快速模具集成系統(tǒng)精度保證體系研究樣本

迅速模具集成系統(tǒng)精度保證體系研究【摘要】簡(jiǎn)介了運(yùn)用RP技術(shù)迅速性和鍛造工藝成熟性制造功能性產(chǎn)品CAE系統(tǒng)，分析了影響產(chǎn)品精度因素，提出了用非線性有限元分析三個(gè)重要成型階段精度，采用模式辨認(rèn)理論、誤差理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辦法解決誤差反饋問(wèn)題，進(jìn)行誤差補(bǔ)償修正和加工精度預(yù)報(bào)，提高最后產(chǎn)品質(zhì)量辦法。

核心詞：迅速原型；CAE；RT;反饋

1、前言

迅速原型技術(shù)（RapidPrototyping&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)，采用材料精準(zhǔn)堆積復(fù)雜三維實(shí)體原型或零件制造技術(shù)，是一種基于離散/堆積成型原理新型制造辦法。

迅速成型技術(shù)已經(jīng)能非常成功地制作涉及樹(shù)脂、塑料、紙類(lèi)、石蠟、陶瓷等材料原型，但往往不能作為功能性零件，只能在有限場(chǎng)合用來(lái)代替真正金屬和其他類(lèi)型功能零件做功能實(shí)驗(yàn)。隨著需求增長(zhǎng)和技術(shù)不斷發(fā)展，迅速原型技術(shù)正向迅速原型/零件制造方向發(fā)展。

運(yùn)用RP技術(shù)成型功能零件特別是金屬零件一種重要辦法是轉(zhuǎn)換技術(shù)，稱為迅速模具（RT，Rapidtooling）技術(shù)。由于老式模具制作過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高，往往成為設(shè)計(jì)和制造瓶頸，因而應(yīng)用RP技術(shù)制造迅速經(jīng)濟(jì)模具成為RP技術(shù)發(fā)展重要推動(dòng)力之一。Paul[1]以為從RP到RT是迅速成型技術(shù)發(fā)展第二次奔騰。

制造和成型最后目是要提供滿足規(guī)定產(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)前沿技術(shù)，但由于材料局限性制約了其更廣泛應(yīng)用；老式技術(shù)如鍛造、鍛壓等通過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，已相對(duì)成熟，但不能適應(yīng)信息時(shí)代迅速柔性規(guī)定，在將來(lái)一段時(shí)期內(nèi)，必要將迅速成型技術(shù)與老式成型技術(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)階段就是制造所涉及物理模型，即原型制造過(guò)程。RP技術(shù)重要用于零件設(shè)計(jì)迅速檢查以及各種模型迅速制造。其基本原理和成型過(guò)程是：先由CAD軟件設(shè)計(jì)出所需零件計(jì)算機(jī)三維曲面實(shí)體模型，即電子模型；然后依照工藝規(guī)定，將其按一定厚度進(jìn)行分層，把本來(lái)三維電子模型變成二維平面信息（截面信息）；再將分層后數(shù)據(jù)進(jìn)行一定解決，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持續(xù)加工出每個(gè)薄層并使它們自動(dòng)粘接而成型。

RT就是用各種辦法把RP原型轉(zhuǎn)換成工模具技術(shù)。其中一種辦法是將原型轉(zhuǎn)換成陶瓷型，再運(yùn)用鍛造辦法轉(zhuǎn)換成金屬型。運(yùn)用RP原型與RT技術(shù)集成制造精密鍛造模具辦法適應(yīng)了當(dāng)代工業(yè)向著多品種、變批量發(fā)展規(guī)定，被稱為“柔性工具”辦法[5],其工藝路線，如圖1示。

圖1工藝路線圖

3、集成系統(tǒng)制造功能性產(chǎn)品精度分析

從CAD模型到迅速原型到產(chǎn)品過(guò)程可以看出，最后產(chǎn)品精度是由每個(gè)階段制造誤差決定,如圖2所示。

圖2誤差影響因素

(1)CAD建模過(guò)程中，由于建模軟件局限性，對(duì)于復(fù)雜曲面經(jīng)常不能精準(zhǔn)地加以描述；

(2)STL文獻(xiàn)劃分過(guò)程中，由于STL文獻(xiàn)格式對(duì)幾何造型過(guò)程中浮現(xiàn)錯(cuò)誤不敏感，這些錯(cuò)誤通過(guò)STL文獻(xiàn)帶入到RP造型工藝中，有將嚴(yán)重影響RP工藝造型過(guò)程[3，4]。并且，STL文獻(xiàn)用平面三角形面片來(lái)逼近空間任意表面，因而只能近似地表達(dá)零件在CAD系統(tǒng)中幾何特性[3]。

(3)RP工藝是通過(guò)材料堆積來(lái)生成物體原型，許多工藝過(guò)程還隨著著材料相變，如FDM和SLA工藝。因此，RP成型過(guò)程不只是一種材料機(jī)械堆積過(guò)程，還是一種高度耦合、非線性熱力學(xué)過(guò)程。這一過(guò)程精度影響因素有：材料參數(shù)、激光功率、分層厚度、掃描途徑等。

(4)轉(zhuǎn)換工藝中精度損失取決于轉(zhuǎn)換工藝所使用材料、轉(zhuǎn)換辦法等。

(5)金屬澆注過(guò)程是整個(gè)工藝過(guò)程中精度損失最大階段。普通，前幾種階段誤差在10×10-2mm數(shù)量級(jí)，而金屬凝固過(guò)程尺寸變化在幾種甚至十幾種毫米數(shù)量級(jí)，因而，最后產(chǎn)品精度提高很大限度上取決于這個(gè)階段。影響其精度因素有：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，特別是金屬高溫?zé)嵛镄詤?shù)，金屬與型腔之間傳熱特性，澆、冒口位置等。

4、集成系統(tǒng)產(chǎn)品精度保證體系

實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)常采用試錯(cuò)法來(lái)保證最后產(chǎn)品精度。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展以及對(duì)減少成本、實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、過(guò)程可控性規(guī)定，有必要采用計(jì)算機(jī)集成制造辦法，對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模仿仿真研究。CAE（ComputerAidedEngineering,計(jì)算機(jī)輔助工程）涉及靈捷制造、柔性制造、同步工程，虛擬制造等。引進(jìn)CAE技術(shù)，可以把工藝路線重新繪制，如圖3示。如果把中間過(guò)程看作“黑匣子”，則由CAD模型到產(chǎn)品工藝路線，如圖4所示；此過(guò)程相應(yīng)迅速、多回路誤差控制與反饋系統(tǒng)，如圖5所示。

圖3CAE中工藝路線圖

圖4CAD模型到產(chǎn)品工藝路線圖

圖5多回路誤差控制及反饋系統(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文獻(xiàn)過(guò)程中，精度丟失是由于造型軟件局限性，提高軟件質(zhì)量，可以減少誤差。

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，引用非線性有限元辦法，在三維笛卡爾坐標(biāo)下，依照能量守恒原理，可以得出：

(1)

再將溫度引起熱應(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)。它一種重要內(nèi)容是變形傳遞函數(shù)研究。在三維笛卡爾坐標(biāo)下，由計(jì)算得到變形前和變形后誤差可以表達(dá)為：

e(x,y,z)=p抱負(fù)(x,y,z)-p實(shí)際(x,y,z)

(2)

如果用Δd（x,y,z）表達(dá)實(shí)際整體形狀變化矩陣，g(x,y,z)表達(dá)控制矩陣，則整個(gè)過(guò)程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)程代數(shù)和，即，如果不考慮CAD造型過(guò)程誤差，且e1(x,y,z)，e2(x,y,z)，e3(x,y,z)分別表達(dá)RP原型制造誤差、轉(zhuǎn)換工藝過(guò)程誤差和金屬澆注過(guò)程變形量，則

e(x,y,z)=e1(x,y,z)+e2(x,y,z)+e3(x,y,z)

(4)

當(dāng)前問(wèn)題就是，設(shè)立恰當(dāng)g(x,y,z)，使Δd（x,y,z）可以不久地收斂到不大于某個(gè)誤差容許范疇δ，即滿足：

Δd（x,y,z）＜δ

(5)

g(x,y,z)體現(xiàn)出咱們對(duì)整個(gè)變形過(guò)程理解，它必要實(shí)時(shí)反映產(chǎn)品變形和CAD模型變形耦合關(guān)系。并且還要隨變形邊界條件和材料參數(shù)變化而變化。

由于整個(gè)過(guò)程是一種多變量、多輸入復(fù)雜三維非線性閉環(huán)控制系統(tǒng)，各個(gè)變量之間也許存在耦合關(guān)系，因而，影響g(x,y,z)因素諸多，很難用統(tǒng)一數(shù)學(xué)公式描述，因而，作者提出應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辦法，訓(xùn)練g(x,y,z)，使Δd（x,y,z）達(dá)到規(guī)定。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備通過(guò)小嵌入系統(tǒng)能解決大容量信息長(zhǎng)處，運(yùn)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辦法，可以把此復(fù)雜三維非線形閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)造作圖6描述。

圖6三維非線性閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)造

運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備自學(xué)習(xí)長(zhǎng)處，可以大大減少誤差反饋問(wèn)題對(duì)工藝數(shù)據(jù)需求，并且便于系統(tǒng)擴(kuò)展。并且由于閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)誤差校正作用，也許會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)辦法，可以提高系統(tǒng)魯棒性。

6、結(jié)論

RP技術(shù)是一種正在迅速發(fā)展新興制造技