【機(jī)械類(lèi)畢業(yè)論文中英文對(duì)照文獻(xiàn)翻譯】微電火花銑削三維自由曲面的CADCAM系統(tǒng)
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2011屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文
文獻(xiàn)翻譯
學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化
姓 名： 顧曉晨
學(xué) 號(hào)： 070607210
(用外文寫(xiě))
外文出處：Journal of Materials Processing Technology 149 (2004) 773 – 578
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文
附件1：外文資料翻譯譯文
微電火花銑削三維自由曲面的CAD/CAM系統(tǒng)
趙萬(wàn)生，楊洋，王振龍,張勇
機(jī)械工程學(xué)系，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱150001，中國(guó)
摘要
微電火花銑削與微電極因?yàn)榧庸ぴ硖厥夂涂梢约庸じ鞣N材料被認(rèn)為是一種很好的加工三維微結(jié)構(gòu)的方法。然而，為了生成刀具路徑和相關(guān)的加工工藝需要專(zhuān)門(mén)的CAD/CAM系統(tǒng)。由于加工方式和工具電極幾何性質(zhì)，始終會(huì)留下一些痕跡，尤其是對(duì)復(fù)雜的表面，不能用正規(guī)方程來(lái)表示電火花銑削加工的三維結(jié)構(gòu)的表面。為了解決加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘留痕跡，本文提出了一種用微型電火花加工切割方式。為了獲得光滑的表面，應(yīng)該系統(tǒng)研究刀具的路徑生成的方式和算法。同時(shí)，采用等參插值的方法，分層加工自由曲面使其得到了顯著的改善。最后通過(guò)加工一些典型的三維結(jié)構(gòu)，如直徑小于1mm范圍內(nèi)的人臉的雕刻加工等進(jìn)行了驗(yàn)證。
? 2004 Elsevier B.V. All rights reserved
關(guān)健詞：微電火花銑削；CAD/CAM系統(tǒng)；微細(xì)電火花加工；電火花銑削；CAD/CAM；自由。
1，簡(jiǎn)介
在電火花加工過(guò)程中，電極通常是由機(jī)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(guò)總加工開(kāi)支的三分之一。尤其是在準(zhǔn)備加工一個(gè)微腔之前加工一個(gè)三維自由曲面的微電極更為困難。Masuzawa和余教授 (東京大學(xué))提出了一種層壓加工方法，微放電加工過(guò)程中采用把三維加工過(guò)程簡(jiǎn)化為二維的層層掃描的方法，如快速成型過(guò)程，不需要切除或添加材料。疊層加工方法可以使用簡(jiǎn)單的電極，節(jié)省了制造電極的工時(shí)和資金。而且，通過(guò)余等人提出的統(tǒng)一的策略，疊層方法也減少了復(fù)雜刀具的磨損補(bǔ)償。[1]. 趙，劉（哈爾濱工業(yè)大學(xué)）已經(jīng)開(kāi)發(fā)一個(gè)軟件系統(tǒng)來(lái)做上面提到的工作。該軟件通過(guò)使用STL的格式把工件空腔切成薄片。其中工件通過(guò)一套三角形的方面來(lái)描述[2]。因此，更復(fù)雜的腔和更平滑的表面都可以通過(guò)系統(tǒng)獲得。李等人（清華大學(xué)）用簡(jiǎn)單的幾何體進(jìn)行微電火花銑削小孔的實(shí)驗(yàn)[3]。Meeusen等人演示了一個(gè)結(jié)合了半球面的小孔的蓋帽的例子[4]。在微細(xì)電火花銑削的過(guò)程中，如果小孔的形狀是有規(guī)律的或者很簡(jiǎn)單，可以親手獲得數(shù)控代碼。只有當(dāng)孔能被正確的數(shù)字方程描述時(shí)才能使用半自動(dòng)編程。然而,許多自由表面可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)通過(guò)上述編程方法。顯然，一個(gè)CAD/CAM系統(tǒng)絕對(duì)需要海量數(shù)據(jù)形成的輪廓和刀具路徑，而且需要復(fù)雜型腔的數(shù)控代碼。由于微細(xì)電火花銑削得本質(zhì)，準(zhǔn)備為機(jī)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(zhuān)業(yè)從事微細(xì)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(lái)，由于技術(shù)的發(fā)展，電火花銑削的領(lǐng)域中也使用了許多方法和算術(shù)。STL實(shí)體模型的格式的分層加工法已經(jīng)普及了。主要是在STL格式的過(guò)程數(shù)據(jù)文件有兩項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：
（1）寬的輸入范圍。大多數(shù)3D表示法可以用三角邊界表示，因?yàn)榍嫒撬惴ㄟm用性廣，但在其他近似方案這種優(yōu)勢(shì)是不存在的。
（2）簡(jiǎn)單的切片算法。對(duì)于一個(gè)切片算法，三角邊界表示是很簡(jiǎn)單的（但不一定有效的），因?yàn)樗簧婕疤幚硪粋€(gè)三角形。而一個(gè)三角形的所有操作都是簡(jiǎn)單的，準(zhǔn)確的。
盡管有上述優(yōu)點(diǎn)，但在STL格式的數(shù)據(jù)文件中有三個(gè)重要的問(wèn)題經(jīng)常發(fā)生[5]：
1.三角邊界表示法帶來(lái)的邊界近似問(wèn)題。
2.格式本身的相關(guān)問(wèn)題。
3.有關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和算法傳輸?shù)膯?wèn)題。
相比下面的IGES這一廣泛適用于CAD軟件的數(shù)據(jù)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?yàn)槲募袷降娜哂嘀?。平面的正常的信息是多余的，因?yàn)樗恼Z(yǔ)義表達(dá)出允許計(jì)算出一個(gè)平面的頂點(diǎn)。此外，絕大多數(shù)的頂點(diǎn)都在文件中，因?yàn)樗麄儗儆诙鄠€(gè)方面。這將更有效地指定每個(gè)頂點(diǎn)，讓擁有者從每個(gè)方面來(lái)參考。這也解決了相同的頂點(diǎn)在邏輯上不匹配的問(wèn)題。
2.截?cái)嗾`差。它的頂點(diǎn)坐標(biāo)一個(gè)平面的組成部分，是單精度數(shù)字,他們的實(shí)際數(shù)值被截?cái)?。更是如此?dāng)對(duì)象是位于遠(yuǎn)離起點(diǎn)，沒(méi)有拓?fù)湫畔⒌腟TL格式成為重要的截?cái)嗾`差。相關(guān)的意思是說(shuō),對(duì)象必須是位于積極的位置,也就是說(shuō),所有坐標(biāo)必須有積極的價(jià)值。
3.不完備性。因?yàn)椴淮鎯?chǔ)拓?fù)湫畔?，STL格式不完全用三角邊界表示法描述。如果是現(xiàn)在，這種信息可以被用來(lái)加工工藝規(guī)劃的任務(wù)，如切片。
4.不一致的情況。一個(gè)STL文件可能有不一致的公差值，如果它是文件創(chuàng)建兩個(gè)不同的STL。此外，可能在STL模型的交集的兩個(gè)附加上有差距。
5.不一致的資料。小平面法線的翻轉(zhuǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致與其他平面的方向不一致的。翻轉(zhuǎn)表面法線曲面時(shí)可能使在原來(lái)的表面定義不當(dāng)。
6.不正確資料。明確指定的平面法線從不同平面頂點(diǎn)法線計(jì)算出來(lái)的，這可能是由于算法中的錯(cuò)誤轉(zhuǎn)換。
為了解決上述問(wèn)題，提出了一個(gè)CAD / CAD計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的方法，來(lái)解決微型小腔與ED自由曲面的三維銑削。數(shù)控加工代碼生成是在solidWorks2001上實(shí)現(xiàn)功能，并在V+ +平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)程序功能 。首先對(duì)工件精心設(shè)計(jì)，然后轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚沓绦蛑校?jì)算和實(shí)現(xiàn)工件型腔的三維模型。如下是這個(gè)過(guò)程描述圖.1
生成的幾何模型
切片的幾何模型
數(shù)據(jù)錄入
NC代碼生成
生成的IGES文件
IGES文件的處理
在solidworks2001實(shí)現(xiàn)的功能
實(shí)現(xiàn)程序功能的VC++
設(shè) 計(jì) 部
圖1.數(shù)控代碼生成過(guò)程
2.1.工件的輸入數(shù)據(jù)
工件數(shù)據(jù)在描述實(shí)體模型中是非常重要的。一些格式化的數(shù)據(jù)包括很多有用的信息，通常用于識(shí)別和計(jì)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(shí)現(xiàn)輸入功能。IGES文件中的信息是巨大的，編程的過(guò)程中不是所有的都是有用的。在攻擊過(guò)程中,只有與模型相關(guān)的信息才有用。在輸入數(shù)據(jù)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(gè)序列的結(jié)在u和v,控制點(diǎn)的網(wǎng)和每個(gè)權(quán)重值控制點(diǎn)中(重量的值為1,除非NURBS表面是理性的)。當(dāng)?shù)乜刂泣c(diǎn)的位置;改變遙控點(diǎn)的位置是沒(méi)有效果的。這可以被描述成公式(1):
在u 和v里一序列的結(jié)被輸入加工程序中，,然后把可以獲得的基函數(shù)作為公式(2)
2.2. 切片與自動(dòng)編程系統(tǒng)
在本文中，通過(guò)分析NURBS信息提出了一種分層方法。工件的幾何學(xué)模型是由很多可以被數(shù)學(xué)描述的表面段組成的。有必要把整個(gè)表面段分成若干子段。切片過(guò)程，實(shí)際上就是獲得表面段上的相交線和一系列面。表面段的數(shù)量有計(jì)算交叉點(diǎn)的時(shí)間決定。通常情況下，NURBS曲面通過(guò)三次分為四個(gè)部分。所以向量u和v一般分為八個(gè)部分。在這里來(lái)選擇三參數(shù)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(chǎn)生相應(yīng)的子段。但這樣的界限不能被看做是交叉面。相交線的端點(diǎn)被收集到程序里作為點(diǎn)列表。這些端點(diǎn)來(lái)計(jì)算三參數(shù)集合。根據(jù)三參數(shù)集合理論，讓S1(u,v)代表NURBS表面,S2(s,t)分別代表切面。可以得到如下方程[6]:
t，q，s，r這些參數(shù)的作用在哪里和R(s，q，r) 代表了哪兩個(gè)相交的表面。
計(jì)算的時(shí)間取決于集合的精度和計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。在這一層, 采用P4-1.3GHz處理器和精密級(jí)10?7m的PC機(jī)大約需要15s完成數(shù)控代碼生成。然后,生成的端點(diǎn)按照一定的順序被連接在一起。通過(guò)這些命令端點(diǎn),插值就可以完成很容易。因?yàn)橄嘟? 產(chǎn)生的一系列交點(diǎn)來(lái)表示該切片輪廓。外形是通過(guò)使用這些離散點(diǎn)的雙弧形插值來(lái)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(méi)有放電的電極的軌跡。為了使加工各個(gè)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(guān)的問(wèn)題。這種方法也可以解決島腔結(jié)構(gòu)。
圖3.清除殘留痕跡
2.3. 清除殘留痕跡
等參插值會(huì)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(zhǎng)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(dá)在圖片上拆卸后殘留的痕跡。讓?duì)伪硎厩宄龤埩艉圹E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(dāng)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(gè)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(guò)方程（4）、（5）和圖3，至少可以知道兩個(gè)事實(shí)。首先, 選擇一個(gè)與之大小相適應(yīng)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(duì)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(gè)步驟里沿向量u劃分段，劃分的段可以用線來(lái)替換。然而，這將引起一個(gè)如下所述的問(wèn)題。輪廓的體模型在切平面是由精密的雙弧形插值方法產(chǎn)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(yù)計(jì)擬合段應(yīng)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(nèi)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(guò)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(diǎn)Pmid，點(diǎn)P1和P2.接下來(lái)，在正常的NURBS面中的點(diǎn)Pmid可以根據(jù)下面的方程（7）-（9）計(jì)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(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)的輪廓總是與突出的相連接，所以這個(gè)判斷可以用下面的來(lái)代替。r1表示原點(diǎn)到l0的距離，r1/2表示r1的端點(diǎn)到中點(diǎn)的距離也表示中點(diǎn)到l0的距離。如果r1 < r2，可以定義輪廓突在外部，這時(shí)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(zhuǎn)的曲線組成，而切線的投影沿著輪廓從起點(diǎn)到終點(diǎn) 。重要的是，為了避免跳過(guò)每個(gè)部分的清除殘留痕跡，應(yīng)該確保向量u的插值段的投影到Z軸的長(zhǎng)度必須不超過(guò)薄片C0的厚度。可以用下面的不等式來(lái)判斷
Z1是插值段的起點(diǎn)，Z1是插值段的終點(diǎn)，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(bǔ)償磨損
在加工過(guò)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(chǔ)上加工三維微結(jié)構(gòu)的可以被認(rèn)為是電極沿著三維工具路徑連續(xù)運(yùn)動(dòng)。然而, 在連續(xù)的加工中電極的長(zhǎng)度變得越來(lái)越短，盡管針狀電極依然保持扁平,尤其對(duì)于一個(gè)微電極[7]。 當(dāng)加工一個(gè)三維微結(jié)構(gòu),有必要對(duì)電極上磨損的長(zhǎng)度進(jìn)行補(bǔ)償。電極的磨損補(bǔ)可以通過(guò)評(píng)估電極磨損比例來(lái)得到。然而,當(dāng)一個(gè)三維腔有不規(guī)則的幾何形狀和表面通過(guò)一般的數(shù)學(xué)方程難以描述時(shí)，評(píng)估電極的磨損率將變得十分的困難。此外,有復(fù)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(duì)維持機(jī)器的加工精度在線測(cè)量電極磨損是必要的。通過(guò)聯(lián)系一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的塊。系統(tǒng)讀取工具電極頭的位置,從而計(jì)算工具電極的磨損并做出有效的補(bǔ)償加工后或一定量后。
圖.5. 測(cè)量電極磨損
測(cè)量電極磨損的原理如圖5所示。電極移動(dòng)到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)塊的頂部，然后向下直到接觸到標(biāo)準(zhǔn)塊的上表面。經(jīng)過(guò)多次接觸,電極頭的平均位置可以計(jì)算出來(lái)。因此可以得到電極沿著經(jīng)度方向的磨損。這次計(jì)算結(jié)果是下一個(gè)層補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)。與此同時(shí), 記錄下剩下來(lái)的電極長(zhǎng)度。如果剩下的電極長(zhǎng)度不夠下一層的加工,在線尋址產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)的桿。
4．實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
由自行開(kāi)發(fā)的CAD / CAM系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)控代碼將被下載到一個(gè)也是我們研究團(tuán)隊(duì)所開(kāi)發(fā)的微電火花設(shè)備中。不同于傳統(tǒng)電火花加工,為了確保微放電機(jī)有更高的精度和更敏感的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、更先進(jìn)得加工過(guò)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(shí)驗(yàn)的裝備如圖6所示。
圖.6.微電火花加工系統(tǒng)
機(jī)器基面由花崗石制成。一個(gè)三維運(yùn)動(dòng)單元包括一個(gè)精確的伺服機(jī)構(gòu)和直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和102mm×102mm ×102mm。 一門(mén)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(zhuǎn)速?gòu)?000調(diào)整到25，000rpm。一個(gè)程序塊地址單元和一個(gè)線電極電火花磨削被用來(lái)制造在線微電極。一個(gè)遙控脈沖發(fā)生器產(chǎn)生高頻脈沖。計(jì)算機(jī)是用來(lái)控制和監(jiān)督加工過(guò)程。
隨著數(shù)控代碼的順序,一個(gè)典型的自由曲面被加工出來(lái)。數(shù)控代碼應(yīng)首先送到在SolidWorks2001平臺(tái)工作的自行開(kāi)發(fā)的CAM / CAM系統(tǒng)中。 在軟件上模擬加工過(guò)程中電極的路徑。插值包括線和弧[8]。
加工過(guò)程中有兩個(gè)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(zhuǎn)速是相當(dāng)高的但電容較低。圖7顯示的是光學(xué)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(jié)論
基于算術(shù)分析和實(shí)驗(yàn)觀察,可以得出以下結(jié)論:
1．對(duì)于微電火花銑削，IGES檔案的加工過(guò)程可以很好的描述實(shí)體模型的信息。雖然設(shè)計(jì)的是切片的實(shí)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(chǎn)生。
2. 一個(gè)CAD / CAM系統(tǒng)是為了產(chǎn)生大量的工具電極的路徑和相關(guān)數(shù)控代碼開(kāi)發(fā)的,它對(duì)微電火花銑削細(xì)小自由腔是很有用的。
3. 通過(guò)試驗(yàn)證明，微電火花銑削的電極磨損補(bǔ)償算法可用于自由腔和降低殘余的痕跡。
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附件2：外文原文
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