤其他高級實體特征。

放置型實體特征

放置型實體特征分為以下類型：①圓孔特征；②圓角特征；③扭曲特征；④倒角特征；⑤管道特征；⑥殼特征；⑦筋特征。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.4.2Pro/E的的特征2.曲面特征

曲面特征可以用作生成實體特征的材料。對特定曲面進行合理的設計和裁剪后，將其作為實體特征的表面，這是曲面特征的一個重要用途。3.基準特征基準特征，就是基準點、基準軸、基準曲線、基準曲面以及坐標系等的統稱。用途包括以下幾個方面。1）放置參照：用于正確確定實體特征的放置位置。2）尺寸參照：標注實體尺寸的基準。3）設計參照：對實體進行細節設計時，具體指定基準點處的參數，例如可變尺寸的圓角設計。4）軌跡線：生成掃描實體特征和管道特征可以選用基準曲線作為軌跡線。5）特征操作對象：可以直接對基準特征進行特征操作，例如可以直接對基準曲線進行樣條折彎、環形折彎等扭曲操作電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.4.3應用Pro/E基于特征的三維實體造型實例圖6-28Pro/E基于特征的三維實體造型實例操作界面

對于圖6-28所示的零件，其造型的主要步驟如下。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.4.3應用Pro/E基于特征的三維實體造型實例創建旋轉特征生成圖創建拉伸特征生成圖創建孔特征生成圖電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.4.3應用Pro/E基于特征的三維實體造型實例特征操作孔復制生成圖創建螺旋掃描特征生成圖產生基準圖電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.4.3應用Pro/E基于特征的三維實體造型實例創建拉伸特征生成圖創建切剪特征生成圖創建倒圓角特征生成圖電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.4.3應用Pro/E基于特征的三維實體造型實例創建切剪特征生成圖電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.5逆向工程技術應用實例6.5.1逆向工程工作過程

逆向工程具體實施的工作過程大致分為3個階段，如圖6-30所示。圖6-30逆向工程工作過程1.認識階段

通過對實物原型進行全面的應用功能分析，進而確定實物原型的技術指標及其幾何元素之間的拓撲關系。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工2.再設計階段該階段包括從實物原型測量到再設計生成的整個過程。具體包括以下環節。1）制訂實物原型的測量規劃。2）對測量數據進行必要的修正。修正內容包括剔除測量過程中的粗大誤差，修正測量值中明顯不合理的測量結果，按拓撲關系的定義，修正各幾何元素的空間相互位置與關系等。3）建立CAD模型。4）設計者通過對實物原型應用功能的充分認識，在實物原始模型基礎上，對零件進行全面的再設計，并可根據實際情況對零件進行必要的修改。此時實際上已進入常規的零件設計階段。6.5.1逆向工程工作過程電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工3.制造階段按照零件再設計圖紙進行制造工藝設計、測量工藝設計和進行生產制造。當復制樣品完成后，首先是按再設計圖紙的要求進行檢驗，合格后再對其進行應用功能的檢驗。如果出現問題，則再對實物原型的應用功能作進一步的研究，并直接進入常規再設計階段。一般情況下不會對實物原型進行再測量。6.5.1逆向工程工作過程電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.5.2應用實例

逆向工程可以劃分為三個主要環節：①零件原型的三維模型重構；②基于原型的再設計；③產品制造。1.數據采樣12三維數據測量方法

通過傳感測量頭與樣件的接觸而記錄樣件表面的坐標位置。

優點：精度高、可靠性強去

缺點：速度慢、磨損測量面、需對探頭半徑做補償及無法對軟質物體進行精確測量

主要是基于光學、聲學、磁學等領域中的基本原理，將一定的物理模擬量通過適當的算法轉化為樣件表面的坐標點接觸式測量非接觸式測量電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.5.2應用實例1.數據采樣圖6-31用激光掃描儀獲取數據電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.5.2應用實例

無論是接觸式還是非接觸式，在測量設備獲取工件的外形點群數據后，技術人員首先面臨的就是點數據的處理，點數據的處理可分為點數據的坐標定位、數據雜點的刪除、數據的噪聲濾除、排序、平滑化及篩減、利用特征搜尋功能找出曲面的趨勢或特征、切割出需要的點云或剖面點數據。產品獲取的工件外形點群如圖6-32所示。2.數據處理電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.5.2應用實例2.數據處理圖6-32工件外形點群圖6-33處理后的工件外形點群電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工

造型設計是根據造型方法分析零件，從點云中選擇曲面造型所需要的點，構造曲面框架。通過一系列拉伸、旋轉、掃描、混合等曲面構成方式及融合、剪裁等操作生成零件的曲面模型，經過外形修飾后，生成實體模型。6.5.2應用實例3.造型設計12曲面造型

用CopyCAD軟件由點云直接生成三角曲面（STL模型），利用三角曲面模型進行NC加工編程。

用Surfacer軟件由點云生成NURBS曲面模型，進行模具設計和加工。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.5.2應用實例3.造型設計圖6-34Surfacer構建的曲面圖圖6-35在Pro/E中修飾后的產品圖電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工

由零件的實體模型，設置收縮率及脫模斜度，利用Pro/E軟件的模具設計等模塊，可很快建立型腔、澆道、冷卻水道等特征，從而得到所需的模具。圖6-36為產品吹塑模具的型腔模。圖6-36產品的型腔模6.5.2應用實例4.模具設計與加工電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.6計算機集成制造系統應用實例

國家“863/CIMS”典型應用工廠——成都飛機工業公司CIMS工程（簡稱CAC-CIMS）中的車間自動化集成分系統是制造自動化系統（MAS）的一個典型案例。圖6-37成都飛機公司機電產品總公司車間

如圖6-37所示為該公司機電產品總公司車間，該公司分階段逐步建成一個集航空產品設計、制造和管理為一體的計算機集成制造系統（簡稱CAC-CIMS）。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工

CAC-CIMS在計算機網絡和分布數據庫的支撐下，主要由四大功能分系統構成，它們是制造資源計劃系統（MRPⅡ）、質量信息分系統（QIS）、工程信息分系統（CAD/CAPP/CAM）及車間自動化集成分系統（FA，FlexibleAutomation）。圖6-38CAC-CIMS系統功能示意圖電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.6.1成都飛機公司CIMS自動化集成分系統的總體結構

成都飛機公司CIMS自動化集成分系統（CAC-CIMS/FA）由平行的4個柔性加工單元組成，分別稱為FDNC1、FDNC2、FMS1和FMS2。其中FDNC1和FDNC2是以DNC系統構成的柔性加工制造單元，FMS1和FMS2則是兩個以柔性制造系統（FMS）為主構成的加工制造單元。本節主要簡介FDNC1的車間布置、控制結構及功能（FDNC2情況類似）。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.6.1成都飛機公司CIMS自動化集成分系統的總體結構電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.6.1成都飛機公司CIMS自動化集成分系統的總體結構圖6-40CAC-CIMS/FA-FDNC1控制系統結構圖電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.6.1成都飛機公司CIMS自動化集成分系統的總體結構圖6-41CAC-CIMS/FA-FDNC1系統通信結構示意圖電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.6.1成都飛機公司CIMS自動化集成分系統的總體結構

CAC-CIMS/FA-FDNC1的工藝特點如下：

1）該系統設置了毛坯、在制品、夾具緩存，物流運輸系統采用人驅動式小車，人工裝卸物料，人工控制完成加工、清洗、檢驗、校形等工序。

2）10臺加工機床及全套輔助設備布置在450m2生產面積內。

3）零件的加工、清洗、檢驗、校形全部工序均置于組合夾具上完成。

4）人驅動式小車采用雙工位旋轉式轉接臺進行零件與毛坯的交換，用于存取零件／毛坯信息的條形碼貼于組合夾具的一側，物料的運輸驅動和物料裝卸均由人工完成。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.6.1成都飛機公司CIMS自動化集成分系統的總體結構

CAC-CIMS/FA-FDNC1的工藝特點如下：

5）機床旁邊設置的計算機終端用于人工錄入機床加工的狀態信息，其控制系統結構如圖6-37所示。

6）機床沒有刀具庫，機床的換刀由人工進行并由人工操作讀入刀具條形碼的信息，人工預置刀具壽命、完成文件在機床與DNC計算機之間的雙向傳輸。機床具有工件交換工作臺，可在人工的控制下完成工件的交換工作。

7）工序的各工位均由人工參與操作和決策，人工反饋系統狀態。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.6.1成都飛機公司CIMS自動化集成分系統的總體結構

從縱向看，它們的遞階控制結構基本相同，即包含了CIMS五層遞階結構中的車間層-單元層-工作站層-設備層，分別由車間控制器、單元控制器、工作站控制器和設備控制器四級控制系統構成。

1）車間層的控制管理功能由車間控制器完成。

2）單元層控制功能由單元控制器完成，它接受MRPⅡ系統的輸出的單元作業計劃，通過分解后生成單元的日作業計劃。

3）工作站層控制由包括物料、檢驗、制造監控和刀具等在內的各工作站控制器，完成各自的控制管理功能。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.6.1成都飛機公司CIMS自動化集成分系統的總體結構

4）設備層控制由包括加工中心、三坐標測量機、物料儲運系統（如AGV）、刀具儲運系統等底層設備控制系統，根據相應工作站的控制指令，控制相應設備的運行。

5）數據庫和計算機網絡是CAC-CIMS/FA，乃至整個CAC-CIMS的重要支撐技術。CAC-CIMS選用了ORACLE作為其數據庫管理系統；網絡協議選用了TCP/IP，以保證異種機聯網。

6）FDNC1系統連接的CNC機床數控系統類型有FUNAC7M，FUNAC3000C；ＦＤＮＣ２系統連接的有FUNAC7M，MACS604，MACS508，ACRAMATIC950等。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.6.1成都飛機公司CIMS自動化集成分系統的總體結構

6）一類用PC/XT機通過LINK板連接到TCP/IP網上，而PC/XT與下層設備通過異步串行通信接口RS-232C或專用硬件接口連接；另一類的接口平臺為PLC控制器，它通過RS-232C上接工作站控制器計算機上的RS-232C，而PLC的輸出／輸入控制節點則直接下達相應設備的執行指令和狀態反饋信息。圖6-42CAC-CIMS/FA中的硬件接口電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.6.1成都飛機公司CIMS自動化集成分系統的總體結構

7）FA內物料的流動。FA中的物料流構成充分利用了工廠現有條件和資源，不過分追求高度自動化。例如使用“組合化”數控機床（即機床不設刀具庫，換刀由人工進行；機床具有工件交換工作臺，在人工的控制下完成工件的交換工作）。另外，人直接控制運輸小車，把人引入系統，充分利用了人-機組合的優越性。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.6.3CAC-CIMS/FA實施效果與效益分析

本項成果作為CAC-CIMS/FA的一個子系統應用于成飛數控車間的民機轉包，軍機批生產和型號工程零件生產的計劃、調度、管理與控制，效果良好。解決了非一致性硬件、操作系統環境下復雜的異構系統互聯問題和CIMS縱向信息集成問題。提高了車間的生產控制和管理水平，使底層FDNC單元實現了制造過程自動化，能夠做到零件的無紙加工。在提高計劃均衡性、按期交貨率、設備利用率、增加產量、改進產品質量和提高生產率等方面取得顯著效果。1.實施效果電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.6.3CAC-CIMS/FA實施效果與效益分析（1）系統的特色1）在計算機網絡、進程通信、雙向通信功能和分布式數據庫支持下，部分采用了客戶/服務器體系結構，使復雜的非一致性硬件、操作系統互連，保證了資源共享，信息集成，使系統具有先進性、開放性。2）提出的二階段計劃法，可提高生產作業計劃的有效性。3）采用進程通信的方法實現二階段計劃編制的自動連續運行。4）采用順排與逆排結合法、組合優先規則和變異的有限能力法來編制生產作業計劃。

5）備件需求的自動生成。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.6.3CAC-CIMS/FA實施效果與效益分析（1）系統的特色9）能實時處理臨時資源需求及設備故障等生產異常信息，提高生產管理與控制的柔性。

10）本系統與CAD/CAPP/CAM系統及其他子系統緊密集成，兩條FDNC1-2生產線實現了無紙加工，使我國飛機整體件制造技術能與國際飛機制造技術接軌。

11）在我國制造業現有條件下，本項目的研究與開發走出了一條由數控機床組成柔性制造加工單元與CIMS其他分系統進行集成的成功之路，這種方式經濟、先進、可行。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.6.3CAC-CIMS/FA實施效果與效益分析（1）系統的特色6）采用EDD（EarliestDueDate）和SPT（ShortestProcessingTime）啟發式規則進行單元生產計劃調度，系統能自動對設備負荷進行平衡，合理地安排生產任務。

7）通過設置工序狀態，系統可自動跟蹤零件從計劃到加工、完成的全過程，為計劃調度提供零件的當前狀態信息，能進行人—機交互式動態調度，使生產作業計劃的制訂更合理。

8）對數控機床技術改造成功，DNC接口控制器可與數控機床和單元控制器進行雙向通信，可從多個計算機節點取派工單、工藝規程、NC程序和刀具參數等信息，能實時反饋故障信息，記錄多種生產數據，實現了CIMS全面信息集成。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.6.3CAC-CIMS/FA實施效果與效益分析（2）國內外情況對比國外對車間控制器和單元控制器的研究較多，主要集中在生產計劃、調度和仿真等方面。本系統是CIMS集成環境下的車間加工自動化系統，它采用的管理思想先進，功能強，既能滿足CIMS集成需要，也能滿足非集成環境下車間生產管理的需要，是一個集車間生產計劃、控制和管理于一體的系統，可應用于各種類型的車間（包括FMS車間、DNC車間和普通車間）。與現有的MRRPⅡ底層生產計劃功能相比，本系統在日生產計劃調度、資源計劃調度和生產異常情況處理方面明顯優于前者，主要表現在：生產作業計劃可分解到每日、每班次，提供友好的作業計劃調整界面，實時處理臨時資源需求及故障信息。電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.6.3CAC-CIMS/FA實施效果與效益分析

車間、單元、工作站與DNC接口系統自開始投入由兩個FDNC1-2單元和兩個常規單元組成的數控車間使用。在其運行時間里，車間、單元、工作站和DNC接口系統用于軍機批量生產、民機轉包和型號工程200多項零件生產的計劃、調度、管理與控制，效果良好，并產生了明顯的經濟效益和社會效益。具體情況如下。1）可實現車間-單元-工作站-設備生產計劃的逐級分解、下達和計劃執行情況的逐級數據采集統計和反饋。

2）能自動生成合理可行的生產作業計劃，生產計劃編制時間由原來的3天縮短為2小時，班計劃制訂和派工速度提高30倍以上；可實現零星急件的插入與計劃的動態調整；實現了生產現場的準確跟蹤，大大減輕了生產統計和作報表的工作量。2.推廣應用情況、效益分析電火花加工計算機集成制造系統快速成形三維實體造型逆向工程技術柔性制造系統電火花線切割加工6.6.3CAC-CIMS/FA實施效果與效益分析3）刀量具、物料、工裝需求計劃的制訂大大減少了停工待料現