外文翻譯--基于制造特征的三軸高速銑削數控自動編程技術（中文）

1、<p><b>　　中文3625字</b></p><p>　　基于制造特征的三軸高速銑削數控自動編程技術</p><p>　　孫全平 汪通悅 廖文和 何 寧</p><p>　　淮陰工學院數字化制造技術實驗室，淮安，223001，中國；</p><p>　　南京航空航天大學機電學院， 南京， 2

2、10016，中國）</p><p>　　摘要：運用面向對象技術，描述代加工工件的制造特征。利用最大模糊隸屬原則，實現了加工區(qū)域幾何制造特征的識別。以高速加工工藝數據庫和范例庫為支撐，采用IF-THEN規(guī)則和模糊匹配方法，提出了適合高速銑削加工工藝的工藝信息。提出了以切削時間短、加工成本低、表面質量高為目標的工藝方案尋優(yōu)模型，該模型有助于形成成功的加工范例。依據已有加工范例和提取的工藝信息，實現了3軸高速銑削加工的

3、自動編程。</p><p>　　關鍵詞：高速銑削；制造特征；工藝知識；數控編程</p><p>　　中圖分類號：TP391.73 文獻標識碼：A文章ID:1005-1120(2007)02-0150-07</p><p><b>　　簡介</b></p><p>　　CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)的重要性已廣泛被多數

4、制造業(yè)企業(yè)接受。許多研究者提出CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)模型是基于其特征的系統(tǒng)。但從設計和制造的觀點很難實現CAD/CAPP/CAM 的集成系統(tǒng)。例如普遍使用的UG、Cimatron、Mastercam等，這些CAD/CAM系統(tǒng)僅是從幾何信息得到刀具路徑。這種安排沒有從根本上提高自動化知識的程度。最近兩年，許多行業(yè)廣泛使用高速加工技術。它有許多加工優(yōu)勢，尤其數控安全性高，生產效率高，加工性能好等優(yōu)勢。所以基于制造特征的三軸數控技術

5、應用于高速加工技術，來提高自動化知識的程度，并提高加工效率。</p><p>　　制造特征的表達和區(qū)別</p><p>　　通常，制造特征可分為幾何制造特征和非幾何制造特征。為提高其可重復性和可擴展性，制造特征被描述為面向對象技術。在高速加工技術中，切削區(qū)域的幾何制造特征通常被定義為凹穴和輪廓。凹穴屬性間的關系圖如圖1。</p><p>　　基礎項目：由江蘇省自然科

6、學基金會（BK2006060）和江蘇省基礎自然科學研究所（06KJA46005）支持。</p><p>　　接收日期：2006-06-27；修改接受日期：2007—3-20</p><p>　　電子郵箱：sunquanping@sohu.com</p><p>　　圖1 凹處制造特征模型</p><p><b>　　制造特征的辨別&

7、lt;/b></p><p>　　凹穴和輪廓的辨別可以通過切削區(qū)域的水平邊際和最大范圍的水平投影邊際間的包含關系辨別。如果后者包含前者，為凹穴，否則，為輪廓。底部形狀、高度和過度圓角的制造特征可以從在切削區(qū)域垂直面和曲面的交叉點獲得。凹穴和孤島間最小距離，孤島與切削區(qū)域的一般制造特征可由以下算法算出。</p><p>　　1.2.1幾何制造特征間最小距離的計算</p>

8、<p>　　1.2.1.1凹穴和孤島間最小距離的計算</p><p>　　（1）計算最大范圍內的凹穴和所有孤島（見圖2） </p><p>　?。?）在凹穴獲得孤島的四個極端位置：左，右，上，下</p><p>　　(3)計算凹穴和孤島的最小距離見（見圖3） </p><p>　?。?）確定

9、最小距離 圖2 凹穴與孤島</p><p>　　圖3 dmin 算法流程圖</p><p>　　1.2.1.2 計算孤島間的最小距離</p><p>　?。?）在孤島鏈表中計算孤島數量N，設置最小距離dmin和可變量i（1,2，…，N-1）。如果N=0，調至步驟（7）。</p>

10、<p>　?。?）在給定孤島順序的列表中獲得第一個孤島（間圖2）</p><p>　?。?）N==1？判斷為真調至步驟（7）；判斷為假，進入下一步驟。</p><p>　?。?）在（N-1）個孤島中獲得第i（i>1）個孤島。</p><p>　　（5）計算第i個孤島與第一個孤島間的距離。這一問題也是二分法求解的方法。假設邊緣-環(huán)的偏置距離（O-D）為

11、H，這個孤島的邊緣-環(huán)外偏置，從而產生邊緣-環(huán)偏移量，第i個孤島的外偏置產生第i個孤島的邊緣-環(huán)外偏置。該計算孤島間距離的方法和計算凹穴與孤島間最小方法相同。</p><p>　?。?）i=N-1?判斷為真時，從孤島列表中刪除此孤島，回到操作（1）；判斷為假時，i=i+1，回到操作（4）。</p><p><b>　?。?）確定最小距離</b></p>

12、<p>　　然后確定精加工刀具的直徑D=</p><p>　　1.2.2對稱和旋轉的模糊識別</p><p>　　定義1：△是在切削區(qū)域特征元素的對稱和旋轉誤差。</p><p>　　a，b為凹穴或輪廓周邊的側邊長。</p><p>　　定義2：E為誤差特征元素中心與給定的對稱和旋轉中心的誤差。</p><p&g

13、t;　　E=||Ci-Cc||</p><p>　　定義3：A為切削區(qū)域和一水平面（如島環(huán)或主環(huán)、孔環(huán)，j=1，……，m）產生交集的模糊集合，切削區(qū)域和水平面屬于對稱和旋轉中心給定的中心，為其隸屬函數。</p><p>　　在模糊集合A中是由各級不同特征元素組成，如果隸屬的特征元素在各級中都不存在，則令其為1.</p><p>　　定義4：為屬于對稱和旋轉部件的區(qū)域

14、特征的模糊結合，</p><p>　　在切削區(qū)域辨別一般制造特征可用如下的方法：</p><p>　　步驟1：調用部分模型和無制造特征的輸入信息。</p><p>　　步驟2：提取切削區(qū)域的特征，識別切削區(qū)域（凹穴和輪廓）。</p><p>　　步驟3：區(qū)分特征元素是否為可旋轉部件。</p><p><b>

15、　　可旋轉部件</b></p><p><b>　　不可旋轉部件</b></p><p>　　步驟4：判斷u≥U（U為臨界值）。如果判斷為“假”，則此切削區(qū)域無對稱性，轉至“結束”。如果判斷為“真”，判斷，如果判斷為“假”，此切削區(qū)域有對稱性，結束區(qū)分。如果判斷為“真”。此切削區(qū)域有旋轉特征。</p><p>　　在計算切削區(qū)域制造

16、特征的模糊程度后，一般切削區(qū)域的制造特征類型即可判定。此外，初加工和精加工的刀具路徑也可選定。如果制造特征被判斷為無孤島的凹穴，凹穴底部為平面，則擺線刀具路徑類型可以首先選擇（見圖4）。如果制造特征被判斷為無孤島的凹穴，凹穴底部為曲面，刀具路徑的弧連接樣式首先被選擇（見圖5）.如果制造特征判斷為有孤島的凹穴，則刀具循環(huán)路徑可以首先選擇（見圖6）。如果制造特征判斷為無突起的輪廓，且輪廓具有旋轉性，則刀具螺旋路徑可以首先確定（見圖7）。如果

17、制造特征判斷為有突起的輪廓，且輪廓無旋轉性，則刀具路徑線-弧連接樣式可以首先確定（見圖8）。這些刀具路徑樣式適用于高速加工技術，且在平滑度上有優(yōu)勢。</p><p>　　圖4 擺線刀具路徑 圖5 弧聯結的刀具路徑</p><p>　　圖6 環(huán)路刀具路徑 圖7 螺旋刀具路徑</p><p>　　圖

18、8 線-弧聯結刀具路徑</p><p>　　2.高速加工技術優(yōu)化模型的工藝方案</p><p>　　高速加工技術的優(yōu)化工藝方案包含許多問題，例如工件特點、刀具、機床和刀具路徑類型等。為了找出時間短、花費低和高質量的優(yōu)化組合資源，提出一個如下的綜合評價模型：</p><p><b>　　步驟1：目標函數</b></p><p&

19、gt;　　制造時間 Tm= （2）</p><p>　　D為有效直徑；Vc為切削速度；L為刀具路徑的全長；為每齒進給量；為切削深度；為軸向切削深度 ；z為齒數。</p><p>　　刀具使用壽命 （3）</p><p>　　為刀具使用壽命系數，為優(yōu)化切削路徑系數（1.0 ~ 1.3）；為徑向切削深度。 </p>

20、<p>　　加工成本 （4）</p><p>　　F為機床和操作的成本；為單個刀具成本；為更換刀具時間；為全部切削時間。</p><p>　　步驟2：綜合評價模型處理方案</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　、和都為加權系數，他們的和為1。、和為平衡系數，以傳統(tǒng)數控

21、加工時間、成本和質量作為參考分析。它們可以由其它方式確定。為表面質量，表現在表面粗糙度上。對于圓頭槽銑刀，近似等于 （6）</p><p>　　為算術平均偏差系數，約為300；為的兩個相鄰的刀具接觸點和水平面之間的銳角；C為最小算數偏差，約為0.2，它與刀具邊緣類型、機械加工表面塑性變形和機床的震動等因素有關。</p><p><b>　　步驟3：

22、目標最優(yōu)化</b></p><p>　　對材料去除率（MRR）的影響是客觀存在的。如果加工部分價格非常高，使用大進給量和大切削深度的切削參數。、和分別選用0.6、0.4和0。</p><p>　　半精加工是粗加工和精加工之間的過度過程。它主要目標是提高工件表面質量。、和分別選用0.3、0.25和0.45。</p><p>　　精加工的目的是高表面質量。一

23、般來講，在精加工中密集的刀具路徑規(guī)劃和切削時間相對較長，通常要花好幾個小時甚至超過十個小時來加工大型零件。具有特殊要求的表面質量和復雜的結構時，、和分別選用0.2、0.2和0.6。</p><p>　　3.高速加工技術的知識提取</p><p>　　過程-知識提取如下（見圖9）</p><p>　　圖9 過程—知識提取</p><p>　

24、　規(guī)則應用到實體之間的關系表達那些信息是一個知識單元。生產規(guī)則在本文中有應用，并給出如下一個例子：</p><p>　　如果 m_sMachining_feature_str==“輪廓”；//制造特征為輪廓</p><p>　　m_sPartmaterial_str==“alloy-steel” ；//零件材料為合金-鋼</p><p>　　m_sMaterialh

25、ard_str<=35;//材料硬度為35HRC</p><p>　　m_sWorking procedure_style==“rough_mill”;//對于高速加工技術加工程序為粗加工</p><p>　　THEN tmpDB-> Open(”? \\HSMCutting—toolBase．mdb”)；//刀具基于高速加工技術</p><p>　　m

26、—pDB- > GetTableDeflnfo(0，tabInfo);//得到粗加工刀具凹穴信息和材料硬度為35HRC。</p><p>　　依據制造特征，采用推理算法規(guī)則，得出了一些加工進程信息。因此，可以通過高速加工技術的優(yōu)化模型來提取合理的工藝優(yōu)化工藝方案。</p><p><b>　　4.應用</b></p><p>　　基于高速

27、加工工藝的自動編程技術的制造特征應用于Superman CAM Ⅱ系統(tǒng)。將此方法應用于洗衣機葉輪凸模的制造，凸輪的尺寸為630mm×600mm×200mm，拔模斜度為1°，切削區(qū)域精度為IT6，表面粗糙度為0.4。凸模材料為Cr12MoV。驅動程序的知識如下：</p><p>　　圖10 驅動模型 圖11 無制造特征對話框</p&g

28、t;<p>　　步驟1 啟動程序，裝載葉輪模式（見圖10）</p><p>　　步驟2 打開知識驅動加工子菜單，在對話框內輸入無制造特征信息（見圖11），獲取切削區(qū)域的邊際及其特征。該系統(tǒng)在窗口后運行，生成一些加工信息并利用優(yōu)化模型進行加工過程優(yōu)化，從而生成局部地區(qū)有建設性的加工方案。合理的進程計劃應包括從刀具和機床獲得的基礎信息（見表1）。</p><p>　　步驟3 根據

29、此加工方案，生成適合高速加工技術的粗加工和精加工刀具路徑(見圖12)。</p><p><b>　　表一 加工進程</b></p><p>　　圖12 凸模葉輪高速切削的刀具路徑</p><p><b>　　5.總結</b></p><p>　　在本文中介紹了基于制造特征的自動編程技術。這是基

30、于CAM技術的技術探討。此技術使技術復制知識成為可能，并在一些程度上減少了對操作工的經驗要求。加工方案是由實證數據庫支持，并汲取基于加工實例和加工方案的優(yōu)化模型，所以此加工方案是適當和實用的。面向對象技術提供了一種方便、快捷的方式來描述、管理和擴展過程知識。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 范玉青 《現代飛機制造技術》 北京

31、航空航天大學出版社 2001（中文版）：453-471</p><p>　　[2] Hayong Shin, Oiling Gustav J, Chung Yun C等 《沖壓模具加工的綜合CAPP/CAM系統(tǒng)》計算機輔助設計，2003,35（2）：203-213</p><p>　　[3] Xu W X，t He Q 《CAD，CAPP，CAM和CNC的全面整合》 計

32、算機輔助設計 2004,20（2）：101-109</p><p>　　[4] 喬梁，馬云飛，李元等 《基于特征知識的CAM系統(tǒng)設計方法》 西北工業(yè)大學學報 2008,18（1）：83-86（中文）</p><p>　　[5]安利保，陳明遠 《加工參數優(yōu)化[C]》//第四屆國際自動控制化會議蒙特利爾魁北克 2003:5-10</p><p>　　[6] Juan

33、 H，Yu S F，Lee B Y 《高速加工中SKD高速鋼切削參數的優(yōu)化選擇》機床制造國際會議 2003,43（7）；679-686.</p><p>　　[7] Ihsan Sonmez A，Baykasoglu Adil，Dereli T0kay等。《通過集合編程的多通道銑削操作動態(tài)優(yōu)化[J]》。機床制造國際會議，1999,39（2）：297-320 </p><p>　　[8]

34、 Schulz H 《高速切削的原因》 高速加工國際研討會。南京[s.n.],2004:1-20</p><p>　　[9] Chen Jenq—Shyong，Yung—Kuo Huang，Mao—SonChen 《優(yōu)化進給率和球形刀具輪廓銑削過程的高效率》 機床制造國際會議，2005,45（9）：1070-1076.</p><p>　　[10] Wassila Bouzid 《高速轉