仇薪凱(天津機電職業(yè)技術(shù)學院,天津 300130)

數(shù)控快速成型計算機輔助工藝設計方法研究

仇薪凱(天津機電職業(yè)技術(shù)學院,天津 300130)

計算機輔助工藝設計(Computer Aided Process Planning)是指借助于計算機軟硬件技術(shù)和支撐環(huán)境,利用計算機進行數(shù)值計算、邏輯判斷和推理等的功能來制定零件機械加工工藝過程。借助于計算機輔助工藝設計系統(tǒng),可以解決手工工藝設計效率低、一致性差、質(zhì)量不穩(wěn)定、不易達到優(yōu)化等問題。

計算機輔助工藝設計 快速成形技術(shù) 數(shù)控-快速成形

計算機輔助工藝設計(Computer Aided Process Planning)是指借助于計算機軟硬件技術(shù)和支撐環(huán)境,利用計算機進行數(shù)值計算、邏輯判斷和推理等的功能來制定零件機械加工工藝過程。以前,工藝規(guī)劃由一個生產(chǎn)工程師執(zhí)行,根據(jù)工程知識和工作經(jīng)驗進行規(guī)劃,效率很低。本文的主要目的是為消減快速原型開發(fā)一個計算機輔助工藝規(guī)劃系統(tǒng),即數(shù)控-快速成形工藝。本文研究的是創(chuàng)建一個工藝規(guī)劃算法,通過這個算法來確定一組加工方位和加工刀具尺寸以達到最小化總加工時間的目的。

構(gòu)建工藝規(guī)劃算法的基礎需要滿足三個主要因素:(1)為了實現(xiàn)數(shù)控-快速成形在制造零件時的有效性和高效性。(2)滿足完全自動化的RP系統(tǒng)。(3)運行在一個沒有人干預的“無人值守”方式下進行。

具體做法是,工藝規(guī)劃算法首先將現(xiàn)有的可見性算法集成,這些算法之前的出發(fā)點都是用來建立必要的加工角度。本文工藝規(guī)劃算法也將加強對加工方位的探索,目的是為了避免薄腹板材料在加工過程中造成嚴重的誤差。然后,該算法通過分析零件的幾何形狀來確定每個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間聯(lián)系起來。

第二個目的是通過研究代表性零件、工具和加工參數(shù)的數(shù)學模型,然后以此建立遺傳算法的目標函數(shù)。這種遺傳算法的目的是引入新的候選加工方向,超越以往的可見性算法。它將填充多個解決方案,然后基于最小加工時間標準來評估他們。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)是利用多個刀具加工厚圖層的方法分析每個圖層(STL切片之間的材料),使用多個直徑減小的刀具加工每個圖層。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,刀具通過從底部到頂部加工輪廓的四周。下一個刀具加工第一個刀具留下來的材料,使用相同的三個類型的刀具路徑。最后加工的較小的刀具切割深度會小于先前的刀具,因此,它必須重復三種刀具路徑,直到達到分層的底部。這種方法具有冗余的機械加工和刀具的尺寸重合問題。該算法雖然可以應用到任何的刀具庫;但是不能稱為一個最佳的刀具技術(shù)。

為了提高材料切除速度并減少總的加工時間,可以引進定向波束,即可機加工的表面上的點的方向。一個適度的函數(shù)給出了獨立變量:表面點和刀具參數(shù)。所有點的交集(和他們的定向波束)將會給出可能的走刀方向集合。假如這個集合存在,用一個算法的迭代來找到表面上的每個點處的最高加工速度。刀具參數(shù)作為一個獨立的參數(shù),使用此算法刀具的選擇是自動的。案例研究很好的表明了測試和算法的結(jié)果之間的相關(guān)性。唯一的缺點是,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)絡模型生成一個最佳的刀具序列,形成有序的刀具庫。

數(shù)控-快速成形系統(tǒng)是一個非常穩(wěn)健和安全的系統(tǒng),能夠創(chuàng)建功能模塊。對于這個系統(tǒng)而言,數(shù)控-快速成形所需的硬件并非專有的。因為任意一個有第四軸分度盤的三軸的數(shù)控機床都能用做數(shù)控-快速成形機床。在相對低的成本下,這個系統(tǒng)能生產(chǎn)快速成形高精度零件。當系統(tǒng)的硬件也就是固定成本不變時,通過包括庫存材料和加工工時在內(nèi)的可變成本降低可以大幅度提升企業(yè)的競爭力。以前傳統(tǒng)簡單的加工刀具路徑規(guī)劃,遇到復雜的幾何形狀加工工時可能會耗費相當長的時間,并且加工中過多的毛坯材料會被浪費。而數(shù)控-快速成形對所有幾何形狀的零件都能用標準圓形毛坯來加工。

綜上所述,任何消減快速成型過程都需要旋轉(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。五軸加工中心的優(yōu)勢是創(chuàng)造了許多的自由度,但是在加工中防撞的路徑規(guī)劃也會變得很困難。在激光輔助制造工藝過程中,三維多面體的模型決定加工方向,因為它只依賴于算法的結(jié)構(gòu)來識別突出的圖形和看不到的圖形,導致很多結(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),被認為是近20年來制造領域的一個重大成果,在未來的加工中,它必然也會散發(fā)出更多的魅力。