仇薪凱(天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津 300130)

數(shù)控快速成型計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)方法研究

仇薪凱(天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天津 300130)

計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(Computer Aided Process Planning)是指借助于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和支撐環(huán)境,利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷和推理等的功能來(lái)制定零件機(jī)械加工工藝過(guò)程。借助于計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng),可以解決手工工藝設(shè)計(jì)效率低、一致性差、質(zhì)量不穩(wěn)定、不易達(dá)到優(yōu)化等問(wèn)題。

計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì) 快速成形技術(shù) 數(shù)控-快速成形

計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(Computer Aided Process Planning)是指借助于計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和支撐環(huán)境,利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、邏輯判斷和推理等的功能來(lái)制定零件機(jī)械加工工藝過(guò)程。以前,工藝規(guī)劃由一個(gè)生產(chǎn)工程師執(zhí)行,根據(jù)工程知識(shí)和工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行規(guī)劃,效率很低。本文的主要目的是為消減快速原型開(kāi)發(fā)一個(gè)計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃系統(tǒng),即數(shù)控-快速成形工藝。本文研究的是創(chuàng)建一個(gè)工藝規(guī)劃算法,通過(guò)這個(gè)算法來(lái)確定一組加工方位和加工刀具尺寸以達(dá)到最小化總加工時(shí)間的目的。

構(gòu)建工藝規(guī)劃算法的基礎(chǔ)需要滿足三個(gè)主要因素:(1)為了實(shí)現(xiàn)數(shù)控-快速成形在制造零件時(shí)的有效性和高效性。(2)滿足完全自動(dòng)化的RP系統(tǒng)。(3)運(yùn)行在一個(gè)沒(méi)有人干預(yù)的“無(wú)人值守”方式下進(jìn)行。

具體做法是,工藝規(guī)劃算法首先將現(xiàn)有的可見(jiàn)性算法集成,這些算法之前的出發(fā)點(diǎn)都是用來(lái)建立必要的加工角度。本文工藝規(guī)劃算法也將加強(qiáng)對(duì)加工方位的探索,目的是為了避免薄腹板材料在加工過(guò)程中造成嚴(yán)重的誤差。然后,該算法通過(guò)分析零件的幾何形狀來(lái)確定每個(gè)方位的材料的切除量,用于粗加工和精加工刀具的選擇,并把這些切除量與總加工時(shí)間聯(lián)系起來(lái)。

第二個(gè)目的是通過(guò)研究代表性零件、工具和加工參數(shù)的數(shù)學(xué)模型,然后以此建立遺傳算法的目標(biāo)函數(shù)。這種遺傳算法的目的是引入新的候選加工方向,超越以往的可見(jiàn)性算法。它將填充多個(gè)解決方案,然后基于最小加工時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估他們。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)是利用多個(gè)刀具加工厚圖層的方法分析每個(gè)圖層(STL切片之間的材料),使用多個(gè)直徑減小的刀具加工每個(gè)圖層。每一層的厚度是由最大的刀具的切削深度決定。使用三種不同類(lèi)型的刀具路徑加工每層。第一次是“線性包圍”跨層常規(guī)線性移動(dòng)刀具,加工最大余量。第二次刀具路徑輪廓是沿著凹邊界和凸輪廓去除材料。最后去除第一步和第二步的余量,刀具通過(guò)從底部到頂部加工輪廓的四周。下一個(gè)刀具加工第一個(gè)刀具留下來(lái)的材料,使用相同的三個(gè)類(lèi)型的刀具路徑。最后加工的較小的刀具切割深度會(huì)小于先前的刀具,因此,它必須重復(fù)三種刀具路徑,直到達(dá)到分層的底部。這種方法具有冗余的機(jī)械加工和刀具的尺寸重合問(wèn)題。該算法雖然可以應(yīng)用到任何的刀具庫(kù);但是不能稱(chēng)為一個(gè)最佳的刀具技術(shù)。

為了提高材料切除速度并減少總的加工時(shí)間,可以引進(jìn)定向波束,即可機(jī)加工的表面上的點(diǎn)的方向。一個(gè)適度的函數(shù)給出了獨(dú)立變量:表面點(diǎn)和刀具參數(shù)。所有點(diǎn)的交集(和他們的定向波束)將會(huì)給出可能的走刀方向集合。假如這個(gè)集合存在,用一個(gè)算法的迭代來(lái)找到表面上的每個(gè)點(diǎn)處的最高加工速度。刀具參數(shù)作為一個(gè)獨(dú)立的參數(shù),使用此算法刀具的選擇是自動(dòng)的。案例研究很好的表明了測(cè)試和算法的結(jié)果之間的相關(guān)性。唯一的缺點(diǎn)是,這種方法僅限于表面/輪廓加工。為了找到最佳切削用量的刀具,如果刀具能均勻地加工所有的切片,那么利用網(wǎng)絡(luò)模型生成一個(gè)最佳的刀具序列,形成有序的刀具庫(kù)。

數(shù)控-快速成形系統(tǒng)是一個(gè)非常穩(wěn)健和安全的系統(tǒng),能夠創(chuàng)建功能模塊。對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)而言,數(shù)控-快速成形所需的硬件并非專(zhuān)有的。因?yàn)槿我庖粋€(gè)有第四軸分度盤(pán)的三軸的數(shù)控機(jī)床都能用做數(shù)控-快速成形機(jī)床。在相對(duì)低的成本下,這個(gè)系統(tǒng)能生產(chǎn)快速成形高精度零件。當(dāng)系統(tǒng)的硬件也就是固定成本不變時(shí),通過(guò)包括庫(kù)存材料和加工工時(shí)在內(nèi)的可變成本降低可以大幅度提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。以前傳統(tǒng)簡(jiǎn)單的加工刀具路徑規(guī)劃,遇到復(fù)雜的幾何形狀加工工時(shí)可能會(huì)耗費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間,并且加工中過(guò)多的毛坯材料會(huì)被浪費(fèi)。而數(shù)控-快速成形對(duì)所有幾何形狀的零件都能用標(biāo)準(zhǔn)圓形毛坯來(lái)加工。

綜上所述,任何消減快速成型過(guò)程都需要旋轉(zhuǎn)夾具至特定的初始方向。在激光輔助制造工藝過(guò)程中需要執(zhí)行“可加工性檢查”,隨著零件的加工,增加了刀具碰撞的可能性。但是前面的系統(tǒng),很少提及碰撞檢測(cè)。五軸加工中心的優(yōu)勢(shì)是創(chuàng)造了許多的自由度,但是在加工中防撞的路徑規(guī)劃也會(huì)變得很困難。在激光輔助制造工藝過(guò)程中,三維多面體的模型決定加工方向,因?yàn)樗灰蕾?lài)于算法的結(jié)構(gòu)來(lái)識(shí)別突出的圖形和看不到的圖形,導(dǎo)致很多結(jié)構(gòu)不能直接加工。

快速成形技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代后期,是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù),被認(rèn)為是近20年來(lái)制造領(lǐng)域的一個(gè)重大成果,在未來(lái)的加工中,它必然也會(huì)散發(fā)出更多的魅力。