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系統建構

在文檔中 中 華 大 學 (頁 44-62)

本論文主要的目的是將與 CAD/CAM 技術加以結合,運用到知識工程的理 念、方法及模式有效融入知識工程技術,造就新一代的長圓錐體 CAD/CAM 專 業系統。本質上,知識工程的目的是「技術再利用」,即將知識創造性的應用到 一個工業產品的設計開發及生產製造過程中,充份利用各種實踐經驗、專家知識 及其有關的資訊,產生以知識驅動為基礎的工程設計新思路。簡單的說,知識工 程技術即針對設計的需要進行一系列系統的整合、知識的整合及方法的整合。藉 由上述技術的整合使得整個系統可對一系列的設計進行知識的獲取,進而知識的 再利用,加速設計流程。

本章說明用 CATIA CAD/CAM 專案軟體來作系統建構與驗證建立自由曲線 建立長圓錐體曲線快速建構模組、最佳化加工路徑模組、五軸車磨工具機切削路 徑模擬及干涉檢模組、特殊後處理器模組、後處理轉成加工用的 NC 碼等。

應用 CATIA CAD/CAM 專案軟體建立對話框來載入初始檔案,載入初始機台,

專案程式必須先載入此執行。執行專案程式,所有此專案的功能皆從此執行及執 行後處理,變化角度加工必須由此後處理轉成加工用的 NC 碼。如果某些參數的 結果不理想,是可以再用對話框對參數進行修改,達到設計者及產品精度的需求。

4.1 基本架構

本論文以 CATIA CAD/CAM 專案軟體做二次開發模組為平台,透過與五軸 機械加工工程師及機械設計工程師的經驗交流,將各種長圓錐體曲線、相關五軸 加工向量法加以歸納與描述,並運用以符合工程規則及其相互關係的形式增加工 程知識,從而實現由知識和規則驅動的長圓錐體設計過程。設計人員可透過所建 構的對話框,將對應的尺寸參數輸入,來建立長圓錐體幾何模型,從而實現長圓 錐體建模系統的知識驅動,將建立完成的長圓錐體幾何模型,依照使用五軸車磨 工具機加工的機型,進而透過所建構的對話框,將對應的加工參數輸入,來輸出

加工所需的 NC 資料的檔案。根據上述的說明,說明此一系統功能模組及其間的 關係,系統中以 CATIA 的 CAD 幾何造型核心做為 CAD 資訊的管理,對於一些 特定的資訊則應用定義的特定資訊訊息介面進行各功能模組間的溝通介面,各功 能模組間的資訊仍以 CATIA CAD/CAM 系統進行管理。基本架構圖,如圖 4-1

圖 4-1 基本架構圖

1. 系統介面:此功能是將使用者與系統控制器連接,基本上是以對話框方式與 使用者互動,以進行長圓錐體設計與開發。

2. 長圓錐體設計系統:此一系統提供使用者的長圓錐體的設計彈性,以針對實 際的需求進行所需各種方程式的造型的開發。

3. 資訊訊息介面:各功能模組間的溝通介面。

4. 向量法:將定義向量法用以加工系統所需的各式加工旋轉位置,以參數化的 方式決定長圓錐體設計之最佳逼近圓刀具加工路徑,使用者可依需要改變參 數進行特定最佳旋轉位置的設計。

5. 長圓錐體加工系統:長圓錐體進行加工及長圓錐體底部加工等,NC 程式碼 輸出是根據加工系統對長圓錐體工件輸出加工或精加工 NC 程式碼。

4.2 系統架構

本論文使用 CATIA 軟體平台的知識工程語言建立長圓錐體專業 CAD/CAM 建模系統,並使用了對話框,設計人員可以藉由改變對話框中的參數快速的建構 長圓錐體模型。長圓錐體 CAD/CAM 操作流程圖;如圖 4-2 所示。

圖 4-2 長圓錐體 CAD/CAM 操作流程圖

系統架構依照其功能目的不同分成,其一為建構長圓錐體之外行方程式再建 構長圓錐體之內行方程式,依設計者需求建構長圓錐體之線性方程式,完成後建 立長圓錐體幾何模型,而另一分支則為了規劃設計完成之長圓錐體做加工製造,

加工製造分為三段加工,長圓錐體大端、長圓錐體中段、長圓錐體底部等並以特 殊後處理器轉換成加工 NC 程式碼檔案,實現從造型設計到加工路徑規劃整個完 整。系統架構圖,如圖 4-3

圖 4-3 系統架構圖

4.2.1 長圓錐體造型設計系統架構

長圓錐體造型設計系統主要由長圓錐體拋物線方程式外型設計、長圓錐體串 聯方程式設計及長圓錐體線性方程式各不等厚度設計等,如圖 4-4 所示,以下敘 述將詳細說明:

圖 4-4 長圓錐體造型設計系統架構

長圓錐體造型設計中的長圓錐體設計是建立長圓錐體幾何模型時,所需先建 立長圓錐體方程式曲線架構,再進行各長圓錐體實體架構設計。長圓錐體設計主 要參數為長圓錐體,決定該長圓錐體厚度,並做進ㄧ步設定各級長圓錐體等厚度 半徑和高度尺寸及各級數不等厚度半徑和高度尺寸。如圖 4-5 為長圓錐體設計。

圖 4-5 長圓錐體設計

4.2.2 長圓錐體加工規劃系統架構

長圓錐體加工規劃系統主要由長圓錐體大端加工,長圓錐體中段加工及長圓 錐體底部加工等,如圖 4-6

圖 4-6 長圓錐體加工規劃系統架構

4.2.3 長圓錐體加工規劃

長圓錐體素材從一開始加工到成所需的零件內型此過程為加工,加工過程是 完成一個零件所必經的程序,而且加工過程是材料移除料最多的ㄧ個過程。移除 率也就是節省加工成本最重要的考量因素,所以如何將提升加工時大量的材料移 除率,成為開發程式最初期的考量重點。另外一個需要考量的重點就是,完成粗 加工後零件上所殘留下來的餘料厚度及表面的狀況,這些問題更是影響往後精加 工或加工的重要因素。

加工規劃功能在建立加工程式中設定刀具進給、切削 X 軸厚度、加工預留 量及加工尖端預留量參數,這些參數是針對以下的問題而設定,如加工後若留下 太厚的殘料將會影響後續加工的效率,也可能造成刀具過量的磨耗,加工後的表 面狀況為凹凸不平或是有許多毛邊出現可能造成刀具壽命減少及刀具的破壞,並 且透過刀具路徑的規劃解決這些問題,達到效率高精度高的要求。

4.2.4 長圓錐體加工路徑規劃

本論文在路徑規劃方面是運用長圓錐體的加工素材屬於長圓錐形的特點,以 內徑進行切削,此方式可以夾具用壓端面將長圓錐體外部的支撐,因為夾具加防 震料料保持在長圓錐體的外部,可以改善對於長圓錐體的震動的問題。

加工路徑規劃方式為由長圓錐體的素材置入夾具內用壓端面方法用將長圓錐 體外部的支撐與外徑交點至素材中心點的向量和外徑交點至素材中心點的向 量,均分此兩向量得到中心向量。由中心向量的內徑頂點設定為起始點,延著負 中心向量,依序設立點座標,這些點座標分別為的基準點並且建立成平面,分八 等分座標校正中心平均分佈,如圖 4-7 所示長圓錐體的加工素材。

圖 4-7 長圓錐體的加工素材

根據長圓錐體的的參數值與精車預留量決定磨輪或車刀的直徑及長度尺寸 依據磨輪或車刀的直徑及長度而做決定,將磨輪或車刀置放到刀座上另ㄧ方面以 量測磨輪或車刀的值輸入到機台刀具幾何補償位置,長圓錐體底部加工必須先用 搪刀搪孔,再依據磨輪或車刀的直徑及長度不干涉工件而做決定,如圖 4-8

圖 4-8 長圓錐體底部干涉加工

將此磨輪或車刀的直徑及長度校正後呼叫設定程式號碼即為加工刀具路徑 走法。長圓錐體的大端加工,如圖 4-9;長圓錐體中段加工,如圖 4-10;長圓錐 體底部加工,如圖 4-11。

圖 4-9 長圓錐體的大端加工

圖 4-10 長圓錐體中段加工

圖 4-11 長圓錐體底部加工

4.2.5 刀具最佳化尺寸規劃

本研究所開發的長圓錐體 CAD/CAM 專業系統之知識庫中,目前完成了以 刀具最佳化尺寸的方式讓整個長圓錐體加工設計更為完善。採取刀具最佳化尺寸 的緣由是因為加工長圓錐體是該採用什麼形式的長圓錐體底部加工先鑽孔在成 型刀及尺寸,此設計方式是為了快速的提供該選用那把刀具可以減少加工時間。

因此本研究利用最佳化求解技術,求解最佳的設計參數,使得刀具尺寸越大加工 時能車磨削的材料越多節省消耗的時間。

刀具最佳化尺寸的主要三個要素如下三點:

1. 目標:刀具最佳化尺寸的目標即為求解刀具直徑越大能除的料越多可節省加 工時間,因為在軟體上並沒辦法準確的求得真正的加工時間,所以以刀具直 徑之最大尺寸作為目標。以最大刀具直徑尺寸作為求解目標,加工時刀具進 行相同除料時,較大的刀具除料的時間較省,並且刀具尺寸越大刀具的剛性 強度較強,不易產生斷刀現象,因此以刀具尺寸最大直徑尺寸作為求解目標。

2. 設計變數:刀具最佳化尺寸的設計變數即為刀具之直徑值,因刀具之直徑值 是影響加工時間的主要參數。

3. 約束條件:刀具最佳化尺寸中之約束條件為長圓錐體幾何模型之預留值範圍。

透過刀具最佳化尺寸可有效的快速找出最佳的刀具直徑值,使進行加工時除 料的進給率變大,達到符合設計要求之加工時間縮短。粗加工部分刀具長度會依 造長圓錐體底部至長圓錐體端面距離增加此距離的細長比 5:3,得到最後的最 佳路徑。中加工、精加工和底部精加工部分,因為使用向量法的考慮,以預留值 作為約束的條件,求得取小數點 0.001 後一位數進行捨去法。

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