集成的 CAPP CAM 系统用于冲压模加工外文文献翻译中英文翻译文档格式.docx

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通常通过使用消失模铸造工艺来铸造原料，并且用于铸造工艺的消失模被称为模头模（或简称为模）。

图2显示了冲压模具设计和制造的总体过程。

图2的顶层显示了信息流，中间层显示了活动的顺序，而底层则描述了物理材料。

本文着重于模式构建。

在图2中，是活动层的第三个方框，该方框是关于由聚苯乙烯泡沫塑料制成的用于消失模铸造过程的模具模型。

随着3DCAD被广泛用于模具设计中，图案构建的行业趋势是使用CNC加工来利用3D模具模型。

商业通用CAM系统可用于生成模具路径CNC加工的刀具路径。

但是，他们需要大量的用户交互才能获得所需的工具路径，从而使模式构建过程变得非常耗时且昂贵。

在本文中，介绍了一种称为生成模式加工（GPM）的专用CAPP/CAM集成系统。

2.模式建立过程

本节将描述通过模具模型的CNC加工来构建模具图案的详细工艺步骤。

图3显示了使用通用CAD/CAM系统时的处理流程。

将在第2.1-2.4节中说明图3的前三个方框，以描述任务的性质。

然后，第2.4节和图6会将其与具有GPM的处理流程进行比较。

2.1.模式建模

由于铸造工艺无法产生冲压模具所需的确切尺寸或表面质量，因此在功能面上（例如用于装配的配合面和金属成型所涉及的模具面）需要一些额外的填充物。

多余的毛坯将在图2的CNC加工活动中稍后去除。

那些上面带有多余材料的端面称为待加工端面，其他端面称为铸件端面。

第一步是通过在模具模型的待加工面上增加额外的库存余量来创建图案模型。

库存余量取决于铸造工艺的精度，通常为10毫米左右。

因此，与模具加工相比，图案加工可利用具有相当大的公差的优势。

待加工面由模具设计师标记。

2.2.模型切片

第二步是将模式模型分成几个切片，可以分别加工然后再组装。

切片的原因和标准如下（（a）-（c）是驱动原因，（d）-（f）是次要标准）。

（a）使三轴机床可以访问隐藏的功能；

（b）适应可用工具长度，机床工作台尺寸和聚苯乙

烯泡沫塑料生料块尺寸的限制；

（c）避免削减过多的音量；

（d）减少切片数量并减少加工时间；

（e）避免切得太薄；

（f）加快组装速度

图4显示了从上面列出的原因得出的切片模型的一些示例。

由于上述标准经常彼此冲突，因此在确定切片的数量和位置时需要折衷。

如图4所示，拉丝模具的主要组成部分通常分为2-4个切片。

2.3.工艺规划

在不使用通用CAM系统的情况下如果使用自动过程计划功能，则过程计划步骤将以手动方式完成，并且以刀具路径生成命令序列以及辅助几何图形的形式实现，以指导和限制刀具路径。

在工艺计划步骤中应考虑以下保丽龙图案加工的特征。

（a）由于需要切割大量的软质材料，因此需要很高的进给速率和较大的切割深度以减少加工时间。

机加工人员可以用砂纸轻松去除机加工后残留的大尖牙。

（b）切屑的去除和冷却对于加工低熔点聚苯乙烯泡沫塑料图案非常重要温度。

液态冷却剂不适用于聚苯乙烯泡沫塑料加工。

空气吸入连接到空心主轴和在侧面上带有孔的空心刀具，可提供良好的切屑清除和冷却效果。

从过程计划的角度来看，进近运动的选择非常重要。

例如，应避免掉入聚苯乙烯泡沫塑料块中以防止材料熔化。

（c）切割顺序对于避免在加工脆性和脆性的聚苯乙烯泡沫塑料图案时产生断裂至关重要。

例如，如图5所示，如果首先切割周围区域A，则聚苯乙烯泡沫塑料的高塔将留在区域B的顶部，在加工区域B时很容易折断。

（d）因为聚苯乙烯泡沫塑料加工的切削负荷相对较小，既不需要也不希望有粗加工步骤。

实际上，粗加工步骤会弱化材料并在精加工时使较薄的特征（例如悬空的臂）摆动（或断裂）。

这会导致不良的表面质量（或断裂）。

2.4.使用GPM建立模式

图3中的三个阴影框组合成GPM，GPM以高度自动化的方式执行这些任务。

图6显示了使用GPM时模式构建的过程流程。

3.GPM的架构

GPM的目的是为图案制作者提供一种方便的工具，该工具几乎不需要用户交互。

GPM是在X/Motif环境下使用OpenGL用C++语言编写的CAD系统之外运行的独立软件。

为了利用较大的公差，可以使用近似多面体模型来表示GPM中的芯片切片。

多面体近似在CAD系统中完成，并以标准STL格式或戴姆勒克莱斯勒专有格式SOL导出。

虽然STL格式包含一堆无关的三角形，SOL格式可以表示具有拓扑信息的通用多面体模型以及用于区分待加工面和铸态面的面属性。

GPM在CATIA中嵌入了一个小型配套模块，该模块可从CATIA模具模型生成SOL文件。

图7显示了GPM的体系结构。

在随后的部分中，将介绍GPM的详细步骤。

4.阅读模型并添加库存

GPM使用半边数据结构[1]存储切片的多面体实体模型。

如果使用SOL格式，则模型读取步骤很简单。

使用STL文件格式时，由于STL文件格式不包含任何拓扑信息，因此需要额外的处理才能从几何图形重建实体模型。

有关从STL文件重建实体拓扑的详细高效算法，请参见参考资料。

[2]。

简而言之，将STL文件中的每个顶点与存储的顶点列表进行比较。

如果从列表中找到相同的顶点，则使用存储的顶点指针。

如果找不到，则新顶点存储在列表中。

为了有效搜索，采用了哈希表结构。

在为STL文件重建拓扑之后，需要合并相邻的共面三角形以形成更大的平面。

然后，通过用户交互来标记待加工的面部。

为了创建图案模型，通过补偿要加工表面上的加工余量。

图8示出了示例性铸态面（细实线），待加工面（粗实线）以及增加的备料余量（虚线）。

5.加工特征识别

加工特征识别为自动过程规划和刀具路径生成提供了重要基础。

文献[3-7]中已经报道了各种类型的特征识别方法。

有关全面调查，请参见参考资料[6]。

在GPM中，功能识别分为两个阶段：

（1）加工区域识别和

（2）特征类型分类。

5.1.加工区域识别

此阶段是确定要删除的区域。

加工区域是一组具有相似面法线矢量方向的相邻面。

在这一阶段，采用了一种简单的区域增长算法，该算法在图像分割中很受欢迎。

为了解释加工区域识别算法，首先介绍一些功能：

•angle（f1，f2）返回f1和f2的法向矢量之间的角度

•face_type（f）根据人脸法线向量（nx，ny，nz）及其位置返回以下类型之一：

如果f与模型边界框的顶平面重合，则为topmost_horizontal，

如果f与模型边界框的底平面重合，则bottommost_horizontal，

如果lnzl<

tol，则为垂直，

如果nz>

tol并且f不是topmost_horizontal，则向上；

如果nz<

-tol并且f不是bottommost_horizontal，则向下。

算法加工_区域_标识

1.将所有面标记为未访问

2.//找到核心的面

核心=找到不垂直的未访问面

如果找不到核心，请退出

3.//创建一个初始区域

mr=创建一个新的加工区域

向mr添加核心；

将核心添加到seed_queue并标记为浏览过

4.当seed_queue不为空时

4.1s=从seed_queue删除第一张面

4.2对于与s相邻的每个面f

4.2.1如果访问了f，则继续

4.2.2如果face_type（f）=fface_type（s），继续

4.2.3如果angle（f，s）>

临界值，则继续

4.2.4给先生加f;

将f添加到seed_queue；

将f标记为浏览过

5.转到步骤2

请注意，算法中的加工区域仅包含上表面或仅包含下表面，但不包含混合区域。

垂直面不包括在任何加工区域中，但是它们用作加工区域之间的分隔物。

角度差的阈值用于沿尖端分离区域。

尽管临界值的选择对系统性能不是很关键，但应大于多面体近似的角度公差，以免产生太多的小区域。

在GPM中，经过多次实验后，发现阈值的30°

是一个合理的值。

5.2.特征类型分类

GPM中的加工特征主要有两种：

区域特征和边界特征。

通过将以下特征类型分配给上一步中确定的加工区域来获得区域特征：

（a）封闭的口袋：

被墙壁封闭的口袋；

（b）开放式口袋：

切刀可从开口接近的部分或全部开放式口袋；

（c）最上层平面：

切片模型的上层平面；

（d）最底面：

切片模型的最底面。

类型（c）或（d）的特征仅包含最上面或最下面的面，并且不需要加工，因为它们已存在于原始聚苯乙烯泡沫塑料块中。

为了将其他加工区域分类为（a）或（b）类型，需要加工区域的边界环。

加工区域mr的边界循环是半边的有序列表，其半边面不属于mr。

边界循环的构建过程非常简单，因此本文将其省略。

加工区域以外围循环和0个或多个内部循环。

一旦获得边界环，就通过检查配合面的相对位置将环上的每个半边标记为打开或闭合，如图9所示。

对于上加工区域由上表面组成的加工区域，如果h的交配面高于h的所有者，则半边h闭合。

h否则打开。

如果加工区域的连续开口边缘大于要使用的刀具直径，则为开放腔，否则为封闭腔。

（打开或关闭）袋状特征表示要删除的区域，边界特征表示工具要针对外围（切片的外部边界）或贯通芯（内部边界）追踪的曲线。

边界特征曲线是2D多边形，是通过向上加工区域和最上面的平面的边界环的并集计算得出的。

有关2D多边形的有效布尔运算，请参见参考。

[8]。

图10显示了确定的加工区域和指定的特征类型的示例。

6.自动流程计划

在本文中，过程计划装置

（1）为特征指定刀具路径类型，

（2）确定切削刀具和参数，例如刀具路径间隔，以及（3）对加工特征进行排序。

确定这些因素时应考虑2.3节中描述的问题。

在此应用中，刀具路径类型和切削刀具由表1和图11中所示的特征类型确定。

在表1中，使用50mm刀具的主要原因是因为模具设计中的默认圆角半径戴姆勒克莱斯勒的标准设置为25mm。

在其他环境中，可以通过考虑模具设计几何形状来确定刀具尺寸。

通过折衷加工时间和尖角高度，并根据经验，在装袋过程中将刀具直径的1/6用作过渡（也称为峰值进给）。

如第2.3节所述，正确的加工顺序非常重要。

总体加工包括四个步骤：

（1）对外围和通芯进行仿形；

（2）向下加工特征；

（3）翻转工件；

（4）向上加工特征，不一定按此顺序进行。

对这四个步骤进行排序取决于上/下侧是否平坦以及切片包含单个块还是多个块，因为工件设置问题。

例如，如果顶面不平坦，则应在翻转后对顶面进行加工。

如果切片由多个块组成，则应在翻转后进行轮廓分析，以保持块之间的相对位置。

表2中提供了完整的案例枚举。

如果两边都不平坦，则需要特殊的夹具技术，幸运的是，在图案加工中几乎不会发生案例。

为了避免图5中说明的情况，需要在围绕较大的区域之前切割较小的区域。

为此，通过检查特征之间的包含关系来构造如图12所示的层次树结构，该结构通过比较加工特征的边界环来进行测试。

在图12中，特征B，C，D被A包围，F被E包围，依此类推。

根据第2.3节的观察，需要在切割父特征之前加工子特征。

应该对数级别的要素进行排序，以减少工具的移动时间。

在GPM中，实现了一种简单的类型算法进行排序，该算法将与当前特征最接近的特征连接起来。

这可能无法提供最佳解决方案的结果，并且可以通过调整复杂的旅行商问题（TSP）算法（例如模拟退火）来大大改善。

但是，这种优化的影响应该很小。

一旦构建了层次树，就可以通过以后顺序遍历树来获得加工顺序（深度优先遍历方法将首先访问子节点，然后再访问同级节点）。

这种遍历将产生B-+C-+D-+A-+当应用于图12中的示例时，F-+E-+H-+G-+J-+I。

7.刀具路径生成

一旦完成了过程计划，刀具路径的生成就相当简单了，参考文献中介绍了众所周知的刀具路径生成技术。

可以使用[9]。

在本节中，将仅介绍特殊功能。

7.1.多边形曲线偏移

多边形曲线偏移是生成刀具路径的基本操作之一。

对于多边形曲线偏移，Voronoi图[10-12]或直骨架[13]提供了极好的标准。

这也可以通过平面扫描算法[14]来完成。

在GPM实施中，对笔直骨架进行了稍微修改以获得输入多边形的斜切偏移。

7.2.刀具路径链接用于方向平行打包

对于具有用于工具进入的开口的开放型腔，为了减少不必要的逼近运动，方向平行的型腔是理想的。

进入位置由沿加工特征边界环的最长开放边确定。

将特征的加工方向选择为加工特征边界框的较长边，以使加工方向转弯更少。

为了减少空气切割时间，可以使用锯齿形的刀具路径链接绝对有利的是，因为在图案加工中加工的表面质量不是很重要。

但是，由于机床的加速/减速，连续的刀具路径之间的垂直链接是不可取的。

时间。

对于高速加工，在GPM中实现了如图13所示的C型或S型路径链接策略。

路径链接中的另一个问题是最小化工具缩进和逼近运动的次数。

为此，需要按工具路径段的可访问性对其进行分组，并构建如图14所示的路径链接图。

链接顺序是通过对路径链接图进行后顺序遍历而获得的，该路径链接图从没有前人未曾访问的节点。

7.3.刀具路径生成示例

图15显示了GPM生成的刀具路径的一些示例。

轮廓平行装袋和方向平行装袋工具路径如图15（a）所示。

图15（b）显示了两种接近运动。

图15（c）显示了外围和贯通型芯的仿形工具路径。

向下加工特征的整体刀具路径如图15（d）所示。

8.切削模拟和进给率优化

切削仿真提供了进给率优化，刀具路径验证和清理刀具路径生成所需的基本信息。

Z-map是用于切削模拟目的的出色工具。

有关切割的细节使用Z-map进行模拟，请参见参考资料。

[9,15]。

生成刀具路径后，将执行切削仿真以获取以下信息：

（a）加工后产生的形状。

（b）每个刀具路径段的切削负荷。

（c）快速运动时发生碰撞。

其中，切削载荷是通过计算刀具路径段的每单位长度（MRV）的材料去除量而获得的。

由于与聚苯乙烯泡沫塑料相比，切削力在聚苯乙烯泡沫塑料加工中可以忽略不计，因此可以通过将单位时间的材料去除率（MRR）保持在机床和刀具可以承受的最大水平附近来优化进给速度。

从理论上讲，可以通过以下公式获得进给速度：

进给速度（mm/min）=MRR（mm3/min）/MRV（mm2）

（1）

在上式

（1），最佳MRR在一台机器之间会有所不同，应根据实验和经验确定。

在GPM实施中，以离散形式表示，如图16所示，以避免接近零的进给速度或无限的进给速度。

它还可以防止过度频繁地改变进给速度。

在GPM中，通过实验获得了图16中图表的实际值。

如果刀具路径段与刀具相比很长直径，应先分成几块切削模拟，以便根据MRV等级分配不同的进给速度。

例如，当长段仅在其末端获得高切削负荷时，最后一个子段需要获得较低的进给速度，而另一部分需要较高的进给速度。

9.工具路径验证和清理工具路径生成

GPM提供了三种功能来验证工具路径，以帮助用户：

（a）与相关加工特征相关的刀具路径的图形显示；

（b）具有坐标显示的工具动画；

（c）显示的最终形状（从切削模拟中获得）显示，用凿/未切割/法线进行颜色编码。

切削模拟生成的Z贴图也可以用于使用较小的刀具为未切削区域制作局部刀具路径。

通过切割模拟，显示未切割区域。

用户可以选择相关的未切割区域，并使用较小的切割器生成局部的清理工具路径，以移除所选的未切割区域。

边界选定的未切割区域的曲线用于限制刀具路径。

图17显示了切割模拟过程和从未切割区域计算出的清理工具路径。

10.结束语

总之，讨论了模具加工的一般问题，并解释了GPM的总体架构和详细步骤。

戴姆勒克莱斯勒样板非常成功地使用了GPM。

创建典型的切片模型的CNC程序通常花费不到半小时的时间，这在使用通用CAM系统时是很不错的一天。

此外，借助进给速度优化功能，加工时间也减少了约20％（典型的2.5小时加工时间缩短为2小时）。

GPM的另一个优势是易于使用。

即使是新用户，也可以在几个小时的培训后创建刀具路径。

应该提到的是，GPM的主要成功因素是最终用户积极参与开发过程。

他们提供了关键领域知识和许多创新建议。

虽然众多已有关于CAPP的研究工作的报道，要找到适用于具有自由形状的复杂物体的商用CAPP系统并不容易。

本文举例说明，通过与CAM集成并专注于特定的应用领域，可以克服CAPP上的这些障碍。

尽管本文的主题是非常专业的应用程序，但作者认为相同的原理（集成和狭窄的关注点）可以推动在其他领域成功的CAD/CAPP/CAM集成应用程序，例如用于注塑机的模具加工。

特定零件库，例如蜂窝电话或风扇叶片。

致谢

作者对戴姆勒克莱斯勒公司（DaimlerChryslerCorp.），特别是对Mount-Elliot的同事深表感谢。

第一作者想特别感谢ScottSoper的校对和建议。

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2．外文资料原文（与课题相关，至少1万印刷符号以上）：

AnintegratedCAPP/CAMsystemforstampingdiepatternmachining

DepartmentofIndustrialEngineering,KoreaAdvancedInstituteofScienceandTechnology,Daejeon,SouthKorea

^TechnicalComputingCenter,DaimlerChryslerCorp,AuburnHills,MI48326,USA

CubicTechnologyResearchCenter,CubicTekCo.,Seoul,SouthKorea

dKoreaResearchInstituteofShipsandOceanEngineering,Daejeon,SouthKorea

Sincetheearly1980s,CAPPhasbeenexpectedtobridgethegapbe.Thoughnumerousresearchworkso