快速模具集成系統(tǒng)精度保證體系研究-中文翻譯

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快速模具集成系統(tǒng)精度保證體系研究摘要: 介紹了利用 RP技術(shù)的快速性和鑄造工藝的成熟性制造功能性產(chǎn)品的CAE系統(tǒng)，分析了影響產(chǎn)品精度的因素，提出了用非線性有限元分析三個(gè)主要成型階段的精度，采用模式識(shí)別理論、誤差理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法處理誤差反饋問(wèn)題，進(jìn)行誤差補(bǔ)償修正和加工精度的預(yù)報(bào)，提高最終產(chǎn)品質(zhì)量的方法。關(guān)鍵詞：CAE；RT;反饋1　前 言快速原型技術(shù)（Rapid Prototyping & Manufacturing,簡(jiǎn)稱 RP或 RPM）是指在計(jì)算機(jī)控制與管理下，由零件 CAD模型直接驅(qū)動(dòng)，采用材料精確堆積復(fù)雜三維實(shí)體的原型或零件制造技術(shù)，是一種基于離散/堆積成型原理的新型制造方法?？焖俪尚图夹g(shù)已經(jīng)能非常成功地制作包括樹(shù)脂、塑料、紙類(lèi)、石蠟、陶瓷等材料的原型，但往往不能作為功能性零件，只能在有限的場(chǎng)合用來(lái)替代真正的金屬和其它類(lèi)型功能零件做功能實(shí)驗(yàn)。隨著需求的增加和技術(shù)的不斷發(fā)展，快速原型技術(shù)正向快速原型/零件制造的方向發(fā)展。利用 RP技術(shù)成型功能零件尤其是金屬零件的一種主要方法是轉(zhuǎn)換技術(shù)，稱為快速模具（RT，Rapid tooling）技術(shù)。由于傳統(tǒng)模具制作過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高，往往成為設(shè)計(jì)和制造的瓶頸，因此應(yīng)用 RP技術(shù)制造快速經(jīng)濟(jì)模具成為RP技術(shù)發(fā)展的主要推動(dòng)力之一。Paul [1]認(rèn)為從 RP到 RT是快速成型技術(shù)發(fā)展的第二次飛躍。制造和成型的最終目的是要提供滿足要求的產(chǎn)品和服務(wù)。RP 技術(shù)以其諸多優(yōu)越性而成為制造業(yè)的前沿技術(shù)，但因?yàn)椴牧系木窒扌灾萍s了其更廣泛的應(yīng)用；傳統(tǒng)技術(shù)如鑄造、鍛壓等經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，已相對(duì)成熟，但不能適應(yīng)信息時(shí)代的快速柔性要求，在未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)，必須將快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)成型技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)敏捷化制造。2　RP 與 RT系統(tǒng)集成新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中成本最高、工時(shí)最長(zhǎng)的階段就是制造所涉及的物理模型，即原型制造過(guò)程。RP 技術(shù)主要用于零件設(shè)計(jì)的快速檢驗(yàn)以及各種模型的快速制造。其基本原理和成型過(guò)程是：先由 CAD軟件設(shè)計(jì)出所需零件的計(jì)算機(jī)三維曲面實(shí)體模型，即電子模型；然后根據(jù)工藝要求，將其按一定厚度進(jìn)行分層，把原來(lái)的三維電子模型變成二維平面信息（截面信息）；再將分層后的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，加入加工參數(shù)，生成數(shù)控代碼；在計(jì)算機(jī)控制下，數(shù)控系統(tǒng)以平面加工方式有序地連續(xù)加工出每個(gè)薄層并使它們自動(dòng)粘接而成型。RT 就是用各種方法把 RP原型轉(zhuǎn)換成工模具的技術(shù)。其中一個(gè)方法是將原型轉(zhuǎn)換成陶瓷型，再利用鑄造的方法轉(zhuǎn)換成金屬型。利用 RP原型與 RT技術(shù)集成的制造精密鑄造模具方法適應(yīng)了現(xiàn)代工業(yè)向著多品種、變批量發(fā)展的要求，被稱為“柔性工具”方法 [5],其工藝路線. 3 集成系統(tǒng)制造功能性產(chǎn)品的精度分析從 CAD模型到快速原型到產(chǎn)品的過(guò)程可以看出，最終產(chǎn)品的精度是由每個(gè)階段的制造誤差決定的。(1)CAD建模過(guò)程中，由于建模軟件的局限性，對(duì)于復(fù)雜的曲面常常不能精確地加以描述；(2)STL 文件的劃分過(guò)程中，由于 STL文件格式對(duì)幾何造型過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤不敏感，這些錯(cuò)誤通過(guò) STL文件帶入到 RP造型工藝中，有的將嚴(yán)重影響 RP工藝的造型過(guò)程 [3，4] 。而且，STL 文件用平面三角形面片來(lái)逼近空間的任意表面，因而只能近似地表示零件在 CAD系統(tǒng)中的幾何特征 [3]。(3)RP 工藝是通過(guò)材料的堆積來(lái)生成物體原型，許多工藝過(guò)程還伴隨著材料的相變，如 FDM和 SLA工藝。所以，RP 成型過(guò)程不只是一個(gè)材料的機(jī)械堆積過(guò)程，還是一個(gè)高度耦合、非線性的熱力學(xué)過(guò)程。這一過(guò)程的精度影響因素有：材料參數(shù)、激光功率、分層厚度、掃描路徑等。(4)轉(zhuǎn)換工藝中的精度損失取決于轉(zhuǎn)換工藝所使用的材料、轉(zhuǎn)換方法等。(5)金屬澆注過(guò)程是整個(gè)工藝過(guò)程中精度損失最大的階段。通常，前幾個(gè)階段的誤差在 10×10-2mm數(shù)量級(jí)，而金屬凝固過(guò)程的尺寸變化在幾個(gè)甚至十幾個(gè)毫米數(shù)量級(jí)，因此，最終產(chǎn)品精度的提高很大程度上取決于這個(gè)階段。影響其精度的因素有：材料性質(zhì)，如材料密度、彈性模量、導(dǎo)熱率、比熱、線膨脹系數(shù)等，尤其是金屬的高溫?zé)嵛镄詤?shù)，金屬與型腔之間的傳熱特征，澆、冒口的位置等。4 集成系統(tǒng)產(chǎn)品精度保證體系實(shí)際生產(chǎn)中，常常采用試錯(cuò)法來(lái)保證最終產(chǎn)品的精度。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)降低成本、實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、過(guò)程可控性的要求，有必要采用計(jì)算機(jī)集成制造方法，對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真研究。CAE（Computer Aided Engineering,計(jì)算機(jī)輔助工程）包括靈捷制造、柔性制造、同時(shí)工程，虛擬制造等。引進(jìn) CAE技術(shù)，可以把工藝路線重新繪制。如果把中間過(guò)程看作“黑匣子”，則由 CAD模型到產(chǎn)品的工藝路線；此過(guò)程相應(yīng)的快速、多回路誤差控制與反饋系統(tǒng)。5　誤差反饋系統(tǒng)研究在此 CAE系統(tǒng)中，誤差存在于每一階段。在 CAD造型、劃分 STL文件的過(guò)程中，精度的丟失是由于造型軟件的局限性，提高軟件的質(zhì)量，可以降低誤差。在 RP原型制造階段、轉(zhuǎn)換工藝階段和金屬澆注階段，涉及熱、力耦合問(wèn)題，引用非線性有限元方法，在三維笛卡爾坐標(biāo)下，根據(jù)能量守恒原理，可以得出：(1)再將溫度引起的熱應(yīng)力和外力（如邊界條件）之和作為力載荷施加到物體，求得總變形量。得出每一階段的誤差之后，可以建立誤差反饋系統(tǒng)。誤差反饋系統(tǒng)屬閉環(huán)控制系統(tǒng)。它的一個(gè)主要內(nèi)容是變形傳遞函數(shù)的研究。在三維笛卡爾坐標(biāo)下，由計(jì)算得到的變形前和變形后的誤差可以表示為：e(x,y,z)=p 理想 (x,y,z)-p 實(shí)際 (x,y,z) (2)如果用 Δd（x,y,z）表示實(shí)際整體形狀的變化矩陣，g(x,y,z)表示控制矩陣，則整個(gè)過(guò)程的反饋控制可以描述為：Δd（x,y,z）=g(x,y,z) e (x,y,z) (3)e(x,y,z)是每個(gè)過(guò)程的代數(shù)和，即，如果不考慮 CAD造型過(guò)程的誤差，且e1(x,y,z)，e 2(x,y,z)，e 3(x,y,z)分別表示 RP原型制造的誤差、轉(zhuǎn)換工藝過(guò)程的誤差和金屬澆注過(guò)程的變形量，則e(x,y,z)=e1(x,y,z)+e2(x,y,z)+e3(x,y,z) (4)現(xiàn)在的問(wèn)題就是，設(shè)置適當(dāng)?shù)?g(x,y,z)，使 Δd（x,y,z）能夠很快地收斂到小于某個(gè)誤差允許的范圍 δ，即滿足： Δd（x,y,z）＜δ (5)g(x,y,z)體現(xiàn)出我們對(duì)整個(gè)變形過(guò)程的理解，它必須實(shí)時(shí)的反映產(chǎn)品變形和 CAD模型變形的耦合關(guān)系。而且還要隨變形邊界條件和材料參數(shù)的變化而變化。由于整個(gè)過(guò)程是一個(gè)多變量、多輸入的復(fù)雜三維非線性閉環(huán)控制系統(tǒng)，各個(gè)變量之間可能存在耦合關(guān)系，因此，影響 g(x,y,z)的因素很多，很難用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)公式描述，因此，作者提出應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，訓(xùn)練 g(x,y,z)，使Δd（x,y,z）達(dá)到要求。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)的優(yōu)點(diǎn)，可以大大減少誤差反饋問(wèn)題對(duì)工藝數(shù)據(jù)的需求，并且便于系統(tǒng)的擴(kuò)展。而且由于閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)誤差的校正作用，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)方法，可以提高系統(tǒng)的魯棒性。6　結(jié)論RP 技術(shù)是一個(gè)正在快速發(fā)展的新興制造技術(shù)，RP 和 RT技術(shù)相結(jié)合的集成系統(tǒng)是當(dāng)今利用 RP技術(shù)制造功能性零件的主要方法，提高此快速柔性系統(tǒng)的精度是當(dāng)今急迫解決的問(wèn)題。本文分析了影響此柔性制造系統(tǒng)中產(chǎn)品精度的因素，提出了用非線性有限元分析三個(gè)主要成型階段的精度，采用模式識(shí)別理論、誤差理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法處理誤差反饋問(wèn)題，進(jìn)行誤差補(bǔ)償修正和加工精度的預(yù)報(bào)，提高最終產(chǎn)品質(zhì)量的方法。選自《機(jī)電工程》