【機械類畢業(yè)論文中英文對照文獻翻譯】3軸平端面銑床可加工性分析【PDF英文11頁word中文翻譯7634字16頁】【有出處】

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Frank 工業(yè)部及制造系統(tǒng)工程系 愛荷華州立大學 摘 要 本文提出一種可加工性幾何分析方法。該戰(zhàn)略的實施決定了由設(shè)置單一方向旋轉(zhuǎn)軸的多元化3軸加工業(yè)務處理可加工部分。來自立體幾何模型的切片用于切削組成多邊形鏈的每個不同環(huán)節(jié)。采取的片正交旋轉(zhuǎn)軸，因此，無論兩個和三個二維（2D和 3D）機械加工性能分析都從垂直和傾斜方向上計算。這種可加工方法擴展了對早期二維快速制造能見度分析和采用數(shù)控加工的原型設(shè)計組件。 關(guān)鍵詞 可加工性，工具易用性，數(shù)控加工，片幾何 1 導言 在各種各樣復雜曲面的零件設(shè)計上可加工性分析起到越來越重要的作用。當前計算機輔助制造CAM軟件由于刀具容易產(chǎn)生一套表面組成部分和切割方向。然而，確定安裝方向很困難且確定部分是否可以加工是很大的挑戰(zhàn)。一個適當?shù)陌惭b方向才能保證一個表面有效切斷，而一個不恰當?shù)臅粼谀承┑貐^(qū)過多材料。先進的5軸數(shù)控銑床似乎緩解了這一局面，但是成本和或編程的困難往往限制了5軸機床的廣泛使用。三軸銑床，由于經(jīng)濟和技術(shù)設(shè)備未成熟的原因，在multisetup設(shè)備幫助下對于復雜曲面加工進行特殊對待。 瑞和李【1】使用了旋轉(zhuǎn)傾斜式3軸機床來替代5軸球頭銑刀。緒伊特爾【2】提供了一個額外軸加工的理論依據(jù)。最近，弗蘭克【3】使用了3軸銑床和第4軸索引作為一個有效的快速成型機。銑刀被證明可以更好的匹配的零件幾何表面，較高的材料去除率，以及比球銑刀更長的刀具壽命【4】。葉和洛夫特斯【5】展示了在3軸機床上利用斜立銑刀生產(chǎn)低曲率表面的能力。然而，大表面曲率變化對機器來說有必要確定一個加工方向和在與每一個方向上相關(guān)聯(lián)的順與加工方式。因此，對于復雜零件來說成功創(chuàng)建實施一個有效的多方向的3軸可加工性分析是至關(guān)重要的。許多研究人員研究了加工性能分析和與之密切相關(guān)的工件安裝問題。大部分的方法都是基于光線的無障礙和能見度。蘇和慕克吉【6】提出了一個方法來確定可加工性的多面體對象。凸封閉對象由在封閉面對象水平方向上的每個正交可見的零件組成。然后，該部分被認為是在封閉對象的水平矢量方向進行切削的。后來，陳和胡利用能見度分析計算幾何球面【7】他們開始執(zhí)行了可用于確定工件安裝和機械的選擇幾何算法。湯【8】制定作為球形找到最大的交集多邊形的工件定位的問題。甘【9】討論它的性質(zhì)并提出了建設(shè)球形圖的有效方法：用高斯圖形計算能見度圖形。陳等【10】在球型凸多邊形領(lǐng)域解決3、4、5軸球頭銑刀確定工件最優(yōu)方向幾何問題。通過使用一個零件表面特定部分可以產(chǎn)生能見度圖形；因此，它不能保證整體無障礙。楊等【11】在凸面分析的基礎(chǔ)上不依賴圖形能見度來計算錐體能見度。尹等【12】定義完全可視性和部分能見度并提交了一份C空間為基礎(chǔ)來計算錐體能見度。在某些情況下，表面有一個很大的修改。瑞和康【14】建造了一個球形映射二進制數(shù)計算椎體能見度，以解決加工的配置問題，包括工件安裝定位。一個已用的三角形補丁是在單元球上測試整體能見度。達利瓦等?！?5】提出了用錐體無障礙來計算多面體對象的類似的方法，但必須有確切的數(shù)學條件和算法。巴拉蘇布拉馬尼亞姆等?！?6】通過計算機硬件分析能見度。弗蘭克等【17】分析了兩維的立體片整體可見性，并搜查了第四軸通過執(zhí)行一個算法來轉(zhuǎn)移刀具的加工方向。所有這些能見度為基礎(chǔ)的做法確定了可加工性的必要條件; 但是，他們忽視了幾何工具，因此，真正的可加工性是沒有保障。圖1顯示基于-線光能見度的錐體不能保證用大型工具加工的1段ij實現(xiàn)真正的無障礙。 圖1根據(jù)光線和工具的大小來實現(xiàn)無障礙 蘇和慕克吉【6】考慮通過抵消原來零件表面刀具半徑建立一個新的零件模型。通過此偏移零件來使實現(xiàn)可加工性得到進一步保證。此方法對球頭銑刀加工性分析是有效的。但現(xiàn)在沒有這樣平面銑刀, 因為通過工具傾斜角度的轉(zhuǎn)變平面銑刀的有效半徑也是可變的。Haghpassand和奧利弗[【18】和拉澤維奇和古德曼【19】考慮零件表面和刀具幾何形狀。不過，工具的大小是沒有考慮到，因為高斯映射不傳達任何部分的表面和工具的大小的信息。巴拉蘇布拉馬尼亞姆等?！?6,20】通過之前進行碰撞結(jié)果檢測的5軸加工刀具插補路徑來驗證工具的態(tài)勢。 在過去幾年，基于特征技術(shù)在制造業(yè)研究界有積極的作用Regli【21】Regli等?！?2】，和古普塔和鈕【23】通過計算功能無障礙的數(shù)量和檢驗與零件特征無障礙體相交來討論和檢查功能無障礙。古普塔和鈕【23】承認所有的加工操作，是由機器生成的計劃的一部分，并根據(jù)不同的計劃的設(shè)計需要進行檢查和評價。阿由古普塔等人制造的全面調(diào)查文件。[24]審查基于特征的可制造性評價系統(tǒng)。陳和沙【25】 在去除量和工件之間的功能分類和分析面臨的自由度來檢查功能無障礙。蓋恩斯等調(diào)解員制度的報告?！?6】用知識的生產(chǎn)設(shè)備，以確定在部分模型制作功能。測試與相交部分進行無障礙的研究。法拉杰【27】雙方討論了2.5維正面和負面的輔助功能。其他研究人員提出了功能為基礎(chǔ)的方法來確定工件設(shè)置【28-31】。 雖然基于特征的方法有能力來處理基于特征的設(shè)計，他們不能把自己放在自由曲面的定義功能可能不存在的地方。此外，基于特征的方法，建議所有的專題，包括幾何元素被視為一個實體。在實際上加以限制規(guī)定，成一個零件分析模型。例如，在一個方向可能是機器的一個零件特征的一部分，然后在一個或多個連續(xù)的方向上完成其余表面的功能。目前的問題是弗蘭克等人提出的基于快速加工戰(zhàn)略的文件的地址?！?】即一部分用設(shè)置一個單一的方向旋轉(zhuǎn)軸的多數(shù)3軸機床來加工。 圖2安裝快速加工程序 該戰(zhàn)略用帶第四軸索引的3軸數(shù)控銑床實施。圓的儲備材料是用來固定的兩個對立的夾頭與操作旋轉(zhuǎn)的索引。對于每個方向，所有可見的表面利用簡單的工具規(guī)劃加工路徑。每個工件通過設(shè)置碰撞抵銷來實施快速加工，可避免工具與持有人之間碰撞的危險。最大刀具直徑用來計算碰撞抵消使得在每一個碰撞不必要的部分抵銷這一功能，這種方法的性質(zhì)表明，沒有必要進行任何表面完全是在任何特定方向加工。我們的目標是在所有方向上簡化機械的所有表面。所需的機器模型旋轉(zhuǎn)次數(shù)與其幾何復雜性相關(guān)。圖3說明了創(chuàng)建一個典型的復雜零件采用這一戰(zhàn)略的過程步驟。 圖3快速加工過程步驟 當前，必要的切割方向是由不能進入正交旋轉(zhuǎn)軸的二維能見度圖決定的。幾何片的橫截面從一個用于二維能見度映射的STL模型來的。這些片由于生成的正交軸能見度接近了沿旋轉(zhuǎn)軸零件的整個表面。上述文獻的審查表明，現(xiàn)有的可加工方法無法計算設(shè)置的方向，這樣，人們可以機器上切削所有表面。因為以無論二維或三維椎體能見度為基礎(chǔ)的辦法沒有傳達的工具和工件的大小信息，因此，不能保證真正的無障礙，或基于特征的辦法不能應付復雜曲面加工，因為一些傳統(tǒng)功能可用自由形式確定零件表面。 一種有效的機械加工性能的分析方法是對multisetup 3成功實施軸端銑的先決條件，以達到需要的4 - 或許5軸加工。一種有效的可加工性分析方法，將決定，給予加工方向一個特定大小的立銑刀，有多少零件表面可以加工就這項加工方向相關(guān)聯(lián)。本文的重點是目前分析功能有無可加工性，用一軸的旋轉(zhuǎn)設(shè)置可以判斷所需的全部機器的零件表面設(shè)置編號。在本文所提出的機械加工性能分析方法完全有別于以往的工作。我們把表面部分見到了簡單的片上線段；因此，任何CAD模型可以導出為一個STL文件和研究。因為我們只是假定部分是旋轉(zhuǎn)軸加工；因此，它比簡單地分析三維表面幾何二維切片簡單得多。 本文的其余部分安排如下。在科2所使用的定義整個文件列?？?討論了進一步詳細可加工性分析方法，科4列出的可加工性分析方法的實施。最后，提供結(jié)論和未來的研究事業(yè)。 2 定義 盡管以前的研究人員已經(jīng)確定在其工作中的知名度和可加工性的概念，首先，相似的定義用來澄清可見性和可切削性之間的區(qū)別。其次，工具空間的概念介紹機器障礙空間的范圍。獲得確定可切削性的存在的情況。在本節(jié)規(guī)定的定義，用于在本文的其余部分隨后的討論。 ?能見度：表面S上的一個點p由是可見的外部點q發(fā)出了一個光線，如果滿足條件。 ?可加工性：表面S上的一個點p是由某類型和大小的工具T加工，如果、。T在刀具位置CL代表工具表面從方向接近。 根據(jù)定義，可切削性與可見性擁有可及性的同一個概念，但是他們并不相同，也就是說可切削性考慮到切割工具的大小和形狀而不是對待它作為光線。所以，可切削性可能保證真實的可及性，而可見性僅是可切削性的一個必要條件。因此，可見性是可切削性的一個子集。換句話說，可加工性可以保證能見度。 不同的是能見度角方向的表達，形成一個錐形物，有被用于描述可加工性的兩個參數(shù)。如果一種刀具的類型和大小是指定的話，他們是刀具位置和接近的方向。在接近的方向上僅允許切割工具接近和觸到第p點的刀具位置，可加工性沒有任何其他表面部分存在。 類似于一個特性的能見度的概念，一個特性的可加工性(一條線，一條曲線，或者由一套點組成的幾何學的一塊表面) 是屬于每個機械加工的該特征點。類似局部能見度的概念(PV)，除完全可切削性之外的概念的部份可切削性也可能被定義。 ?部分可加工性：如果在那個這樣的特性上至少存在一個點沒有刀具位置CL， 一個特性沿著方向是部分地可加工的。為了它存在滿足條件、。 ?完全可加工性：一個功能在方向上是完全可切削的，如果每個特征點至少有一個到位的CL能被用來保證、。 注意到，完全的可加工性可能為了一個點或者一個特性存在，而部分的可加工性僅僅為了一個特性存在，因為一個點只能是據(jù)說可加工或非可加工。 如果可切削性存在一個接近的取向，切實可行的刀具位置CLs的數(shù)字可能隨著一個表面上的不同的點變化。因為更可能是以CLs為工具道路和設(shè)定計劃，提供更多選擇與更加可行的CLs點則更加容易用機器制造。需要測量刀具的位置空間導致概念空間的工具。 工具功能F空間，是每一個屬于至F點工具空間聯(lián)盟，當在幾何學的實體周圍沒有障礙時，一個工具空間到達其最大限度工具價值空間。在這里，我們除去考慮部分之外的整個表面障礙。從而，相應的障礙空間被定義為障礙空間。 ?刀具空間：所有可行的刀具地點合計為從一個方向形成一個區(qū)域稱為工具的空間一點p，。 因為它將進入障礙，刀具不能進入障礙域空間。 計算工具空間是從最大限度工具空間減去所有障礙空間。 如果使用Eq計算工具空間。(1)不是空的，那么可加工性存在； 否則，幾何學的實體是非機器。在本文中提出的可加工性分析方法基于Eq。（2）。工具空間實際上是可切削性措施，因為它告訴可切削性的存在，如果它存在。 一旦工具空間被決定了，它導致的可加工的范圍能被獲得。 ?可加工范圍: 最高切削部分的特征功能給了符合功能范圍的刀具空間， 上述的定義將在整個本文的其余部分中被使用。 3 可加工性分析 本文提出的可切削性分析方法根據(jù)位形空間的概念（C空間）。機器人空間行動計劃首先由佩雷斯申請C空間的概念【32】。C空間的基本的想法是對于它周圍障礙的一種環(huán)境中的一種活動的機制里找到聚合有效的空間配置。最近，C空間已用于工具的多軸加工路徑規(guī)劃。蔡等人?！?3】提出一種基于C空間的方法，用工具加工的3軸數(shù)空機床制造通過變換被設(shè)計的部分表面在C空間的元素和切削刀作為在安全空間的一個移動的對象。以C空間代表和計算使用部分的Z地圖模型。蔡和高【34】被合并的C空間到自由形態(tài)模子洞用機器制造的電腦自動處理計劃里。 Morishige等。【35】使用C空間引起5軸圓頭槽銑刀的工具道路【36】5軸平端銑的優(yōu)化工具取向用在C空間的一個查尋方法。C空間的切割工具，被定義當在Sec.2的工具空間，為工具道路計劃提供安全空間;因此，基于C空間的工具道路總是半圓鑿自由沖撞。工具空間能被視為聚合所有可能的工具道路。如果工具空間存在，則至少一個工具道路可以引起零件表面對應的幾何點，因而，這個點有可加工性。所以，通過測試在表面的每點工具空間，這表面點是否有可加工性在理論上是可行的。 本文的可加工性方法沿著旋轉(zhuǎn)軸輸入的是一個STL模型的片段文件。一個STL模型是一個近似于三角形的部分，目前是事實上的快速原型系統(tǒng)的標準文件格式。鑲嵌工藝的設(shè)立指定使一個STL模型可以持續(xù)逼近誤差，部分表面和鑲嵌三角形之間的偏差。每一三角形的大小和形狀得創(chuàng)造對其部分表面上的當?shù)氐牡貐^(qū)是適應的。因此，與Choi使用Z地圖模型相比?！?3】，實質(zhì)上是一個相等間距抽樣模型，STL模型的切片文件是原始部分表面的一個更加精確和更加高效率的表示法。零件的STL模型的切的過程，也許是一個基于特點的部分或自由幾何形態(tài)，分解成許多線段的多邊形表面的部分。這些線段基本上是在本文提出的方法里唯一代表的“功能”。 其目的是繪制段或部分，在每個方向切削的部分，以便為取向的最低值，可以發(fā)現(xiàn)，這樣各階層在安裝方向完成后加工。每一片段文件的線片斷關(guān)于工具接近方向是或者是垂直或者是傾斜的。如果垂直的情況發(fā)生，對于每一那條線片斷上的點的障礙和他們的相應的障礙空間是同樣的。這實際上是靜態(tài)障礙情況。一二維的C空間分析同時能為了所有那些點被執(zhí)行，考慮到上述所有相鄰節(jié)段障礙。第3.1節(jié)詳細討論了垂直案。然而，如果被檢查的線片斷在工具方向上是傾斜的，則每個片段上的點的障礙是可變的。電動-障礙環(huán)境為機械加工分析程序產(chǎn)生困難。對于這一個情形的解決將會在段被呈現(xiàn)3.2。 3.1 垂直的情況： 用于本文的坐標系統(tǒng)與3軸銑削中心的一致，據(jù)此，部分切片沿x軸的機器發(fā)生的坐標系，每片是在YZ平面。我們使用Pi,jPi,j+1代表當前進行可切削性分析過程的段 圖4可加工性的垂直情況 3.2 傾斜情況： 3.2.1動態(tài)障礙物環(huán)境。對于多數(shù)案件的可切削性分析的線段，切口取向是沒有垂直，而是傾斜的。這制定在相當大的程度上不同于以前描述的僅僅有靜態(tài)障礙的垂直情況的可加工性分析。基本的原因是基于二維的C空間的靜態(tài)障礙可加工性分析不為了傾斜的情況工作，其特點是動態(tài)的障礙。用機器制造的每點最大工具空間在間接格之下是不變式半圈弧，在圖5顯示 圖5傾斜切割的最大工具空間 3.2.2有效的障礙的相對移動。雖然整個三維C空間不會為每線段修建，每一在不同的高度的障礙片斷的有效的障礙空間能被人們認為將有具有分析下面的點的相對的運動能力，指的是第6圖中的例子。 圖6有效障礙的變化 基于上述情況下，一旦階段的有效障礙屬于已知的的價值，挖出的空間弧工具可以計算如下： 對于第1階段dm。參數(shù)t來自參數(shù)。 所有點， 同為線段 3.2.3.2映射多邊形障礙 圖8在YZ平面上的多邊形障礙 圖9在DT平面上的多邊形障礙 3.2.4機械加工圖。 圖10機械加工圖 4 執(zhí)行 為了驗證本文提出的方法，可切削性算法可以用奔騰IV的C程序語言實施，在運行Windows XP的3.06 GHz的電腦上。可切削性軟件使用可見性數(shù)據(jù)切片，選擇末端工具的大小，并且作為一種指定的切割方向輸入。它可以生成每個切片段切削部分作為有關(guān)的切割方向輸出。我們提出二表面零件例子核實可切削性分析方法。第一部分是選擇非常簡單讓不可加工性對讀者更直觀。第二部分是一個更復雜的零件，一個玩具“杰克”，在逆向工程中的應用3D檢測軟件評價這部分。 圖11半圓柱體擠壓口袋的機械加工 例1圖12顯示了擠出一個半圓柱形的一塊，我們選擇旋轉(zhuǎn)正交軸45度方向作為切割方向。末端工具直徑設(shè)置為0.25英寸。切片間距是0.01英寸。從圖12顯示的可加工性分析結(jié)果，表明有二個不可加工性區(qū)域，標為S1和S2。因為這個是擠壓模型，沿轉(zhuǎn)動軸的幾何形狀不改變。所以在沿轉(zhuǎn)動軸的每個切片上的可切削性分析的結(jié)果應該相同。一個片段的可加工的概況在圖13（a）中被顯示。O-A-B，當B-C和D-E是不可加工區(qū)域時，C-D和E-F-G是可加工的區(qū)域。這部分實際上在Mastercam也是可加工性的。加工量被保存為STL文件，2004年進口到RapidForm。圖13 B顯示了通過使用RapidForm檢查跨本STL的截面輪廓。圖13（b）中顯示的配置方向是與水平線成45度方向。與圖14顯示的加工方向是相同的。O-A-B，C-D，并且E-F-G是可加工的地區(qū)，而在圖13（b）中B - C和D - E是不可加工性區(qū)域。從可加工性分析為了證實結(jié)果，二個坐標系分別在點和被設(shè)定。不可加工性邊界坐標點是從我們開發(fā)的可加工性分析軟件計算出來的，坐標在快速表格2004測量出來。每個點的坐標如表1所示。這些數(shù)據(jù)非常接近，并且該錯誤是可以使用STL近似預期和行掃雷算法找到切削區(qū)域。 圖12二維切屑概況示意圖 例2。第二部分模型為例，使用的是一個玩具“杰克”，首先分析了能見度，并利用這種方法進行可加工性分析。圖15顯示了杰克STL模型，由可視軟件處理這一個模型而且提供的結(jié)果模型是透過四定方位是100%看得見的。為了顯示能見度分析的缺陷，杰克可加工性區(qū)域和非可加工性區(qū)域由四個長方形顯示。 圖13杰克”的模式的加工結(jié)果 由于沿著旋轉(zhuǎn)軸變化的杰克片形狀模型，在不可加工性區(qū)域相應的改變，因此是不正常的形狀。為了表明，可加工性分析方法可以預測不可加工性地區(qū)，我們實際在MasterCAM以50度方向加工杰克并保存為一個加工后的STL虛擬文件。該文件是2004年進口到RapidForm，并與原有的CAD模型的重疊。利用RapidForm檢查職能，我們能夠映射出STL模型偏離原來的零件模型的加工路線。圖16說明了MasterCAM中加工表面零件模型旋轉(zhuǎn)了50度的方向。該地區(qū)的圓圈標記包含了不可加工性表面。圖17 B說明由RapidForm 2004導致的偏差。該器件模型顯示在著色模式，以顯示表面輪廓點。圖17（a）顯示了我們的可加工性分析軟件的結(jié)果，與它對應的圖17（b）顯示的圖形。 圖14在MasterCAM中杰克機械加工表面 圖15鑒定“杰克”的不可加工地區(qū) 以上的例子表明可加工性軟件不僅可預測STL模型切片可加工和不可加工區(qū)域，而且可以確定可加工部分的確切坐標位置。因此，給一種切割的方向和一個尺寸工具可以獲得可加工和不可加工部分精確信息。因此，尺寸工具可以評價某個設(shè)計制造商提供的產(chǎn)品。另一個應用程序可以確定用四軸機床設(shè)置部分加工最低數(shù)量。這可能是第一次實現(xiàn)了運行在減少，因為一個指定的增量角度間隔方向的機械加工軟件。然后使用優(yōu)化算法尋找設(shè)定方向的最低數(shù)量。在這種方式，本文提出的可加工性分析不被歸入一個核實工具，相反，它提供的信息可以用來計算加工安裝信息和工具、刀具路徑規(guī)劃。 5 結(jié)論和未來研究 本文提出了一種以C -空間概念為基礎(chǔ)的3軸平面端銑可加工性分析方法。這種方法是為了找到真正的近似光線能見度的無障礙。輸入信息是一個限制旋轉(zhuǎn)軸的STL文件切片幾何模型，該模型可以是基于特征或功能免費作為可加工性分析方法。本文提出不需要特征識別。相反，它分析了從STL的切片文件的基本幾何圖。除了檢查二維可加工，該分析方法還可以處理三維的機械加工。目前，我們的做法是僅限于3軸平面端銑。球頭立銑刀和圓角端銑刀的機械加工分析可能是未來研究重點。此外，如何擴展目前研究的4軸或者5軸銑削可能會納入另一給考慮范圍之內(nèi)。