[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】微电火花铣削三维自由曲面的CADCAM系统-中文翻译

2011 届本科毕业设计 (论文 )外文 文献翻译 学 院： 机械工程 学院 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 顾晓晨 学 号： 070607210 外文出处： Journal of Materials Processing Technology 149 (2004) 773 578 附 件： 1.外文 资 料翻 译译 文 ； 2.外文原文 (用外文写)附件 1： 外文 资 料翻 译译 文 微电火花铣削三维自由曲面的 CAD/CAM 系统 赵万生，杨洋，王振龙 ,张勇 机械工程学系，哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001，中国 摘要 微电火花铣削与微电极因为加工原理特殊和可以加工各种材料被认为是一种很好的加工三维微结构的方法。然而，为了生成刀具路径和相关的加工工艺需要专门的 CAD/CAM 系统。由于加工方式和工具电极几何性质，始终会留下一些痕迹，尤其是对复杂的表面，不能用正规方程来表示电火花铣削加工的三维结构的表面。为了解决加工过程中产生的残留痕迹，本文提出了一种用微型电火花加工切割方式。为了获得光滑的表面，应该系统研究刀具的路径生成的方式和算法。同时，采用等参插值的方法，分层加工自由曲面使其得到了显著的改善。最后通过加工一些典型的三维结构，如直径小于 1mm 范围内的人脸的雕刻加工等进行了验证。 2004 Elsevier B.V. All rights reserved 关健词：微电火花铣削； CAD/CAM 系统；微细电火花加工；电火花铣削； CAD/CAM；自由。 1，简介 在电火花加工过程中，电极通常是由机械加工方法制造的。电极的几何形状通常制成与工件模型上的形腔相反的形状。刀具电极的制造成本超过总加工开支的三分之一。尤其是在准备加工一个微腔之前加工一个三维自由曲面的微电极更为困难。 Masuzawa 和余教授 (东京大学 )提出了一种层压加工方法，微放电加工过程中采用把三维加工过程简化为二维的层层扫描的方法，如快速成型过程，不需要切除或添加材料。 叠层加工方法可以使 用简单的电极，节省了制造电极的工时和资金。而且，通过余等人提出的统一的策略，叠层方法也减少了复杂刀具的磨损补偿。 1. 赵，刘（哈尔滨工业大学）已经开发一个软件系统来做上面提到的工作。该软件通过使用 STL 的格式把工件空腔切成薄片。其中工件通过一套三角形的方面来描述 2。因此，更复杂的腔和更平滑的表面都可以通过系统获得。李等人（清华大学）用简单的几何体进行微电火花铣削小孔的实验 3。 Meeusen 等人演示了一个结合了半球面的小孔的盖帽的例子 4。在微细电火花铣削的过程中，如果小孔的形状是有规律的或者很简单，可以亲手获得数控代码。只有当孔能被正确的数字方程描述时才能使用半自动编程。然而 ,许多自由表面可能无法实现通过上述编程方法。显然，一个 CAD/CAM 系统绝对需要海量数据形成的轮廓和刀具路径，而且需要复杂型腔的数控代码。由于 微细电火花铣削 得本质，准备为机械切割制作商业化软件是不合适的。本文介绍了一种具有执行功能的专业从事微细 电火花铣削的 CAD/CAM 系统。 2，电火花铣削的 CAD/CAM 算法 近年来，由于技术的发展，电火花铣削的领域中也使用了许多方法和算术。 STL 实体模型的格式的分层加工法已经普及了。主要是在 STL 格式的过程数据文件有两项优势： （ 1）宽的输入范围。大多数 3D 表示法可以用三角边界表示，因为曲面三角算法适用性广，但在其他近似方案这种优势是不存在的。 （ 2）简单的切片算法。对于一个切片算法，三角边界表示是很简单的（但不一定有效的） ，因为它只涉及处理一个三角形。而一个三角形的所有操作都是简单的，准确的。 尽管有上述优点，但在 STL 格式的数据文件中有三个重要的问题经常发生 5： 1.三角边界表示法带来的边界近似问题。 2.格式本身的相关问题。 3.有关数据转换和算法传输的问题。 相比下面的 IGES 这一广泛适用于 CAD 软件的数据交换的格式， STL 格式表明了不足之处。 1.文件大小。 STL 的大小是不必要的，因为文件格式的 冗余 中。平面的正常的信息是多余的，因为它的语义表达出允许计算出一个平面的顶点。此外，绝大多数的顶点都在文件中，因为他们属于多个方面。这将更有效地指定每个顶点，让拥有者从每个方面来参考。这也解决了相同的顶点在逻辑上不匹配的问题。 2.截断误差。它的顶点坐标一个平面的组成部分，是单精度数字 ,他们的实际数值被截断。更是如此当对象是位于远离起点，没有拓扑信息的 STL 格式成为重要的截断误差。相关的意思是说 ,对象必须是位于积极的位置 ,也就是说 ,所有坐标必须有积极的价值。 3.不完备性。因为不存储拓扑信息， STL 格式不完全用三角边界表示法描述。如果是现在，这种信息可以被用来加工工艺规划的任务，如切片。 4.不一致的情况。一个 STL 文件可能有不一致的公差值，如果它是文件创建两个不同的 STL。此外，可能在 STL 模型的交集的两个附加上有差距。 5.不一致的资料。小平面法线的翻转，可能会导致与其他平面的方向不一致的。翻转表面法线曲面时可能使在原来的表面定义不当。 6.不正确资料。明确指定的平面法线从不同平面顶点法线计算出来的，这可能是由于算法中的错误转换。 为了解决上述问题，提出了一个 CAD / CAD 计算机辅助设计软件系统的方法，来解决微型小腔与 ED 自由曲面的三维铣削。数控加工代码生成是在solidWorks2001 上实现功能，并在 V+ +平台上实现程序功能 。首先对工件精心设计，然后转化为 IGES 格式。腔的几何形状小的加工可以很容易地描述成IGES 格式。然后，生成的数据传输到处理程序中，计算和实现工件型腔的三维模型。如下是这个过程描述图 .1 生成的几何模型切片的几何模型数据录入NC 代码生成生成的IGES 文件IGES 文件的处理在solidworks2001实现的功能实现程序功能的VC+设 计 部图 1.数控代码生成过程 2.1.工件的输入数据 工件数据在描述实体模型中是非常重要的。一些格式化的数据包括很多有用的信息，通常用于识别和计算几何元素。在本文中 , 描述几何模型信息的IGES 文件是输入和处理。用 vc+实现输入功能。 IGES 文件中的信息是巨大的，编程的过程中不是所有的都是有用的。在攻击过程中 ,只有与模型相关的信息才有用。在输入数据中重视洞表面的信息。在 IGES 文件中 ,非均匀有理 b 样条表面被定义为一个序列的结在 u 和 v,控制点的网和每个权重值控制点中 (重量的值为 1,除非 NURBS 表面是理性的 )。当地控制点的位置 ;改变遥控点的位置是没有效果的。这可以被描述成公式 (1): 在 u 和 v 里一序列的结被输入加工程序中， ,然后把可以获得的基函数作为公式(2) 2.2. 切片与自动编程系统 在本文中，通过分析 NURBS 信息提出了一种分层方法。工件的几何学模型是由很多可以被数学描述的 表面段 组成的。有必要把整个表面段分成若干子段。切片过程，实际上就是获得表面段上的相交线和一系列面。表面段的数量有计算交叉点的时间决定。通常情况下， NURBS 曲面通过三次分为四个部分。所以向量 u 和 v 一般分为八个部分。在这里来选择三参数集合 所以大量的子段在某些特定高度和面相交。 因此 ,一些很短的交叉线产生相应的子段。但这样的界限不能被看做是交叉面。 相交线的端点被收集到程序里作为点列表。这些端点来计算 三参数集合 。根据三参数集合理论，让S1(u,v)代表 NURBS 表面 ,S2(s,t)分别代表切面。可以得到如下方程 6: t， q， s， r 这些参数的作用在哪里和 R(s， q， r) 代表了哪两个相交的表面。 计算的时间取决于集合的精度和计算机的计算能力。在这一层 , 采用 P4-1.3GHz 处理器和精密级 107m 的 PC 机大约需要 15s 完成数控代码生成。然后 ,生成的端点按照一定的顺序被连接在一起。通过这些命令端点 ,插值就可以完成很容易。因为相交 , 产生的一系列交点来表示该切片轮廓。外形是通过使用这些离散点的双弧形插值来获得的如图 2 所示图形。 图 2. 在不同层次中描述电极的轨迹 每一组中位于较低面上的轮廓相交于不同的高度，而在较低面上的线是没有放电的电极的轨迹。为了使加工各个方向上的面的磨损均匀，邻近层次的加工路径在不同的方向。如同图 2 所描述的， 第一层的加工方向是水平方向和从左到右。第三层的加工方向是垂直和由右至左如同图 2 中的第二副图所描述的。图 2 中的第三和第四副图的描述解决了与此相关的问题。这种方法也可以解决岛腔结构。 图 3.清除残留痕迹 2.3. 清除残留痕迹 等参插值会被用于清除残留遗迹。因此切片不需要被定义很薄。在插值中、向量 u 和向量 v 的步骤是首先必须初始化。清除残留痕迹的效果取决于步骤的长度因素 , 切片的厚度 ,刀具轨迹的重叠和电极的规格。图 3 中所示 ,残留痕迹 ,阴影部分表达在图片上拆卸后残留的痕迹。让表示清除残留痕迹的效率 ,然后提出了方程 在方程（ 4）中， s 是残余的在图片上的投影。当条件 2w + d cos( 0) d 0,如果电极是圆柱形的，可以得到如下方程 其中 L 代表两个重叠的刀具路径中心之间的距离， W 表示在平面上的痕迹的投影的宽， d 表示电极的直径如图 3 中表明的。 通过方程（ 4） 、 （ 5）和图 3，至少可以知道两个事实。首先 , 选择一个与之大小相适应的电极是很重要的，其次 W 是取决于切片的厚度和 NURBS 平面的各种曲率。对于等参插值 ,向量 u 和 v 的算法都是一样的，因此下面只描述向量u 的算法。首先，重要的是在第一个步骤里沿向量 u 划分段，划分的段可以用线来替换。然而，这将引起一个如下所述的问题。轮廓的体模型在切平面是由精密的双弧形插值方法产生的，而在双弧形插值的情况下各种连接的指向性。因此，可以预计拟合段应录入凸线轮廓外面或的外部切线凸轮廓的里面。如图4 所描述的，虚线为拟合部分。 内拟合轮廓线 外拟合轮廓线 图 .4.拟合线 首先 ,要检查拟合曲线是否是一条线。如果它是一条线，然后过程是非常容易的，否则 ,让 把 umid 带入方程（ 1） ，求出 Pmid，所以在平面上定义点 Pmid，点 P1 和 P2.接下来，在正常的 NURBS 面中的点 Pmid 可以根据下面的方程（ 7） -（ 9）计算得到 不论向量 u 的轮廓是否突出，由如下可以知道，让 n 投影到面 p1p2pmid，并检查投影与 l0之间是否有交点。标准的轮廓总是与突出的相连接，所以这个判断可以用下面的来代替。 r1 表示原点到 l0的距离， r1/2 表示 r1 的端点到中点的距离也表示中点到 l0的距离。 如果 r1 r2， 可以定义轮廓突在外部，这时让把 l0作为直接插入的线段 。如果 r1 r2， 可以定义轮廓突在里面，在这种情况下，插值段由面 p1p2pmid 中回转的曲线组成，而切线的投影沿着轮廓从起点到终点 。重要的是，为了避免跳过每个部分的清除残留痕迹，应该确保向量 u的插值段的投影到 Z 轴的长度必须不超过薄片 C0 的厚度。可以用下面的不等式来判断 Z1 是插值段的起点， Z1 是插值段的终点， C0 是切片的厚度。 如果不等式（ 10）不成立，可以修改步骤，将其减少为以前的 1/2，所以有 3.电极的补偿磨损 在加工过程中 ,针状电极可以 保持扁平 在一层加工后。因此 , 在均匀磨损的基础上加工三维微结构的可以被认为是电极沿着三维工具路径连续运动。然而 , 在连续的加工中电极的长度变得越来越短，尽管针状电极依然保持扁平 ,尤其对于一个微电极 7。 当加工一个三维微结构 ,有必要对电极上磨损的长度进行补偿。电极的磨损补可以通过评估电极磨损比例来得到。然而 ,当一个三维腔有不规则的几何形状和表面通过一般的数学方程难以描述时，评估电极的磨损率将变得十分的困难。此外 ,有复杂的腔的工件的不同加工部分的加工环境也不是相同。因此 , 对维持机器的加工精度在线测量电极磨损是必要的。通过联系一个标准的块。系统读取工具电极头的位置 ,从而计算工具电极的磨损并做出有效的补偿加工后或一定量后。 图 .5. 测量电极磨损 测量电极磨损 的原理如图 5 所示。电极移动到一个标准块的顶部，然后向下直到接触到标准块的上表面。经过多次接触 ,电极头的平均位置可以计算出来。因此可以得到电极沿着经度方向的磨损。这次计算结果是下一个层补偿的基础。与此同时 , 记录下剩下来的电极长度。如果剩下的电极长度不够下一层的加工 ,在线寻址产生一种新的有效的指定直径的工具电极段。电极的直径可以确保接触标准的杆。 4实验验证 由自行开发的 CAD / CAM 系统所产生的数控代码将被下载到一个也是我们研究团队所开发的微电火花设备中。不同于传统电火花加工 ,为了确保微放电机有更高的精度和更敏感的运动控制系统、更先进得加工过程控制系统，微电极在线制造、微能量电子脉冲发生器是必备的。实验的装备如图 6 所示。 图 .6.微电火花加工系统 机器基面由花岗石制成。一个三维运动单元包括一个精确的伺服机构和直流伺服电机驱动和 102mm102mm 102mm。 一门精确的扶轮主轴固定在 z 轴的单位方向上。电极安装在主轴上 ,主轴转速从 1000 调整到 25， 000rpm。一个程序块地址单元和一个线电极电火花磨削被用来制造在线微电极。一个遥控脉冲发生器产生高频脉冲。计算机是用来控制和监督加工过程。 随着数控代码的顺序 ,一个典型的自由曲面被加工出来。数控代码应首先送到在 SolidWorks2001 平台工作的自行开发的 CAM / CAM 系统中。 在软件上模拟加工过程中电极的路径。插值包括线和弧 8。 加工过程中有两个步骤。第一步是要移除大部分厚重的腔。在粗选这一步 ,可以用大量脉冲电源。第二步的目的是去除残留痕迹和表面修整。在这一步中 ,主轴转速是相当高的但电容较低。图 7 显示的是光学显微镜下的照片和扫描式电子显微镜下的加工样品的图像。工件上孔的容积是 1mm0.4mm。最深为0.2mm。电极是用铜杆制作的、电极的直径 30um。 图 .7.三维自由微加工样本 5.结论 基于算术分析和实验观察 ,可以得出以下结论 : 1对于微电火花铣削， IGES 档案的加工过程可以很好的描述实体模型的信息。虽然设计的是切片的实体模型，切片的轮廓信息也可以精确的得到、刀具路径也可以产生。 2. 一个 CAD / CAM 系统是为了产生大量的工具电极的路径和相关数控代码开发的 ,它对微电火花铣削细小自由腔是很