集成的 CAPP 、CAM 系統(tǒng)用于沖壓模加工外文文獻(xiàn)翻譯、中英文翻譯
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外文出處： Computer-Aided Design 35(2003)203-213
1．外文資料翻譯譯文（約3000漢字）：
集成的 CAPP / CAM 系統(tǒng)用于沖壓模加工
Hayong Shina,1,*, Gustav J. Ollingb, Yun C. Chungc, Bo H. Kimd, Su K. Chob
a韓國大田科技大學(xué)工業(yè)工程系，韓國大田
b美國戴姆勒克萊斯勒公司技術(shù)計算中心，美國密歇根州奧本山 48326
c立方技術(shù)研究中心，立方，韓國首爾
d韓國大田韓國船舶海洋工程研究所
2001 年 7 月 13 日收到；2001 年 11 月 12 日修訂;2001 年 12 月 22 日接受
摘 要
自 1980 年代初以來，人們一直期望 CAPP 能夠彌合 CAD 和 CAM 之間的鴻溝。盡管已經(jīng)報道了許多有關(guān) CAPP 的研究工作，但是要找到適用于具有自由形狀的復(fù)雜物體（如模具和模具）的商用 CAPP 系統(tǒng)并不容易。對 CAM 系統(tǒng)的依賴關(guān)系牽制著CAPP 的一條腿，而自由形狀加工中解決方案空間的復(fù)雜性則緊緊抓住了另一條腿。本文舉例說明，通過與 CAM 集成并專注于特定的應(yīng)用領(lǐng)域，可以克服 CAPP 橋上的這些障礙。用于車身面板的增模的主要組件是通過對原材料鑄件進(jìn)行機(jī)加工來制造的，這些原材料鑄件通常是通過消失模鑄造工藝制成的。模具圖案是由保麗龍制成的用于消失模鑄造的消失模。工業(yè)趨勢是通過 CNC 加工來構(gòu)建模具圖案。在本文中，描述了一種高度專業(yè)的 CAPP / CAM 集成系統(tǒng)，稱為“生成圖案加工（GPM）”，用于自動生成刀具路徑以從沖壓模具的 CAD 模型中切割出模具圖案。說明了 GPM 的總體結(jié)構(gòu)和詳細(xì)步驟。戴姆勒克萊斯勒樣板店非常成功地使用了 GPM。
關(guān)鍵字：模具模式；特征識別；生成過程計劃；刀具路徑生成
1. 介紹
沖壓模具包括幾個主要部件，例如沖頭，墊，環(huán)，上下座（如圖 1 所示），以及幾個較小的零件，包括耐磨板和導(dǎo)銷。沖壓模具的主要部件通常通過機(jī)加工原材料鑄造來制造。原始鑄件定義了組件的整體結(jié)構(gòu)，并攜帶了額外的材料，這些材料將添加到稍后要進(jìn)行機(jī)械加工的區(qū)域，以獲得確切的形狀和尺寸。通常通過使用消失模鑄造工藝來鑄造原料，并且用于鑄造工藝的消失模被稱為模頭模（或簡稱為模）。
圖 2 顯示了沖壓模具設(shè)計和制造的總體過程。圖 2的頂層顯示了信息流，中間層顯示了活動的順序，而底層則描述了物理材料。本文著重于模式構(gòu)建。在圖 2 中，是活動層的第三個方框，該方框是關(guān)于由聚苯乙烯泡沫塑料制成的用于消失模鑄造過程的模具模型。隨著 3D CAD 被廣泛用于模具設(shè)計中，圖案構(gòu)建的行業(yè)趨勢是使用 CNC 加工來利用 3D 模具模型。商業(yè)通用 CAM 系統(tǒng)可用于生成模具路徑 CNC 加工的刀具路徑。但是，他們需要大量的用戶交互才能獲得所需的工具路徑，從而使模式構(gòu)建過程變得非常耗時且昂貴。在本文中，介紹了一種稱為生成模式加工（GPM）的專用 CAPP / CAM 集成系統(tǒng)。
2. 模式建立過程
本節(jié)將描述通過模具模型的 CNC 加工來構(gòu)建模具圖案的詳細(xì)工藝步驟。圖 3 顯示了使用通用 CAD / CAM 系統(tǒng)時的處理流程。將在第 2.1-2.4 節(jié)中說明圖3 的前三個方框，以描述任務(wù)的性質(zhì)。然后，第 2.4節(jié)和圖 6 會將其與具有 GPM 的處理流程進(jìn)行比較。
2.1. 模式建模
由于鑄造工藝無法產(chǎn)生沖壓模具所需的確切尺寸或表面質(zhì)量，因此在功能面上（例如用于裝配的配合面和金屬成型所涉及的模具面）需要一些額外的填充物。多余的毛坯將在圖 2 的 CNC 加工活動中稍后去除。那些上面帶有多余材料的端面稱為待加工端面，其他端面稱為鑄件端面。第一步是通過在模具模型的待加工面上增加額外的庫存余量來創(chuàng)建圖案模型。庫存余量取決于鑄造工藝的精度，通常為10 毫米左右。因此，與模具加工相比，圖案加工可利用具有相當(dāng)大的公差的優(yōu)勢。待加工面由模具設(shè)計師標(biāo)記。
2.2. 模型切片
第二步是將模式模型分成幾個切片，可以分別加工然后再組裝。切片的原因和標(biāo)準(zhǔn)如下（（a）-(c) 是驅(qū)動原因，（d）-（f）是次要標(biāo)準(zhǔn)）。
(a) 使三軸機(jī)床可以訪問隱藏的功能；
(b) 適應(yīng)可用工具長度，機(jī)床工作臺尺寸和聚苯乙
烯泡沫塑料生料塊尺寸的限制；
(c) 避免削減過多的音量；
(d) 減少切片數(shù)量并減少加工時間；
(e) 避免切得太?。?
(f) 加快組裝速度
圖 4 顯示了從上面列出的原因得出的切片模型的一些示例。由于上述標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常彼此沖突，因此在確定切片的數(shù)量和位置時需要折衷。如圖 4 所示，拉絲模具的主要組成部分通常分為 2-4 個切片。
2.3. 工藝規(guī)劃
在不使用通用 CAM 系統(tǒng)的情況下如果使用自動過程計劃功能，則過程計劃步驟將以手動方式完成，并且以刀具路徑生成命令序列以及輔助幾何圖形的形式實現(xiàn)，以指導(dǎo)和限制刀具路徑。在工藝計劃步驟中應(yīng)考慮以下保麗龍圖案加工的特征。
(a) 由于需要切割大量的軟質(zhì)材料，因此需要很高的進(jìn)給速率和較大的切割深度以減少加工時間。機(jī)加工人員可以用砂紙輕松去除機(jī)加工后殘留的大尖牙。
(b) 切屑的去除和冷卻對于加工低熔點聚苯乙烯泡沫塑料圖案非常重要溫度。液態(tài)冷卻劑不適用于聚苯乙烯泡沫塑料加工。空氣吸入連接到空心主軸和在側(cè)面上帶有孔的空心刀具，可提供良好的切屑清除和冷卻效果。從過程計劃的角度來看，進(jìn)近運動的選擇非常重要。例如，應(yīng)避免掉入聚苯乙烯泡沫塑料塊中以防止材料熔化。
(c) 切割順序?qū)τ诒苊庠诩庸ご嘈院痛嘈缘木郾揭蚁┡菽芰蠄D案時產(chǎn)生斷裂至關(guān)重要。例如，如圖 5 所示，如果首先切割周圍區(qū)域 A，則聚苯乙烯泡沫塑料的高塔將留在區(qū)域 B 的頂部，在加工區(qū)域 B 時很容易折斷。
(d) 因為聚苯乙烯泡沫塑料加工的切削負(fù)荷相對較小，既不需要也不希望有粗加工步驟。實際上，粗加工步驟會弱化材料并在精加工時使較薄的特征（例如懸空的臂）擺動（或斷裂）。這會導(dǎo)致不良的表面質(zhì)量（或斷裂）。
2.4. 使用 GPM 建立模式
圖 3 中的三個陰影框組合成 GPM，GPM 以高度自動化的方式執(zhí)行這些任務(wù)。圖 6 顯示了使用 GPM 時模式構(gòu)建的過程流程。
3. GPM 的架構(gòu)
GPM 的目的是為圖案制作者提供一種方便的工具，該工具幾乎不需要用戶交互。GPM 是在 X / Motif 環(huán)境下使用 OpenGL 用 C ++語言編寫的 CAD 系統(tǒng)之外運行的獨立軟件。為了利用較大的公差，可以使用近似多面體模型來表示 GPM 中的芯片切片。多面體近似在 CAD 系統(tǒng)中完成，并以標(biāo)準(zhǔn) STL 格式或戴姆勒克萊斯勒專有格式 SOL 導(dǎo)出。雖然 STL 格式包含一堆無關(guān)的三角形，SOL 格式可以表示具有拓?fù)湫畔⒌耐ㄓ枚嗝骟w模型以及用于區(qū)分待加工面和鑄態(tài)面的面屬性。GPM 在 CATIA 中嵌入了一個小型配套模塊，該模塊可從 CATIA 模具模型生成 SOL 文件。圖 7 顯示了 GPM的體系結(jié)構(gòu)。在隨后的部分中，將介紹 GPM 的詳細(xì)步驟。
4. 閱讀模型并添加庫存
GPM 使用半邊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[1]存儲切片的多面體實體模型。如果使用 SOL 格式，則模型讀取步驟很簡單。使用 STL 文件格式時，由于 STL 文件格式不包含任何拓?fù)湫畔ⅲ虼诵枰~外的處理才能從幾何圖形重建實體模型。有關(guān)從 STL 文件重建實體拓?fù)涞脑敿?xì)高效算法，請參見參考資料。[2]。簡而言之，將STL 文件中的每個頂點與存儲的頂點列表進(jìn)行比較。如果從列表中找到相同的頂點，則使用存儲的頂點指針。如果找不到，則新頂點存儲在列表中。為了有效搜索，采用了哈希表結(jié)構(gòu)。在為 STL 文件重建拓?fù)渲?，需要合并相鄰的共面三角形以形成更大的平面。然后，通過用戶交互來標(biāo)記待加工的面部。 為了創(chuàng)建圖案模型，通過補(bǔ)償要加工表面上的加工余量。圖 8 示出了示例性鑄態(tài)面（細(xì)實線），待加工面（粗實線）以及增加的備料余量（虛線）。
5. 加工特征識別
加工特征識別為自動過程規(guī)劃和刀具路徑生成提供了重要基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[3-7]中已經(jīng)報道了各種類型的特征識別方法。有關(guān)全面調(diào)查，請參見參考資料[6]。在 GPM 中，功能識別分為兩個階段：（1）加工區(qū)域識別和（2）特征類型分類。
5.1. 加工區(qū)域識別
此階段是確定要刪除的區(qū)域。加工區(qū)域是一組具有相似面法線矢量方向的相鄰面。在這一階段，采用了一種簡單的區(qū)域增長算法，該算法在圖像分割中很受歡迎。為了解釋加工區(qū)域識別算法，首先介紹一些功能：
? angle（f1，f2）返回 f1 和 f2 的法向矢量之間的角度
? face_type（f）根據(jù)人臉法線向量（nx，ny，nz）及其位置返回以下類型之一：
如果 f 與模型邊界框的頂平面重合，則為topmost_horizontal，
如果 f 與模型邊界框的底平面重合，則bottommost_horizontal，
如果 lnzl tol 并且 f 不是 topmost_horizontal，則向上；如果 nz <-tol 并且 f 不是 bottommost_horizontal，則向下。
算法加工_區(qū)域_標(biāo)識
1. 將所有面標(biāo)記為未訪問
2. //找到核心的面
核心=找到不垂直的未訪問面
如果找不到核心，請退出
3. //創(chuàng)建一個初始區(qū)域
mr =創(chuàng)建一個新的加工區(qū)域
向mr添加核心；將核心添加到seed_queue并標(biāo)記為瀏覽過
4. 當(dāng) seed_queue 不為空時
4.1 s =從 seed_queue 刪除第一張面
4.2 對于與 s 相鄰的每個面 f
4.2.1 如果訪問了 f，則繼續(xù)
4.2.2 如果 face_type（f）= f face_type（s），繼續(xù)
4.2.3 如果 angle（f，s）>臨界值，則繼續(xù)
4.2.4 給先生加 f;將 f 添加到 seed_queue；將 f標(biāo)記為瀏覽過
5. 轉(zhuǎn)到步驟 2
請注意，算法中的加工區(qū)域僅包含上表面或僅包含下表面，但不包含混合區(qū)域。垂直面不包括在任何加工區(qū)域中，但是它們用作加工區(qū)域之間的分隔物。角度差的閾值用于沿尖端分離區(qū)域。盡管臨界值的選擇對系統(tǒng)性能不是很關(guān)鍵，但應(yīng)大于多面體近似的角度公差，以免產(chǎn)生太多的小區(qū)域。在 GPM 中，經(jīng)過多次實驗后，發(fā)現(xiàn)閾值的 30°是一個合理的值。
5.2. 特征類型分類
GPM 中的加工特征主要有兩種：區(qū)域特征和邊界特征。通過將以下特征類型分配給上一步中確定的加工區(qū)域來獲得區(qū)域特征：
(a) 封閉的口袋：被墻壁封閉的口袋；
(b) 開放式口袋：切刀可從開口接近的部分或全部開放式口袋；
(c) 最上層平面：切片模型的上層平面；
(d) 最底面：切片模型的最底面。
類型（c）或（d）的特征僅包含最上面或最下面的面，并且不需要加工，因為它們已存在于原始聚苯乙烯泡沫塑料塊中。為了將其他加工區(qū)域分類為（a）或（b）類型，需要加工區(qū)域的邊界環(huán)。加工區(qū)域 mr 的邊界循環(huán)是半邊的有序列表，其半邊面不屬于 mr。邊界循環(huán)的構(gòu)建過程非常簡單，因此本文將其省略。加工區(qū)域以外圍循環(huán)和 0 個或多個內(nèi)部循環(huán)。一旦獲得邊界環(huán)，就通過檢查配合面的相對位置將環(huán)上的每個半邊標(biāo)記為打開或閉合，如圖 9 所示。對于上加工區(qū)域由上表面組成的加工區(qū)域，如果 h 的交配面高于 h 的所有者，則半邊 h 閉合。h 否則打開。如果加工區(qū)域的連續(xù)開口邊緣大于要使用的刀具直徑，則為開放腔，否則為封閉腔。 （打開或關(guān)閉）袋狀特征表示要刪除的區(qū)域，邊界特征表示工具要針對外圍（切片的外部邊界）或貫通芯（內(nèi)部邊界）追蹤的曲線。邊界特征曲線是 2D 多邊形，是通過向上加工區(qū)域和最上面的平面的邊界環(huán)的并集計算得出的。有關(guān) 2D 多邊形的有效布爾運算，請參見參考。[8]。 圖 10 顯示了確定的加工區(qū)域和指定的特征類型的示例。
6. 自動流程計劃
在本文中，過程計劃裝置（1）為特征指定刀具路徑類型，（2）確定切削刀具和參數(shù)，例如刀具路徑間隔，以及（3）對加工特征進(jìn)行排序。確定這些因素時應(yīng)考慮 2.3 節(jié)中描述的問題。在此應(yīng)用中，刀具路徑類型和切削刀具由表 1 和圖 11 中所示的特征類型確定。在表 1 中，使用 50 mm 刀具的主要原因是因為模具設(shè)計中的默認(rèn)圓角半徑戴姆勒克萊斯勒的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為 25 mm。在其他環(huán)境中，可以通過考慮模具設(shè)計幾何形狀來確定刀具尺寸。通過折衷加工時間和尖角高度，并根據(jù)經(jīng)驗，在裝袋過程中將刀具直徑的 1/6 用作過渡（也稱為峰值進(jìn)給）。 如第 2.3 節(jié)所述，正確的加工順序非常重要?？傮w加工包括四個步驟：（1）對外圍和通芯進(jìn)行仿形；（2）向下加工特征；（3）翻轉(zhuǎn)工件；（4）向上加工特征，不一定按此順序進(jìn)行。對這四個步驟進(jìn)行排序取決于上/下側(cè)是否平坦以及切片包含單個塊還是多個塊，因為工件設(shè)置問題。例如，如果頂面不平坦，則應(yīng)在翻轉(zhuǎn)后對頂面進(jìn)行加工。如果切片由多個塊組成，則應(yīng)在翻轉(zhuǎn)后進(jìn)行輪廓分析，以保持塊之間的相對位置。表 2 中提供了完整的案例枚舉。如果兩邊都不平坦，則需要特殊的夾具技術(shù)，幸運的是，在圖案加工中幾乎不會發(fā)生案例。
為了避免圖 5 中說明的情況，需要在圍繞較大的區(qū)域之前切割較小的區(qū)域。為此，通過檢查特征之間的包含關(guān)系來構(gòu)造如圖 12 所示的層次樹結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過比較加工特征的邊界環(huán)來進(jìn)行測試。在圖12 中，特征 B，C，D 被 A 包圍，F(xiàn) 被 E 包圍，依此類推。根據(jù)第 2.3 節(jié)的觀察，需要在切割父特征之前加工子特征。應(yīng)該對數(shù)級別的要素進(jìn)行排序，以減少工具的移動時間。在 GPM 中，實現(xiàn)了一種簡單的類型算法進(jìn)行排序，該算法將與當(dāng)前特征最接近的特征連接起來。這可能無法提供最佳解決方案的結(jié)果，并且可以通過調(diào)整復(fù)雜的旅行商問題（TSP）算法（例如模擬退火）來大大改善。但是，這種優(yōu)化的影響應(yīng)該很小。一旦構(gòu)建了層次樹，就可以通過以后順序遍歷樹來獲得加工順序（深度優(yōu)先遍歷方法將首先訪問子節(jié)點，然后再訪問同級節(jié)點）。這種遍歷將產(chǎn)生 B-+ C-+ D-+ A-+ 當(dāng)應(yīng)用于圖 12 中的示例時，F(xiàn)-+ E-+ H-+ G-+ J-+ I。
7. 刀具路徑生成
一旦完成了過程計劃，刀具路徑的生成就相當(dāng)簡單了，參考文獻(xiàn)中介紹了眾所周知的刀具路徑生成技術(shù)?？梢允褂肹9]。在本節(jié)中，將僅介紹特殊功能。
7.1. 多邊形曲線偏移
多邊形曲線偏移是生成刀具路徑的基本操作之一。對于多邊形曲線偏移，Voronoi 圖[10-12]或直骨架[13]提供了極好的標(biāo)準(zhǔn)。這也可以通過平面掃描算法[14]來完成。在 GPM 實施中，對筆直骨架進(jìn)行了稍微修改以獲得輸入多邊形的斜切偏移。
7.2. 刀具路徑鏈接用于方向平行打包
對于具有用于工具進(jìn)入的開口的開放型腔，為了減少不必要的逼近運動，方向平行的型腔是理想的。進(jìn)入位置由沿加工特征邊界環(huán)的最長開放邊確定。將特征的加工方向選擇為加工特征邊界框的較長邊，以使加工方向轉(zhuǎn)彎更少。為了減少空氣切割時間，可以使用鋸齒形的刀具路徑鏈接 絕對有利的是，因為在圖案加工中加工的表面質(zhì)量不是很重要。但是，由于機(jī)床的加速/減速，連續(xù)的刀具路徑之間的垂直鏈接是不可取的。時間。對于高速加工，在 GPM 中實現(xiàn)了如圖 13 所示的 C 型或 S 型路徑鏈接策略。路徑鏈接中的另一個問題是最小化工具縮進(jìn)和逼近運動的次數(shù)。為此，需要按工具路徑段的可訪問性對其進(jìn)行分組，并構(gòu)建如圖 14 所示的路徑鏈接圖。鏈接順序是通過對路徑鏈接圖進(jìn)行后順序遍歷而獲得的，該路徑鏈接圖從沒有前人未曾訪問的節(jié)點。
7.3. 刀具路徑生成示例
圖 15 顯示了 GPM 生成的刀具路徑的一些示例。輪廓平行裝袋和方向平行裝袋工具路徑如圖 15（a）所示。圖 15（b）顯示了兩種接近運動。圖 15（c）顯示了外圍和貫通型芯的仿形工具路徑。向下加工特征的整體刀具路徑如圖 15（d）所示。
8. 切削模擬和進(jìn)給率優(yōu)化
切削仿真提供了進(jìn)給率優(yōu)化，刀具路徑驗證和清理刀具路徑生成所需的基本信息。Z-map 是用于切削模擬目的的出色工具。有關(guān)切割的細(xì)節(jié)使用 Z-map 進(jìn)行模擬，請參見參考資料。[9,15]。生成刀具路徑后，將執(zhí)行切削仿真以獲取以下信息：
(a) 加工后產(chǎn)生的形狀。
(b) 每個刀具路徑段的切削負(fù)荷。
(c) 快速運動時發(fā)生碰撞。
其中，切削載荷是通過計算刀具路徑段的每單位長度（MRV）的材料去除量而獲得的。由于與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計，因此可以通過將單位時間的材料去除率（MRR）保持在機(jī)床和刀具可以承受的最大水平附近來優(yōu)化進(jìn)給速度。從理論上講，可以通過以下公式獲得進(jìn)給速度：
進(jìn)給速度（mm / min）= MRR（mm3/ min）/ MRV（mm2） （1）
在上式（1），最佳 MRR 在一臺機(jī)器之間會有所不同，應(yīng)根據(jù)實驗和經(jīng)驗確定。在 GPM 實施中，以離散形式表示，如圖 16 所示，以避免接近零的進(jìn)給速度或無限的進(jìn)給速度。它還可以防止過度頻繁地改變進(jìn)給速度。在 GPM 中，通過實驗獲得了圖 16 中圖表的實際值。
如果刀具路徑段與刀具相比很長 直徑，應(yīng)先分成幾塊切削模擬，以便根據(jù) MRV 等級分配不同的進(jìn)給速度。例如，當(dāng)長段僅在其末端獲得高切削負(fù)荷時，最后一個子段需要獲得較低的進(jìn)給速度，而另一部分需要較高的進(jìn)給速度。
9. 工具路徑驗證和清理工具路徑生成
GPM 提供了三種功能來驗證工具路徑，以幫助用戶：
(a) 與相關(guān)加工特征相關(guān)的刀具路徑的圖形顯示；
(b) 具有坐標(biāo)顯示的工具動畫；
(c) 顯示的最終形狀（從切削模擬中獲得）顯示，用鑿/未切割/法線進(jìn)行顏色編碼。
切削模擬生成的 Z 貼圖也可以用于使用較小的刀具為未切削區(qū)域制作局部刀具路徑。通過切割模擬，顯示未切割區(qū)域。用戶可以選擇相關(guān)的未切割區(qū)域，并使用較小的切割器生成局部的清理工具路徑，以移除所選的未切割區(qū)域。邊界選定的未切割區(qū)域的曲線用于限制刀具路徑。圖 17顯示了切割模擬過程和從未切割區(qū)域計算出的清理工具路徑。
10. 結(jié)束語
總之，討論了模具加工的一般問題，并解釋了 GPM的總體架構(gòu)和詳細(xì)步驟。戴姆勒克萊斯勒樣板非常成功地使用了 GPM。創(chuàng)建典型的切片模型的 CNC 程序通常花費不到半小時的時間，這在使用通用 CAM系統(tǒng)時是很不錯的一天。此外，借助進(jìn)給速度優(yōu)化功能，加工時間也減少了約 20％（典型的 2.5 小時加工時間縮短為 2 小時）。GPM 的另一個優(yōu)勢是易于使用。即使是新用戶，也可以在幾個小時的培訓(xùn)后創(chuàng)建刀具路徑。應(yīng)該提到的是，GPM 的主要成功因素是最終用戶積極參與開發(fā)過程。他們提供了關(guān)鍵領(lǐng)域知識和許多創(chuàng)新建議。
自 1980 年代初以來，人們一直期望 CAPP 能夠彌合 CAD 和 CAM 之間的鴻溝。雖然眾多已有關(guān)于 CAPP 的研究工作的報道，要找到適用于具有自由形狀的復(fù)雜物體的商用 CAPP 系統(tǒng)并不容易。本文舉例說明，通過與 CAM 集成并專注于特定的應(yīng)用領(lǐng)域，可以克服 CAPP 上的這些障礙。盡管本文的主題是非常專業(yè)的應(yīng)用程序，但作者認(rèn)為相同的原理（集成和狹窄的關(guān)注點）可以推動在其他領(lǐng)域成功的 CAD / CAPP / CAM 集成應(yīng)用程序，例如用于注塑機(jī)的模具加工。特定零件庫，例如蜂窩電話或風(fēng)扇葉片。
致謝
作者對戴姆勒克萊斯勒公司（DaimlerChrysler Corp.），特別是對 Mount-Elliot 的同事深表感謝。第一作者想特別感謝 Scott Soper 的校對和建議。
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2．外文資料原文（與課題相關(guān)，至少1萬印刷符號以上）：
An integrated CAPP/CAM system for stamping die pattern machining
Hayong Shina,1,*, Gustav J. Ollingb, Yun C. Chungc, Bo H. Kimd, Su K. Chob
Department of Industrial Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Daejeon, South Korea
^Technical Computing Center, DaimlerChrysler Corp, Auburn Hills, MI 48326, USA
Cubic Technology Research Center, CubicTek Co., Seoul, South Korea
dKorea Research Institute of Ships and Ocean Engineering, Daejeon, South Korea
Since the early 1980s, CAPP has been expected to bridge the gap be.Though numerous research works on CAPP have been reported, it is not easy to find a commercial CAPP system applicable to complicated objects with freeform shapes such as mold and die. The dependency on CAM system is holding one leg of CAPP, while the complexity of the solution space in freeform shape machining has a tight grip on the other. This paper exemplifies that these obstacles on the CAPP bridge can be overcome by the integration with CAM and by focusing on a specific application area. Major components of a staming die for the car body panel are manufactured by machining the raw stock castings, which are usually made by the lost foam casting process. Die pattern is the lost foam pattern made of Styrofoam for the raw stock casting. The industry trend is to build die patterns by CNC machining. In this paper, a highly specialized CAPP/CAM integrated system, called Generative Pattern Machining (GPM), for automatic tool paths generation to cut die pattern from the CAD model of the stamping die is described. The overall structure and the detailed steps of GPM are explained. GPM is being used by DaimlerChrysler pattern shop very successfully. ? 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.
1.Introduction
A stamping die set consists of a few major components such as punch, pad, ring, lower and upper shoes (shown in Fig. 1) as well as several smaller parts including wear plate and guide pin. Major components of a stamping die set are usually manufactured by machining raw stock casting. Raw stock casting defines the overall structure of a component, and carries extra material added on the areas which are to be machined later to get the exact shape and dimension. Raw stocks are typically cast by use of lost foam casting process, and the lost foam pattern for the casting process is called die pattern (or pattern for short).Fig. 2 shows the overall process for stamping die design and manufacturing. The top layer of Fig. 2 shows the information flow, the middle layer shows the sequence of activities, and the bottom layer depicts the physical materials. This paper is focused on the pattern building activity, the third box of the activity layer in Fig. 2, which is about building die pattern made of Styrofoam for the lost foam casting process. As 3D CAD is being widely used in die design, the industry trend in pattern building is to use CNC machining to take advantage of 3D die model. Commercial general purpose CAM systems can be used to generate tool paths for CNC machining of die pattern. However, they require so much of user interaction to get the desired tool path, that the pattern building processcan become very time consuming and costly. In this paper, a specialized CAPP/CAM integrated system called Generative Pattern Machining.
Pattern building process
This section will describe the detailed process steps to build a die pattern by CNC machining from the die model. Fig. 3 shows the process flow when using general purpose CAD/CAM system. The first 3 boxes of Fig. 3 will be explained in the Sections 2.1-2.4 to describe the nature of the tasks. Then Section 2.4 and Fig. 6 will compare this to
Fig. 1. Major components of a stamping die.
1.1 Pattern modeling
Since the casting process cannot produce the exact dimensions nor the surface quality required for a stamping die, some extra flesh is required on the functional faces such as the mating faces for assembly and the die faces involved in the metal forming. The extra stocks are to be removed later at the CNC machining activity of Fig. 2. Those faces with extra material on them are called to-be-machined faces and others are called as-cast faces. The first step is to create the pattern model by adding extra stock allowance on the to- be-machined-faces of the die model. The amount of the stock allowance depends on the precision of the casting process, and is usually around 10 mm. Hence pattern machining may take advantage of having a fairly big toler ance compared to that of die machining. To-be-machined- faces are marked by the die designers.
2.2 Model slicing
The second step is to split the pattern model into a few slices that can be machined separately and assembled later. The reasons and criteria for the slicing are as follows ((a)-being the driving reasons and (d)-(f) being the second ary criteria).
to make hidden features accessible by a three-axis machine;
to fit in the limit of available tool length, machine table size, and available Styrofoam raw block size;
to avoid cutting excessive volume;
to minimize the number of slices and reduce machin ing time;
Fig. 2. Die manufacturing process
2.3Process planning
Fig. 3. Traditional pattern building process
(a) When using a general purpose CAM systems without automatic process planning functionality, the process plan ning step is done in a manual manner and is realized in form of the tool paths generation command sequence together with auxiliary geometry to guide and confine the tool paths. The following characteristics of Styrofoam pattern machining should be considered in the process planning step:Since a fairly large amount of soft material needs to be cut, a very high feed rate and a big depth of cut are desirable to reduce the machining time. The large cusps remaining after the machining can be easily removed by the pattern maker with a sand paper.
(b) Chip removal and cooling are very important in machining Styrofoam pattern with a low melting temperature. Liquid coolant is not applicable to Styro foam machining. Air suction connected to a hollow spindle and a hollow cutter with holes on the flank provides a good chip removal and cooling effect. From the process planning perspective, the approach motion selection is very important. For example, the plunging approach into the Styrofoam block should be avoided to prevent melting the material.
(c) The cutting sequence is critical to avoid breakage during machining a brittle and fragile Styrofoam pattern. For example as shown in Fig. 5, if the surrounding area A is cut first, a tall tower of Styrofoam will be left on top of the area B, which would be easily broken when machin ing the area.
Fig. 4. Slice models. (a) A punch, (b) the slice models from (a), (c) an upper shoe, (d) the slice models from (c)
(d) Because the cutting load for Styrofoam machining is relatively small, a roughing step is neither required nor desirable. In fact, a roughing step will weaken the material and make thin features (such as a dangling rib) wobble (or break) when finishing. This results in bad surface quality (or breakage).
Fig. 5. Impact of machining sequence
2.4 Pattern building process with GPM
The three shaded boxes in Fig. 3 are combined into GPM which performs those tasks in a highly automatic manner. Fig. 6 shows the process flow of pattern building when GPM is used.
3.Architecture of GPM
The purpose of GPM is to provide pattern makers with a handy tool which requires very little user interaction. GPM is an independent software running outside of CAD system written in C++ language with OpenGL on X/Motif environment. In order to take advantage of a big tolerance, an approximate polyhedral model is used to represent the die slice in GPM. The polyhedron approximation is done in CAD system and exported either in a standard STL format or in a DaimlerChrysler proprietary format called SOL. While the STL format contains a bunch of unrelated triangles, the SOL format can represent the general poly hedral solid model with topological information as well as the face attribute to distinguish to-be-machined faces from as-cast faces. GPM has a small companion module embedded in CATIA,which generates SOL file from the CATIA die model. Fig. 7 shows the architecture of GPM. In the subsequent sections, detailed steps of GPM are explained.
4.Reading model and adding stock
GPM stores the polyhedral solid model for a slice using the half-edge data structure [1]. If SOL format is used, the model reading step is straightforward. When using STL file format, additional processing is required to reconstruct the solid model from the geometry, because the STL file format does not carry any topological information. For a detailed and efficient algorithm for the solid topology reconstruction from STL file, see Ref. [2]. Briefly speaking, each vertex from an STL file is compared to the stored vertex list. If the same vertex is found from the list, the stored vertex pointer is used instead. If not found, the new vertex is stored in the list. For the efficient searching, a hash table structure is employed. After the topology is reconstructed for an STL file, the adjacent coplanar triangles need to be merged to form a larger planar face. Then, to-be-machined-faces are marked by the user interaction.
To create a pattern model, the machining allowance is added on the to-be-machined faces by offsetting them. Fig. 8 shows exemplary as-cast-faces (thin solid line), to- be-machined-faces (thick solid line), and the added stock allowance (dotted line).Machining feature recognitionMachining feature recognition provides an essential foundation for automatic process planning and tool path generation. Various types of approaches to feature recog nition have been reported in the literatures [3-7]. For the comprehensive survey, see Ref. [6]. In GPM, feature.
Fig. 7. Architecture of GPM
5.1 Machining region identification
This phase is to identify the regions to be removed. A machining region is a group of adjacent faces with similar face normal vector direction. For this phase, a simple region-growing algorithm is adopted, which is
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