数控快速成型计算机辅助工艺设计方法研究

仇薪凯(天津机电职业技术学院,天津 300130)

数控快速成型计算机辅助工艺设计方法研究

仇薪凯(天津机电职业技术学院,天津 300130)

计算机辅助工艺设计(Computer Aided Process Planning)是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境,利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等的功能来制定零件机械加工工艺过程。借助于计算机辅助工艺设计系统,可以解决手工工艺设计效率低、一致性差、质量不稳定、不易达到优化等问题。

计算机辅助工艺设计 快速成形技术 数控-快速成形

计算机辅助工艺设计(Computer Aided Process Planning)是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境,利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等的功能来制定零件机械加工工艺过程。以前,工艺规划由一个生产工程师执行,根据工程知识和工作经验进行规划,效率很低。本文的主要目的是为消减快速原型开发一个计算机辅助工艺规划系统,即数控-快速成形工艺。本文研究的是创建一个工艺规划算法,通过这个算法来确定一组加工方位和加工刀具尺寸以达到最小化总加工时间的目的。

构建工艺规划算法的基础需要满足三个主要因素:(1)为了实现数控-快速成形在制造零件时的有效性和高效性。(2)满足完全自动化的RP系统。(3)运行在一个没有人干预的“无人值守”方式下进行。

具体做法是,工艺规划算法首先将现有的可见性算法集成,这些算法之前的出发点都是用来建立必要的加工角度。本文工艺规划算法也将加强对加工方位的探索,目的是为了避免薄腹板材料在加工过程中造成严重的误差。然后,该算法通过分析零件的几何形状来确定每个方位的材料的切除量,用于粗加工和精加工刀具的选择,并把这些切除量与总加工时间联系起来。

第二个目的是通过研究代表性零件、工具和加工参数的数学模型,然后以此建立遗传算法的目标函数。这种遗传算法的目的是引入新的候选加工方向,超越以往的可见性算法。它将填充多个解决方案,然后基于最小加工时间标准来评估他们。

传统的系统是利用多个刀具加工厚图层的方法分析每个图层(STL切片之间的材料),使用多个直径减小的刀具加工每个图层。每一层的厚度是由最大的刀具的切削深度决定。使用三种不同类型的刀具路径加工每层。第一次是“线性包围”跨层常规线性移动刀具,加工最大余量。第二次刀具路径轮廓是沿着凹边界和凸轮廓去除材料。最后去除第一步和第二步的余量,刀具通过从底部到顶部加工轮廓的四周。下一个刀具加工第一个刀具留下来的材料,使用相同的三个类型的刀具路径。最后加工的较小的刀具切割深度会小于先前的刀具,因此,它必须重复三种刀具路径,直到达到分层的底部。这种方法具有冗余的机械加工和刀具的尺寸重合问题。该算法虽然可以应用到任何的刀具库;但是不能称为一个最佳的刀具技术。

为了提高材料切除速度并减少总的加工时间,可以引进定向波束,即可机加工的表面上的点的方向。一个适度的函数给出了独立变量:表面点和刀具参数。所有点的交集(和他们的定向波束)将会给出可能的走刀方向集合。假如这个集合存在,用一个算法的迭代来找到表面上的每个点处的最高加工速度。刀具参数作为一个独立的参数,使用此算法刀具的选择是自动的。案例研究很好的表明了测试和算法的结果之间的相关性。唯一的缺点是,这种方法仅限于表面/轮廓加工。为了找到最佳切削用量的刀具,如果刀具能均匀地加工所有的切片,那么利用网络模型生成一个最佳的刀具序列,形成有序的刀具库。

数控-快速成形系统是一个非常稳健和安全的系统,能够创建功能模块。对于这个系统而言,数控-快速成形所需的硬件并非专有的。因为任意一个有第四轴分度盘的三轴的数控机床都能用做数控-快速成形机床。在相对低的成本下,这个系统能生产快速成形高精度零件。当系统的硬件也就是固定成本不变时,通过包括库存材料和加工工时在内的可变成本降低可以大幅度提升企业的竞争力。以前传统简单的加工刀具路径规划,遇到复杂的几何形状加工工时可能会耗费相当长的时间,并且加工中过多的毛坯材料会被浪费。而数控-快速成形对所有几何形状的零件都能用标准圆形毛坯来加工。

综上所述,任何消减快速成型过程都需要旋转夹具至特定的初始方向。在激光辅助制造工艺过程中需要执行“可加工性检查”,随着零件的加工,增加了刀具碰撞的可能性。但是前面的系统,很少提及碰撞检测。五轴加工中心的优势是创造了许多的自由度,但是在加工中防撞的路径规划也会变得很困难。在激光辅助制造工艺过程中,三维多面体的模型决定加工方向,因为它只依赖于算法的结构来识别突出的图形和看不到的图形,导致很多结构不能直接加工。

快速成形技术诞生于20世纪80年代后期,是基于材料堆积法的一种高新制造技术,被认为是近20年来制造领域的一个重大成果,在未来的加工中,它必然也会散发出更多的魅力。