[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】3轴平端面铣床可加工性分析-中文翻译

南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 毕业设计 (论 文 )外文 资 料翻 译 系： 机械工程系 专 业： 机械工程及自 动 化 姓 名： 张炜 澍 学 号： 060104245 外文出处： Department of Industrial and Manufacturing Systems Engineering 附 件： 1.外文 资 料翻 译译 文； 2.外文原文。 指导教师评语： 通过指导该生对翻译进行多次修改以后，该翻译语句正确，全文能够很好地忠实于原文原意，全文格式正确，用词恰当，全文翻译总字数超过了学校规定基本要求，图表表达正确，是一篇较好的外文翻译。综合评定为优秀。 签名： 2010 年 3 月 25 日 (用外文写) 附件 1：外文 资 料翻 译译 文 3 轴平端面铣床可加工性分析 Ye Li e-mail: Matthew C. Frank 工业部及制造系统工程系 爱荷华州立大学 摘 要 本文提出一种可加工性几何分析方法。该战略的实施决定了由设置单一方向旋转轴的多元化 3 轴加工业务处理可加工部分。来自立体几何模型的切片用于切削组成多边形链的每个不同环节。采取的片正交旋转轴，因此，无论两个和三个二维（ 2D 和 3D）机械加工性能分析都从垂直和倾斜方向上计算。这种可加工方法扩展了对早期二维快速制造能见度分析和采用数控加工的原型设计组件。 关键词 可加工性，工具易用性，数控加工，片几何 1 导言 在各种各样复杂曲面的零件设计上可加工性分析起到越来越重要的作用 。当前计算机辅助制造 CAM 软件由于刀具容易产生 一套表面组成部分和切割方向 。然而，确定安装方向很困难且确定部分是否可以加工是很大的挑战。一个适当的安装方向才能保证一个表面有效切断， 而一个不恰当的会留在某些地区过多材料。先进的 5 轴数控铣床似乎缓解了这一局面，但是成本和或编程的困难往往限制了5 轴机床的广泛使用 。三轴铣床， 由于经济和技术设备未成熟的原因 ，在multisetup 设备帮助下对于复杂曲面加工进行特殊对待。 瑞和李 【 1】 使用了旋转倾斜式 3 轴机床来替代 5 轴球头铣刀。绪伊特尔 【 2】 提供了一个额外轴加工的理论依据。最近，弗兰克 【 3】 使用了 3 轴铣床和第 4 轴索引作为一个有效的快速成型机。铣刀被证明可以更好的匹配的零件几何表面，较高的材料去除率，以及比球铣刀更长的刀具寿命 【 4】 。叶和洛夫特斯 【 5】 展示了在 3轴机床上利用斜立铣刀生产低曲率表面的能力。然而，大表面曲率变化对机器来说有必要确定一个加工方向和在与每一个方向上相关联的顺与加工方式。因此，对于复杂零件来说成功创建实施一个有效的多方向的 3 轴可加工性分析是至关重要的。许多研究人员研究了加工性能分析和与之密切相关的工件安装问题。大部分的方法都是基于光线的无障碍和能见度。苏和慕克吉 【 6】 提出了一个方法来确定可加工性的多面体对象。凸封闭对象由在封闭面对象水平方向上的每个正交可见的零件组成。然后，该部分被认为是在封闭对象的水平矢量方向进行切削的。后来，陈和胡利用能见度分析计算几何球面 【 7】 他们开始执行了可用于确定工件安装和机械的选择几何算法。汤 【 8】 制定作为球形找到最大的交集多边形的工件定位的问题。甘 【 9】 讨论它的性质 并 提出了建设球形图的有效方法：用高斯图形计算能见度图形。陈等 【 10】 在球型凸多边形领域解决 3、 4、 5 轴球头铣刀确定工件最优方向几何问题。通过使用一个零件表面特定部分可以产生能见度图形；因此，它不能保证整体无障碍。杨等 【 11】 在凸面分析的基础上不依赖图形能见度来计算锥体能见度。尹等 【 12】 定义完全可视性和部分能见度并提交了一份 C 空间为基础来计算锥体能见度。在某些情况下，表面有一个很大的修改。瑞和康 【 14】 建造了一个球形映射二进制数计算椎体能见度，以解决加工的配置问题，包括工件安装定位。一个已用的三角形补丁是在单元球上测试整体能见度。达利瓦等。 【 15】 提出了用锥体无障碍来计算多面体对象的类似的方法，但必须有确切的数学条件和算法。巴拉苏布拉马尼亚姆等。 【 16】 通过计算机硬件分析能见度。弗兰克等 【 17】 分析了两维的立体片整体可见性，并搜查了第四轴通过执行一个算法来转移刀具的加工方向。所有这些能见度为基础的做法确定了可加工性的必要条件 ; 但是，他们忽视了几何工具，因此，真正的可加工性是没有保障。图 1 显示基于 -线光能见度的锥体不能保证用大型工具加工的 1 段 ij 实现真正的无障碍。 图 1根据光线和工具的大小来实现无障碍 苏和慕克吉 【 6】 考虑通过抵消原来零件表面刀具半径建立一个新的零件模型。通过此偏移零件来使实现可加工性得到进一步保证。此方法对球头铣刀加工性分析是有效的。但现在没有这样平面铣刀 , 因为通过工具倾斜角度的转变平面铣刀的有效半径也是可变的。 Haghpassand和奥利弗 【 18】 和拉泽维奇和古德曼 【 19】 考虑零件表面和刀具几何形状。不过，工具的大小是没有考虑到，因为高斯映射不传达任何部分的表面和工具的大小的信息。巴拉苏布拉马尼亚姆等。 【 16,20】 通过之前进行碰撞结果检测的 5轴加工刀具插补路径来验证工具的态势。 在过去几年，基于特征技术在制造业研究界有积极的作用 Regli【 21】 Regli等。【 22】 ，和古普塔和钮 【 23】 通过计算功能无障碍的数量和检验与零件特征无障碍体相交来讨论和检查功能无障碍。古普塔和钮 【 23】 承认所有的加工操作，是由机器生成的计划的一部分，并根据不同的计划的设计需要进行检查和评价。阿由古普塔等人制造的全面调查文件。 24审查基于特征的可制造性评价系统。陈和沙 【 25】 在去除量和工件之间的功能分类和分析面临的自由度来检查功能无障碍。盖恩斯等调解员制度的报告。 【 26】 用知识的生产设备，以确定在部分模型制作功能。测试与相交部分进行无障碍的研究。法拉杰 【 27】 双方讨论了 2.5维正面和负面的辅助功能。其他研究人员提出了功能为基础的方法来确定工件设置 【 28-31】 。 虽然基于特征的方法有能力来处理基于特征的设计，他们不能把自己放在自由曲面的定义功能可能不存在的地方。 此外， 基于特征的方法，建议所有的专题，包括几何元素被视为一个实体。在实际上加以限制规定，成一个零件分析模型。例如，在一个方向可能是机器的一个零件特征的一部分，然后在一个或多个连续的方向上完成其余表面的功能。目前的问题是弗兰克等人提出的基于快速加工战略的文件的地址。 【 3】 即一部分用设置一个单一的方向旋转轴的多数 3 轴机床来加工。 图 2 安装快速加工程序 该战略用带第四轴索引的 3 轴数控铣床实施。圆的储备材料是用来固定的两个对立的夹头与操作旋转的索引。对于每个方向，所有可见的表面利用简单的工具规划加工路径。每个工件通过设置碰撞抵销来实施快速加工，可避免工具与持有人之间碰撞的危险。最大刀具直径用来计算碰撞抵消使得在每一个碰撞不必要的部分抵销这一功能，这种方法的性质表明，没有必要进行任何表面完全是在任何特定方向加工。我们的目标是在所有方向上简化机械的所有表面。所需的机器模型旋转次数与其几何复杂性相关。图 3 说明了创建一个典型的复杂零件采用这一战略的过程步骤。 图 3 快速加工过程步骤 当前，必要的切割方向是由不能进入正交旋转轴的二维能见度图决定的。几何片的横截面从一个用于二维能见度映射的 STL 模型来的。这些片由于生成的正交轴能见度接近了沿旋转轴零件的整个表面。上述文献的审查表明，现有的可加工方法无法计算设置的方向，这样，人们可以机器上切削所有表面。因为以无论二维或三维椎体能见度为基础的办法没有传达的工具和工件的大小信息，因此，不能保证真正的无障碍，或基于特征的办法不能应付复杂曲面加工，因为一些传统功能可用自由形式确定零件表面。 一种有效的机械加工性能的分析方法是对 multisetup 3 成功实施轴端铣的先决条件，以达到需要的 4 - 或许 5 轴加工。一种有效的可加工性分析方法，将决定，给予加工方向一个特定大小的立铣刀，有多少零件表面可以加工就这项加工方向相关联。本文的重点是目前分析功能有无可加工性，用一轴的旋转设置可以判断所需的全部机器的零件表面设置编号。在本文所提出的机械加工性能分析方法完全有别于以往的工作。我们把表面部分见到了简单的片上线段；因此，任何CAD 模型可以导出为一个 STL 文件和研究。因为我们只是假定部分是旋转轴加工；因此，它比简单地分析三维表面几何二维切片简单得多。 本文的其余部分安排如下。 在科 2 所使用的定义整个文件列。科 3 讨论了进一步详细可加工性分析方法，科 4 列出的可加工性分析方法的实施。最后，提供结论和未来的研究事业。 2 定义 尽管以前的研究人员已经确定在其工作中的知名度和可加工性的概念，首先，相似的定义用来澄清可见性和可切削性之间的区别。其次，工具空间的概念介绍机器障碍空间的范围。获得确定可切削性的存在的情况。在本节规定的定义，用于在本文的其余部分随后的讨论。 能见度：表面 S 上的一个点 p 由是可见的外部点 q 发出了一个光线，如果满足条件 。 pq()pq可加工性：表面 S 上的一个点 p 是由某类型和大小的工具 T 加工，如果、 。 T 在刀具位置 CL 代表工具表面从方向接近 。 T(CL,)(-= 根据定义，可切削性与可见性拥有可及性的同一个概念，但是他们并不相同，也就是说可切削性考虑到切割工具的大小和形状而不是对待它作为光线。所以，可切削性可能保证真实的可及性，而可见性仅是可切削性的一个必要条件。因此，可见性是可切削性的一个子集。换句话说，可加工性可以保证能见度。 不同的是能见度角方向的表达，形成一个锥形物，有被用于描述可加工性的两个参数。如果一种刀具的类型和大小是指定的话，他们是刀具位置和接近的方向。在接近的方向上仅允许切割工具接近和触到第 p 点的刀具位置，可加工性没有任何其他表面部分存在。 类似于一个特性的能见度的概念，一个特性的可加工性 (一条线，一条曲线，或者由一套点组成的几何学的一块表面 ) 是属于每个机械加工的该特征点。类似局部能见度的概念 (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义。 部分可加工性：如果在那个这样的特性上至少存在一个点没有刀具位置 CL， 一个特性沿着方向 是部分地可加工的。为了它存在满足条件 、pT。 T(CL,)(S-p=完全可加工性：一个功能在方向 上是完全可切削的，如果每个特征点至少有一个到位的 CL 能被用来保证 、 。 pT(CL,)(S-p=注意到，完全的可加工性可能为了一个点或者一个特性存在，而部分的可加工性仅仅为了一个特性存在，因为一个点只能是据说可加工或非可加工。 如果可切削性存在一个接近的取向，切实可行的刀具位置 CLs 的数字可能随着一个表面上的不同的点变化。因为更可能是以 CLs 为工具道路和设定计划，提供更多选择与更加可行的 CLs 点则更加容易用机器制造。需要测量刀具的位置空间导致概念空间的工具。 工具功能 F 空间，是每一个属于至 F 点工具空间联盟，当在几何学的实体周围没有障碍时，一个工具空间到达其最大限度工具价值空间。在这里，我们除去考虑部分之外的整个表面障碍。从而，相应的障碍空间被定义为障碍空间。 刀具空间：所有可行的刀具地点合计为从一个方向形成一个区域称为工具的空间一点 p， TS(,)=CL: pT(,) and(CL,)(S-p=。 因为它将进入障碍，刀具不能进入障碍域空间。 计算工具空间是从最大限度工具空间减去所有障碍空间。 如果使用 Eq 计算工具空间。 (1)不是空的，那么可加工性存在； 否则，几何学的实体是非机器。在本文中提出的可加工性分析方法基于 Eq。 （ 2） 。工具空间实际上是可切削性措施，因为它告诉可切削性的存在，如果它存在。 一旦工具空间被决定了，它导致的可加工的范围能被获得。 可加工范围 : 最高切削部分的特征功能给了符合功能范围的刀具空间，MR=p: FandTS(p,)上述的定义将在整个本文的其余部分中被使用。 3 可加工性分析 TS=M-(1)iOS本文提出的可切削性分析方法根据位形空间的概念（ C 空间） 。机器人空间行动计划首先由佩雷斯申请 C 空间的概念 【 32】 。 C 空间的基本的想法是对于它周围障碍的一种环境中的一种活动的机制里找到聚合有效的空间配置。最近， C 空间已用于工具的多轴加工路径规划。蔡等人。 【 33】 提出一种基于 C 空间的方法，用工具加工的 3 轴数空机床制造通过变换被设计的部分表面在 C 空间的元素和切削刀作为在安全空间的一个移动的对象。以 C 空间代表和计算使用部分的 Z 地图模型。蔡和高 【 34】 被合并的 C 空间到自由形态模子洞用机器制造的电脑自动处理计划里。 Morishige 等。 【 35】 使用 C 空间引起 5 轴圆头槽铣刀的工具道路 【 36】 5 轴平端铣的优化工具取向用在 C 空间的一个查寻方法。 C 空间的切割工具，被定义当在 Sec.2的工具空间，为工具道路计划提供安全空间 ;因此，基于 C 空间的工具道路总是半圆凿自由冲撞。工具空间能被视为聚合所有可能的工具道路。如果工具空间存在，则至少一个工具道路可以引起零件表面对应的几何点，因而，这个点有可加工性。所以，通过测试在表面的每点工具空间，这表面点是否有可加工性在理论上是可行的。 本文的可加工性方法沿着旋转轴输入的是一个 STL 模型的片段文件。一个 STL模型是一个近似于三角形的部分，目前是事实上的快速原型系统的标准文件格式。镶嵌工艺的设立指定使一个 STL 模型可以持续逼近误差，部分表面和镶嵌三角形之间的偏差。每一三角形的大小和形状得创造对其部分表面上的当地的地区是适应的。因此，与 Choi 使用 Z 地图模型相比。 【 33】 ，实质上是一个相等间距抽样模型， STL 模型的切片文件是原始部分表面的一个更加精确和更加高效率的表示法。零件的 STL 模型的切的过程，也许是一个基于特点的部分或自由几何形态，分解成许多线段的多边形表面的部分。这些线段基本上是在本文提出的方法里唯一代表的 “功能 ”。 其目的是绘制段或部分，在每个方向切削的部分，以便为取向的最低值，可以发现，这样各阶层在安装方向完成后加工。每一片段文件的线片断关于工具接近方向是或者是垂直或者是倾斜的。如果垂直的情况发生，对于每一那条线片断上的点的障碍和他们的相应的障碍空间是同样的。这实际上是静态障碍情况。一二维的 C 空间分析同时能为了所有那些点被执行，考虑到上述所有相邻节段障碍。第 3.1 节详细讨论了垂直案。然而，如果被检查的线片断在工具方向上是倾斜的，则每个片段上的点的障碍是可变的。电动 -障碍环境为机械加工分析程序产生困难。对于这一个情形的解决将会在段被呈现 3.2。 3.1 垂直的情况： 用于本文的坐标系统与 3 轴铣削中心的一致，据此，部分切片沿 x 轴的机器发生的坐标系，每片是在 YZ 平面。我们使用 Pi,jPi,j+1 代表当前进行可切削性分析过程的段 TS =M(,)(,)OSimnOSLR（ ， ）图 4 可加工性的垂直情况 3.2 倾斜情况： 3.2.1 动态障碍物环境。对于多数案件的可切削性分析的线段，切口取向是没有垂直，而是倾斜的。这制定在相当大的程度上不同于以前描述的仅仅有静态障碍的垂直情况的可加工性分析。基本的原因是基于二维的 C 空间的静态障碍可加工性分析不为了倾斜的情况工作，其特点是动态的障碍。用机器制造的每点最大工具空间在间接格之下是不变式半圈弧，在图 5 显示 图 5 倾斜切割的最大工具空间 3.2.2 有效的障碍的相对移动。虽然整个三维 C 空间不会为每线段修建，每一在不同的高度的障碍片断的有效的障碍空间能被人们认为将有具有分析下面的点的相对的运动能力，指的是第 6 图中的例子。 图 6 有效障碍的变化 基于上述情况下，一旦阶段的有效障碍属于已知的的价值，挖出的空间弧工具可以计算如下： 对于第 1阶段 dm 。,1,1,1()()ijijijijijijpyzpyz,ijz,1ij参数 t来自参数 。 ,1ij()*FMn所有点 ， 2pR,1,1,0ijijijijyyzM,1,1,1,ijijijijijijijijzyzyzN同为线段 ,1,;ijijijzz,1,10ijijijijyyzM,1,1,1,ijijijijijijijzyzyzzN映射多边形障碍 图 8在 YZ平面上的多边形障碍 图 9在 DT平面上的多边形障碍 3.2.4机械加工图。 图 10机械加工图 4 执行 为了验证本文提出的方法，可切削性算法可以用奔腾 IV的 C程序语言实施，在运行 Windows XP的 3.06 GHz的电脑上。可切削性软件使用可见性数据切片，选择末端工具的大小，并且作为一种指定的切割方向输入。它可以生成每个切片段切削部分作为有关的切割方向输出。我们提出二表面零件例子核实可切削性分析方法。第一部分是选择非常简单让不可加工性对读者更直观。第二部分是一个更复杂的零件，一个玩具 “杰克 ”，在逆向工程中的应用 3D检测软件评价这部分。 图 11半圆柱体挤压口袋的机械加工 例 1图 12显示了挤出一个半圆柱形的一块，我们选择旋转正交轴 45度方向作为切割方向。末端工具直径设置为 0.25英寸。切片间距是 0.01英寸。从图 12显示的可加工性分析结果，表明有二个不可加工性区域，标为 S1和 S2。因为这个是挤压模型，沿转动轴的几何形状不改变。所以在沿转动轴的每个切片上的可切削性分析的结果应该相同。一个片段的可加工的概况在图 13（ a）中被显示。 O-A-B，当B-C和 D-E是不可加工区域时， C-D和 E-F-G是可加工的区域。这部分实际上在Mastercam也是可加工性的。加工量被保存为 STL文件， 2004年进口到 RapidForm。图 13 B显示了通过使用 RapidForm检查跨本 STL的截面轮廓。图 13（ b）中显示的配置方向是与水平线成 45度方向。与图 14显示的加工方向是相同的。 O-A-B， C-D，并且 E-F-G是可加工的地区，而在图 13（ b）中 B - C和 D - E是不可加工性区域。从可加工性分析为了证实结果，二个坐标系分别在点 O和 被设定。不可加工性边界坐标点 BCDE是从我们开发的可加工性分析软件计算出来的，坐标 BCDE在快速表格 2004测量出来。每个点的坐标如表 1所示。这些数据非常接近，并且该错误是可以使用 STL近似预期和行扫雷算法找到切削区域。 图 12二维切屑概况示意图 例 2。第二部分模型为例，使用的是一个玩具 “杰克 ”，首先分析了能见度，并利用这种方法进行可加工性分析。图 15显示了杰克 STL模型，由可视软件处理这一个模型而且提供的结果模型是透过四定方位是 100%看得见的。为了显示能见度分析的缺陷，杰克可加工性区域和非可加工性区域由四个长方形显示。 图 13杰克 ”的模式的加工结果 由于沿着旋转轴变化的杰克片形状模型，在不可加工性区域相应的改变，因此是不