【機械類畢業(yè)論文中英文對照文獻翻譯】微電火花銑削三維自由曲面的CADCAM系統(tǒng)

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All rights reserved 關健詞：微電火花銑削；CAD/CAM系統(tǒng)；微細電火花加工；電火花銑削；CAD/CAM；自由。 1，簡介 在電火花加工過程中，電極通常是由機械加工方法制造的。電極的幾何形狀通常制成與工件模型上的形腔相反的形狀。刀具電極的制造成本超過總加工開支的三分之一。尤其是在準備加工一個微腔之前加工一個三維自由曲面的微電極更為困難。Masuzawa和余教授 (東京大學)提出了一種層壓加工方法，微放電加工過程中采用把三維加工過程簡化為二維的層層掃描的方法，如快速成型過程，不需要切除或添加材料。疊層加工方法可以使用簡單的電極，節(jié)省了制造電極的工時和資金。而且，通過余等人提出的統(tǒng)一的策略，疊層方法也減少了復雜刀具的磨損補償。[1]. 趙，劉（哈爾濱工業(yè)大學）已經開發(fā)一個軟件系統(tǒng)來做上面提到的工作。該軟件通過使用STL的格式把工件空腔切成薄片。其中工件通過一套三角形的方面來描述[2]。因此，更復雜的腔和更平滑的表面都可以通過系統(tǒng)獲得。李等人（清華大學）用簡單的幾何體進行微電火花銑削小孔的實驗[3]。Meeusen等人演示了一個結合了半球面的小孔的蓋帽的例子[4]。在微細電火花銑削的過程中，如果小孔的形狀是有規(guī)律的或者很簡單，可以親手獲得數控代碼。只有當孔能被正確的數字方程描述時才能使用半自動編程。然而,許多自由表面可能無法實現通過上述編程方法。顯然，一個CAD/CAM系統(tǒng)絕對需要海量數據形成的輪廓和刀具路徑，而且需要復雜型腔的數控代碼。由于微細電火花銑削得本質，準備為機械切割制作商業(yè)化軟件是不合適的。本文介紹了一種具有執(zhí)行功能的專業(yè)從事微細電火花銑削的CAD/CAM系統(tǒng)。 2，電火花銑削的CAD/CAM算法 近年來，由于技術的發(fā)展，電火花銑削的領域中也使用了許多方法和算術。STL實體模型的格式的分層加工法已經普及了。主要是在STL格式的過程數據文件有兩項優(yōu)勢： （1）寬的輸入范圍。大多數3D表示法可以用三角邊界表示，因為曲面三角算法適用性廣，但在其他近似方案這種優(yōu)勢是不存在的。 （2）簡單的切片算法。對于一個切片算法，三角邊界表示是很簡單的（但不一定有效的），因為它只涉及處理一個三角形。而一個三角形的所有操作都是簡單的，準確的。 盡管有上述優(yōu)點，但在STL格式的數據文件中有三個重要的問題經常發(fā)生[5]： 1.三角邊界表示法帶來的邊界近似問題。 2.格式本身的相關問題。 3.有關數據轉換和算法傳輸的問題。 相比下面的IGES這一廣泛適用于CAD軟件的數據交換的格式，STL格式表明了不足之處。 1.文件大小。STL的大小是不必要的，因為文件格式的冗余中。平面的正常的信息是多余的，因為它的語義表達出允許計算出一個平面的頂點。此外，絕大多數的頂點都在文件中，因為他們屬于多個方面。這將更有效地指定每個頂點，讓擁有者從每個方面來參考。這也解決了相同的頂點在邏輯上不匹配的問題。 2.截斷誤差。它的頂點坐標一個平面的組成部分，是單精度數字,他們的實際數值被截斷。更是如此當對象是位于遠離起點，沒有拓撲信息的STL格式成為重要的截斷誤差。相關的意思是說,對象必須是位于積極的位置,也就是說,所有坐標必須有積極的價值。 3.不完備性。因為不存儲拓撲信息，STL格式不完全用三角邊界表示法描述。如果是現在，這種信息可以被用來加工工藝規(guī)劃的任務，如切片。 4.不一致的情況。一個STL文件可能有不一致的公差值，如果它是文件創(chuàng)建兩個不同的STL。此外，可能在STL模型的交集的兩個附加上有差距。 5.不一致的資料。小平面法線的翻轉，可能會導致與其他平面的方向不一致的。翻轉表面法線曲面時可能使在原來的表面定義不當。 6.不正確資料。明確指定的平面法線從不同平面頂點法線計算出來的，這可能是由于算法中的錯誤轉換。 為了解決上述問題，提出了一個CAD / CAD計算機輔助設計軟件系統(tǒng)的方法，來解決微型小腔與ED自由曲面的三維銑削。數控加工代碼生成是在solidWorks2001上實現功能，并在V+ +平臺上實現程序功能 。首先對工件精心設計，然后轉化為IGES格式。腔的幾何形狀小的加工可以很容易地描述成IGES格式。然后，生成的數據傳輸到處理程序中，計算和實現工件型腔的三維模型。如下是這個過程描述圖.1 生成的幾何模型 切片的幾何模型 數據錄入 NC代碼生成 生成的IGES文件 IGES文件的處理 在solidworks2001實現的功能 實現程序功能的VC++ 設 計 部 圖1.數控代碼生成過程 2.1.工件的輸入數據 工件數據在描述實體模型中是非常重要的。一些格式化的數據包括很多有用的信息，通常用于識別和計算幾何元素。在本文中, 描述幾何模型信息的IGES文件是輸入和處理。用vc++實現輸入功能。IGES文件中的信息是巨大的，編程的過程中不是所有的都是有用的。在攻擊過程中,只有與模型相關的信息才有用。在輸入數據中重視洞表面的信息。在IGES文件中,非均勻有理b樣條表面被定義為一個序列的結在u和v,控制點的網和每個權重值控制點中(重量的值為1,除非NURBS表面是理性的)。當地控制點的位置;改變遙控點的位置是沒有效果的。這可以被描述成公式(1): 在u 和v里一序列的結被輸入加工程序中，,然后把可以獲得的基函數作為公式(2) 2.2. 切片與自動編程系統(tǒng) 在本文中，通過分析NURBS信息提出了一種分層方法。工件的幾何學模型是由很多可以被數學描述的表面段組成的。有必要把整個表面段分成若干子段。切片過程，實際上就是獲得表面段上的相交線和一系列面。表面段的數量有計算交叉點的時間決定。通常情況下，NURBS曲面通過三次分為四個部分。所以向量u和v一般分為八個部分。在這里來選擇三參數集合 所以大量的子段在某些特定高度和面相交。因此,一些很短的交叉線產生相應的子段。但這樣的界限不能被看做是交叉面。相交線的端點被收集到程序里作為點列表。這些端點來計算三參數集合。根據三參數集合理論，讓S1(u,v)代表NURBS表面,S2(s,t)分別代表切面?？梢缘玫饺缦路匠蘙6]: t，q，s，r這些參數的作用在哪里和R(s，q，r) 代表了哪兩個相交的表面。 計算的時間取決于集合的精度和計算機的計算能力。在這一層, 采用P4-1.3GHz處理器和精密級10?7m的PC機大約需要15s完成數控代碼生成。然后,生成的端點按照一定的順序被連接在一起。通過這些命令端點,插值就可以完成很容易。因為相交, 產生的一系列交點來表示該切片輪廓。外形是通過使用這些離散點的雙弧形插值來獲得的如圖2所示圖形。 圖2. 在不同層次中描述電極的軌跡 每一組中位于較低面上的輪廓相交于不同的高度，而在較低面上的線是沒有放電的電極的軌跡。為了使加工各個方向上的面的磨損均勻，鄰近層次的加工路徑在不同的方向。如同圖2所描述的，第一層的加工方向是水平方向和從左到右。第三層的加工方向是垂直和由右至左如同圖2中的第二副圖所描述的。圖2中的第三和第四副圖的描述解決了與此相關的問題。這種方法也可以解決島腔結構。 圖3.清除殘留痕跡 2.3. 清除殘留痕跡 等參插值會被用于清除殘留遺跡。因此切片不需要被定義很薄。在插值中、向量u和向量v的步驟是首先必須初始化。清除殘留痕跡的效果取決于步驟的長度因素, 切片的厚度,刀具軌跡的重疊和電極的規(guī)格。圖3中所示,殘留痕跡,陰影部分表達在圖片上拆卸后殘留的痕跡。讓ξ表示清除殘留痕跡的效率,然后提出了方程 在方程（4）中，Δs是殘余的在圖片上的投影。當條件2w + d cos(α0) ? d ≥ 0,如果電極是圓柱形的，可以得到如下方程 其中L代表兩個重疊的刀具路徑中心之間的距離，W表示在平面上的痕跡的投影的寬，d表示電極的直徑如圖3中表明的。 通過方程（4）、（5）和圖3，至少可以知道兩個事實。首先, 選擇一個與之大小相適應的電極是很重要的，其次W是取決于切片的厚度和NURBS平面的各種曲率。對于等參插值,向量u和v的算法都是一樣的，因此下面只描述向量u的算法。首先，重要的是在第一個步驟里沿向量u劃分段，劃分的段可以用線來替換。然而，這將引起一個如下所述的問題。輪廓的體模型在切平面是由精密的雙弧形插值方法產生的，而在雙弧形插值的情況下各種連接的指向性。因此，可以預計擬合段應錄入凸線輪廓外面或的外部切線凸輪廓的里面。如圖4所描述的，虛線為擬合部分。 內擬合輪廓線 外擬合輪廓線 圖.4.擬合線 首先,要檢查擬合曲線是否是一條線。如果它是一條線，然后過程是非常容易的，否則,讓 把umid帶入方程（1），求出Pmid，所以在平面上定義點Pmid，點P1和P2.接下來，在正常的NURBS面中的點Pmid可以根據下面的方程（7）-（9）計算得到 不論向量u的輪廓是否突出，由如下可以知道，讓n投影到面p1p2pmid，并檢查投影與l0之間是否有交點。標準的輪廓總是與突出的相連接，所以這個判斷可以用下面的來代替。r1表示原點到l0的距離，r1/2表示r1的端點到中點的距離也表示中點到l0的距離。如果r1 < r2，可以定義輪廓突在外部，這時讓把l0作為直接插入的線段。如果r1 < r2，可以定義輪廓突在里面，在這種情況下，插值段由面p1p2pmid中回轉的曲線組成，而切線的投影沿著輪廓從起點到終點 。重要的是，為了避免跳過每個部分的清除殘留痕跡，應該確保向量u的插值段的投影到Z軸的長度必須不超過薄片C0的厚度?？梢杂孟旅娴牟坏仁絹砼袛? Z1是插值段的起點，Z1是插值段的終點，C0是切片的厚度。 如果不等式（10）不成立，可以修改步驟，將其減少為以前的1/2，所以有 3.電極的補償磨損 在加工過程中,針狀電極可以保持扁平在一層加工后。因此, 在均勻磨損的基礎上加工三維微結構的可以被認為是電極沿著三維工具路徑連續(xù)運動。然而, 在連續(xù)的加工中電極的長度變得越來越短，盡管針狀電極依然保持扁平,尤其對于一個微電極[7]。 當加工一個三維微結構,有必要對電極上磨損的長度進行補償。電極的磨損補可以通過評估電極磨損比例來得到。然而,當一個三維腔有不規(guī)則的幾何形狀和表面通過一般的數學方程難以描述時，評估電極的磨損率將變得十分的困難。此外,有復雜的腔的工件的不同加工部分的加工環(huán)境也不是相同。因此, 對維持機器的加工精度在線測量電極磨損是必要的。通過聯(lián)系一個標準的塊。系統(tǒng)讀取工具電極頭的位置,從而計算工具電極的磨損并做出有效的補償加工后或一定量后。 圖.5. 測量電極磨損 測量電極磨損的原理如圖5所示。電極移動到一個標準塊的頂部，然后向下直到接觸到標準塊的上表面。經過多次接觸,電極頭的平均位置可以計算出來。因此可以得到電極沿著經度方向的磨損。這次計算結果是下一個層補償的基礎。與此同時, 記錄下剩下來的電極長度。如果剩下的電極長度不夠下一層的加工,在線尋址產生一種新的有效的指定直徑的工具電極段。電極的直徑可以確保接觸標準的桿。 4．實驗驗證 由自行開發(fā)的CAD / CAM系統(tǒng)所產生的數控代碼將被下載到一個也是我們研究團隊所開發(fā)的微電火花設備中。不同于傳統(tǒng)電火花加工,為了確保微放電機有更高的精度和更敏感的運動控制系統(tǒng)、更先進得加工過程控制系統(tǒng)，微電極在線制造、微能量電子脈沖發(fā)生器是必備的。實驗的裝備如圖6所示。 圖.6.微電火花加工系統(tǒng) 機器基面由花崗石制成。一個三維運動單元包括一個精確的伺服機構和直流伺服電機驅動和102mm×102mm ×102mm。 一門精確的扶輪主軸固定在z軸的單位方向上。電極安裝在主軸上,主軸轉速從1000調整到25，000rpm。一個程序塊地址單元和一個線電極電火花磨削被用來制造在線微電極。一個遙控脈沖發(fā)生器產生高頻脈沖。計算機是用來控制和監(jiān)督加工過程。 隨著數控代碼的順序,一個典型的自由曲面被加工出來。數控代碼應首先送到在SolidWorks2001平臺工作的自行開發(fā)的CAM / CAM系統(tǒng)中。 在軟件上模擬加工過程中電極的路徑。插值包括線和弧[8]。 加工過程中有兩個步驟。第一步是要移除大部分厚重的腔。在粗選這一步,可以用大量脈沖電源。第二步的目的是去除殘留痕跡和表面修整。在這一步中,主軸轉速是相當高的但電容較低。圖7顯示的是光學顯微鏡下的照片和掃描式電子顯微鏡下的加工樣品的圖像。工件上孔的容積是1mm×0.4mm。最深為0.2mm。電極是用銅桿制作的、電極的直徑30um。 圖.7.三維自由微加工樣本 5.結論 基于算術分析和實驗觀察,可以得出以下結論: 1．對于微電火花銑削，IGES檔案的加工過程可以很好的描述實體模型的信息。雖然設計的是切片的實體模型，切片的輪廓信息也可以精確的得到、刀具路徑也可以產生。 2. 一個CAD / CAM系統(tǒng)是為了產生大量的工具電極的路徑和相關數控代碼開發(fā)的,它對微電火花銑削細小自由腔是很有用的。 3. 通過試驗證明，微電火花銑削的電極磨損補償算法可用于自由腔和降低殘余的痕跡。 參考文獻 [1]余祖元,T.Masuzawa,M.Fujino,簡單成形電極的三維微電火花加工,國際生產工程學會， 46 (1) (1997) 1–8. 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