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1、CNC弯管原理一、概论 无论是哪一种机器设备，几乎都有导管，用以输油、输气、输液等，而在飞机及其发动机上更占有相当重要的地位。各种导管品种之多、数量之大、形状之复杂，给导管的加工带来了不少的困难。 传统的弯管是采用成套弯曲模具进行弯曲的。 弯管的步骤大致是： 1.留出第1段直线段长度，并夹紧管子。 2.弯曲。 3.松开模具，取出管子，使模具复位。按管形标准样件在检验夹具上检查管形，并校正。 4.按需要的形状，把管子放在模具内，并夹紧。 5.弯曲。 6.重复第3步，直至弯完管子为止。 由于飞机及其发动机上的导管很多，又要求尽可能节省导管所占空间，因此必须将导管弯曲成各种形状，以避免在有限的空间互
2、相干涉。导管的几何形状是非常复杂的，很难用图形把它描绘出来。尤其是航空发动机上所用的管子，制造公差要求很严格，弯管形状公差通常为0.64毫米，管端接口位置公差必须保持在0.127毫米以内，制造是很困难的。传统的弯管工艺都是按飞机或发动机定型投产后的导管（或管型）标准样件在弯曲夹具或弯管机上弯曲，在型面检验夹具上进行验收的。由于管子的弯曲角度、两相邻弯平面间的空间夹角以及两个弯之间的直线距离都不能进行直接测量或很难测量准确，再加上弯管过程中的回弹等一系列工艺和操作问题，在弯制管子时完全凭借操作者的经验和技术熟练程度，因此，每根管子在验收之前，大都要进行手工校正，而且难免会出现“反复”弯曲、“串弯
3、”等现象。这样，不但弯管质量不易控制，生产效率很低，劳动强度很大，而且需要相当数量的导管标准样件、弯曲夹具和型面检验夹具。此外，为了使同一型号的发动机上的管子能够互换，标准样件必须妥善保管，以作为每批生产时的依据和验收标准。不仅正在生产的发动机的标准样件，而且包括过去所有生产过的不同型号的发动机的标准样件，由于要提供备件，都必须储存起来，以保证用户的需要。每生产一种新型号的发动机，都要制造和储存这些标准样件，甚至还要储存弯管的夹具和检验夹具。这样，就需要庞大的仓库或车间。因此，解决弯管设备和工艺，成为长期以来世界各国航空工业所研究的一个课题。 从常规弯管工艺稍加分析，就不难看出，管子的弯制主要
4、可以归结为三个基本动作，即直线送进、空间转角、弯曲。当然，欲弯制一根管子，还需要一些弯管辅助动作，如夹模或压模的夹紧、松开，弯模的复位等。全部弯管动作就是这些简单机械动作的一定顺序的组合。 通过大量的实践活动，人们已经掌握了弯管的动作规律，从而就有可能把这些简单的动作按一定顺序连贯起来，并加以控制，实现弯管机械化、自动化。 采用数控技术，不但可使导管的弯曲质量有了可靠的保证，而且生产效率也大大提高，从而改变了手工弯管的落后面貌。但是，由于导管的空间几何形状很复杂，很难用设计图纸把它准确的表达出来；而且对管形标准样件进行测量也相当困难，于是编辑“弯管程序”已成为当前采用数控弯管要解决的新问题。目
5、前，只能通过逐个弯试弯初记数据试弯整个管形修正数据最后确定数据的办法来记录弯管程序。这样，不仅报废一定数量的管子，而且效率也很低。 为了寻求新的方法，加速编程，乃至采用计算机自动编程，提高目前的数控弯管水平，美国伊顿伦纳德公司于七十年代研制生产了一种计算机控制数控（CNC）矢量弯管设备，近年来普遍为西方各航空发动机公司所采用。为了进一步推动国内自动弯管技术的研究，将对此做些介绍。二、矢量弯管技术 以矢量理论为基础，把管形上的每个直线段的中心线看成一系列的空间矢量，利用矢量的基本概念和运算，精确地计算出“增量管形数据”，以控制矢量弯管机。弯制出的管子还可以进行自动检验，与标准管形数据相比较，算出
6、“差值”，并用“差值”修正弯管程序，得出新的弯管程序，再去弯制下一根管子，这就是矢量弯管技术的基本特点。（一）矢量的基本概念 所谓矢量，就是具有大小和方向的量。在几何中的有向线段就是一个直观的矢量。从两矢量相等的定义出发就可以知道，将一矢量平行移动后，仍为与原来矢量相等的矢量。所以矢量的起点可以放在空间任何一点。（二）矢量在弯管技术上的应用除了螺旋形状和复合弯（即两弯之间无直线段）的特殊形状的管子外，在一般情况下，它都是由许多直线段和弯曲（圆弧）段所组成，并且直线段比圆弧段的数目多1。例如，一个有8个弯的管子就必定有8个圆弧段和9个直线段。而且管子的两端一定是直线段。 如果把管子放在空间坐标系
7、中，并且管子上的直线段用其中心线表示，那么，管形即可由每段直线段中心线所表示。相邻两中心线延长后产生了交点。相邻两相交点连线的距离和方向，就表示了矢量的大小和方向。 将管形上的各直线段中心线以一系列的空间矢量来表示，求出它们的交点，进而求出“增量管形数据”，这就是矢量弯管的原始设想。 基于以上设想，美国伊顿伦纳德公司制成了VECTOR 1管形测量机。 如果一个管子有8个弯，那么，使用VECTOR 1管形测量机测量管形时，测量点选择在9个直线段上任意一点（但两端的直线段需在端点处测量），而且每个直线段上只需测量一次。因而，依次测量9次便可算出通过各测点的管形直线段中心线的方向余弦。进而计算相邻两
8、矢量的交点坐标数据，并存储在计算机的存储器内。也就是说，VECTOR 1管形测量机用a、b、cj十个点的坐标数据来描述管形。 由于管形在空间的位置是比较复杂的，以若干点的坐标来描述管形，人们不易推想出管形的真实形状。况且，弯管机所使用的数据不是坐标点数据，而是“增量弯管数据”。因而，存储在计算机存储器内的坐标点数据还必须通过一系列矢量运算，计算出弯管所需要的“增量管形数据”。1.两管间的送进距离DBB（Distance Between Bends)。它是端点到直线与圆弧的切点之间的距离或直线与两圆弧的切点之间的距离。对于弯管机来说，它是每一个弯之前的直线送进距离。2.空间转角POB（Plane
9、 Of Bend）。它是两个弯不在一个平面上，第二个弯所在的平面与第一个弯所在的平面的夹角。对于弯管机来说，它是夹持管子的夹头的旋转角度。夹头可作正向旋转运动，也可以作反向旋转运动。3.弯曲角度DOB（Degree Of Bend)。它是第二条直线段中心线相对于第一条直线段中心线的夹角。对于弯管机来说，它是弯臂的转出角度。管形的每一个弯都有这三个数据。某一个弯的数据是依前一个弯的数据为基础而产生的，所以叫“增量管形数据”。这种数据产生以后，还要经回弹数据修正，才成为弯管程序，用以控制矢量弯管机，进行弯管。（三）矢量弯管技术 用测量机测出管形，取得必要的数据之后，还必须把管子弯出来。因此和VEC
10、TOR 1管形测量机配套的还有VECTORBEND弯管机，用这一台设备按测量所得数据弯曲管子。所以矢量弯管技术的整个过程是： 1.使用VECTOR 1管形测量机按管子标准样件测取（或按图纸输入）管形数据，编辑、修改管形数据； 2.测取回弹数据，编制弯管程序；3.使用VECTORBEND弯管机弯管；4.使用VERTOR 1管形测量机进行自动检验，与标准样件管形数据相比较，算出差值，并用“差值”自动修正弯管程序； 5.再使用VECTORBEND弯管机弯出合格的管子。 本过程全由计算机控制完成。也就是采用计算机数控（CNC）。当然，这一过程中的第一步，测量管形数据也可以根据设计图纸，把管子各个直线段
11、交点和两端点的数据直接输入到计算机中去，以此来确定管子的形状。三、矢量弯管技术是弯管工艺的一个突破 采用矢量弯管技术制造管子具有重要的意义。1.快速测取管形数据，按管形标准样件编程 前面已经说过，飞机及其发动机的导管的形状是很复杂的，它很难甚至不可能用设计图纸把它表达出来。因此，在导管的加工中，许多导管的生产不是按照图纸，而是按照导管（或管形）标准样件来制造，在型面检验夹具上进行验收。如果单纯的采用数控弯管，鉴于用通常办法测量管形数据很困难，即使测量出来，数据也不会准确，再加上影响回弹的因素很多，如管子的材料、直径、壁厚、弯曲半径和弯角大小等等，都没有一定的规律。一系列的工艺问题，使得弯管程序
12、的编制相当困难。这就只能通过“逐个弯试弯初记数据试弯整个管形修正数据最后确定数据”的办法来编辑弯管程序。然而，采用VECTOR 1管形测量机，这个问题便迎刃而解了。它通过对管形标准样件的测量，取得了管形数据，并经回弹修正后，自动编制VECTORBEND弯管机所需要的弯管程序。这是一种“仿形”的方法，在实际生产中的用途很大。特别是对于形状复杂的管形来说，大量的、复杂的计算工作均由计算机来完成，这就解决了一般测取管形数据的难题，从而使管形的计算机编程成为可能，并极大地减轻了编程人员的计算工作量。 2.快速综合检验管形 对于高质量、高效率的数控机床来说，如果没有与之相适应的快速检验方法，势必造成检验
13、时间比弯管所需的时间长得多，以致影响数控弯管机床的高效率，造成“窝工”的现象，这是很不合理的。VECTOR 1管形测量机解决了这个问题。它具有高效率综合检验管形的能力（一般78个弯的管子，从装夹、固定管子开始算起，到测量完毕、打印输出管形数据，3分钟以内可以完成），可对弯出的管子的形状进行快速检验，和对标准样件管形数据进行比较，确定误差值，并可打印出“检验报告单”。这就有利于提高零件批量生产时的快速检验工效，有利于实现检验自动化。同时，它还用“差值”自动修正弯管程序，得出新的弯管程序，再去弯管。这种用“差值”修正的弯管程序，提供了一个新的弯管程序，使弯出的管形总是逼近管形标准样件，它实际上是一
14、种“自适应”控制。 3.为导管的设计制造一体化创造了条件 矢量弯管技术是管子弯曲生产自动化的基础，也为导管的设计制造一体化创造了必要的条件。美国麦克唐纳道格拉斯飞机公司在导管的设计制造一体化方面迈出了一步。它将VECTOR系统与设计部门的大型计算机相连接，根据生产部门的安排，VECTOR系统接受存储在大型计算机存储器内的管形数据，并编制弯管程序，进行管子生产。 采用矢量弯管技术，从根本上改变了手工弯管的落后工艺面貌，使弯管技术面貌焕然一新。它提高了弯管精度，使产品质量稳定、可靠。对于形状复杂、手工弯管难以完成的棘手问题，可以比较容易的得到解决，其工效可提高几倍、几十倍。可以说，矢量弯管技术是弯
15、管技术的一个重大突破。 4.VECTOR 1管形测量机可以按图纸尺寸输入“管形数据”，按管形标准样件测取管形数据或测量回弹数据，可以按需要编辑管形数据，如增加一个弯、撤消一个弯、移动一个弯、镜像、翻转管形数据；具有显示管形坐标数据、增量管形数据、回弹数据；存储和编制弯管程序等多种功能，其适应性大，操作简便，大大地缩短了生产准备周期，特别适应于新机研制过程中产品的形式和尺寸经常改变的需要。而且，由于VECTOR 1管形测量机能够获得准确的标准样件管形数据，并可存储保存；而在弯管之前测取回弹数据，编制弯管程序；再加上自动检验修正弯管程序，VECTORBEND弯管机完全可以弯制符合要求的管形。因此，从弯管的角度看，不需要保存大量的管形标准样件和型面检验夹具。这样，既降低了生产费用，又节省了车间的庞大占地面积。四、矢量弯管CNC数控弯管系统介绍 如上所述，美国伊顿伦纳德公司生产的CNC矢量弯管系统共分两部分，即VECTOR 1管形测量机和VECTORBEND（简称VB）矢量数控弯管机。VECTOR 1管形测量机的功能有数十个，其主要功能是：测取管形标准样件管形数据，将若干点的坐标数据变成增量管形数据；用增量管形数据来控制VB弯管机进行弯管，在一般情况下是不行的，还必须考虑管子的回弹修正问题。在每批管子弯曲之前，用
