快速成型集成制造系统的集成方案分析

快速成型制造技术 (Rapid Prototyping&Manufacturing:RP&M) 是指在计算机管理与控制下, 根据零件的CAD模型, 采用材料精确堆积 (由点堆积成面, 由面堆积成三维实体) 的方法制造原型或零件的技术, 是一种基于离散/堆积成形原理的新型制造方法。快速成型制造可以自动、快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件 (模具) 、有效地缩短了产品的研发周期, 是提高产品质量、缩减产品成本、优化产品设计的有力工具, 受到了学术界和工业界的极大重视, 并在航空航天、汽车、机械、电子、医学、艺术品等许多领域获得了广泛应用, 取得了极大的成果。

随着RP&M技术应用领域的不断扩大, 对该项技术的要求也在不断的提高。为使该项技术能够发挥更大的效益, 发挥其传统加工技术无法比拟的长处, 把这一技术与其他制造技术紧密结合, 构建RP&M集成制造系统已经成为快速成型制造技术发展的必然趋势。

1 快速成型制造系统的数据处理

在快速成型制造技术中的数据处理过程中, STL是RP&M技术的常用数据转换格式, STL文件格式最初是在立体光刻造型技术中得到应用, 由于它在数据处理上较简单, 而且与CAD系统无关, 因而很快发展为快速成形领域中CAD系统与快速成型系统之间数据转换的标准。

作为与CAD系统的接口, STL已经很好地服务于快速成型制造工业。它的优点在于其结构简单和应用广泛, 其简单的数据格式可由CAD系统方便地产生, 而且易于RP&M系统的操作。但由于STL数据格式本身具有的缺陷, 使得RP&M研究者花费大量的时间和精力用在检验STL数据格式的正确性或修正其错误。这些常见的问题包括:数据截断误差、面片间的间隙、法矢错误、错误的面相交和退化的面片等。

为了解决STL数据格式存在的缺陷问题, RP&M研究者在研究检测和修补STL数据错误的同时, 还提出了一系列新的数据交换接口来克服STL存在的不足。这些数据交换接口有:基于层轮廓数据格式的SLC、通用层数据接口格式CLI、实体自由制造的柔性数据格式RPI等。此外, 在CAD系统内直接对模型进行分层处理也是解决这一问题的途径之一。

采用在CAD系统内直接分层和利用新的RP&M数据格式进行分层都在一定程度上克服了STL模型分层处理时所存在的一些缺陷, 大大降低了数据冗余, 提高了分层处理的效率和精度。但由于这些方法往往只适合于某一类CAD系统, 而与其它CAD系统都不兼容, 导致这种数据处理方法的通用性较差, 所以也极大地限制了它们与其它系统的集成应用。

2 基于STEP-NC的快速成型集成制造系统

为了解决RP&M系统与其它CAX系统的数据接口问题, 本文提出了以STEP-NC作为统一数据接口, 实现RP&M集成制造系统的构想。STEP-NC是在产品模型数据转换标准STEP (Standard for the Exchange of Product Modal Data) 的基础上发展起来的, 它将STEP扩展到CNC领域, 重新制订了CAD/CAM与CNC之间的接口, 它要求CNC系统直接使用符合STEP标准的CAD三维产品数据模型 (包括工件几何数据、参数配置和制造特征) 、工艺信息和刀具信息来直接产生加工程序来控制机床。

图1为该RP&M集成制造系统的结构图, 在整个系统中采用STEP-NC作为统一数据接口。STEP作为产品模型数据转换标准已经在计算机集成制造系统中得到了很好的应用, 而STEP-NC的发展更使得基于STEP-NC的CNC系统与基于STEP的所有CAX系统之间实现了双向无缝连接。另外, 由于RP&M技术也是基于数字化的, 快速成型设备一般都包含数控系统, 快速成型装置可以作为CNC机床的特种附件, 而集成到CNC机床系统中去, 使CNC数字控制技术与RP&M技术完美的结合到一起, 从而大大扩充CNC机床原有的功能。由于图1所示的RP&M集成制造系统采用STEP-NC作为统一数据接口, 因此必须实现基于STEP-NC的分层处理。而STEP-NC对三维几何模型的描述是遵循STEP/AP203协议的, 所以实现整个RP&M集成制造系统的关键是实现由STEP/AP203协议所定义的几何模型的分层处理技术。

3 结语

现有RP&M系统采用的STL数据接口存在着许多不利于实现集成制造的因素:如精度损失大、数据量过大、数据只能单向传递、没有携带任何设计与制造的信息等, 使得其难以支持集成制造。为解决这一问题, 本文提出了新的快速成型制造集成系统的组成方法, 对进一步提高快速成型制造技术的应用水平具有一定的借鉴和指导意义。

摘要：快速成型制造是一种基于离散、增长方式的制造方法, 近年来已在各领域得到广泛应用。本文针对快速成型集成制造系统的组成结构问题进行了探讨, 重点分析了快速成型系统与其它计算机辅助设计与制造系统的数据交换问题, 本文提出的快速成型制造集成系统的组成方法可适应现代先进集成制造模式的发展要求, 对进一步提高快速成型制造技术的应用水平具有一定的借鉴和指导意义。

关键词：快速成型,集成制造,计算机辅助设计

参考文献

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