Σχεδιασμός για κατασκευή μηχανολογικών τεμαχίων με γλυπτές επιφάνειες με βάση μορφολογικά χαρακτηριστικά

Abstract

This thesis studies the optimization of design and manufacture (machining) of parts consisting of sculptured surfaces their form being a positive or negative volume as typically used in the plastics forging and casting industry. First, extending the concept of morphological characteristics (features) is proposed by analogy to detailed analytical classical surfaces to sculptured surfaces In order for this transition to be meaningful the solid nature of the morphological characteristics is retained and it should not change to the surface nature. Morphological features are defined based on their functionality in the product. Each of these characteristics is defined based on parametric wireframe models that include constraints. According to this approach existing CAD technology is being exploited which adopts the concepts of parameterization and constraints and is fully implemented for curves but not for surfaces or solids. Each morphological feature is ultimately created as a solid with the standard Boolean and other solid modeling operators (extrude loft revolve etc.) in a CAD system. The result is a product designed so that its form can be easily changed by changing the values of the parameters. Secondly, the thesis proposes creation of a decision making system concerning CNC machining issues for parts with sculptured surfaces. These decisions refer to roughing and finishing tool diameter selection and the necessity or not of the use of a semi finishing process. The factors associated with these decisions are the volume of material to be removed the complexity of the surface to be created the maximum curvature and the relative importance of machining time in comparison to surface quality. Moreover for each of the three machining phases (roughing semi finishing finishing) several parameters that define machining strategy are decisive e.g. vertical stepdown value horizontal overlap value etc and their values enable the given time-quality balance to be obtained or to be approximated as close as possible. Given the inherent approximate nature of these decisions the decision system was implemented as a fuzzy system and leads the user to the choice of machining strategy. Thirdly, the thesis proposes the creation of neural meta models linking the parameters of morphological features with functional characteristics and characteristics of its manufacturing process as well. Neural networks were trained with a number of workpiece variations that were created by changing its morphological characteristic values. In generating training examples the decision making tool was applied concerning machining strategy and the computational capabilities of the CAD modeling environment were employed as well. Thus, neural networks replace both the decision making tool and the CAD environment which is why they are characterized as meta models. Next the calculated parameters were used in the objective function of a standard genetic algorithm which aimed at finding the best values of the model morphological characteristics based on functionality and manufacturing criteria. The relative importance of the criteria is defined by the user using weights. Due to this method being as accurate as the neural meta models special software to define the optimal architecture was used in order to obtain acceptably accurate meta models. The results of the thesis are directly applicable to the design and construction of mechanical parts with sculptured surfaces and especially molds.

Η διατριβή μελετά τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού και της κοπής μηχανολογικών τεμαχίων που αποτελούνται από γλυπτές (sculptured) επιφάνειες και έχουν μορφή θετικού ή αρνητικού όγκου, δηλαδή πρωτότυπου ή κοιλότητας καλουπιού, αντίστοιχα, με συνήθη εφαρμογή στη βιομηχανία πλαστικών, σφυρήλατων και χυτών. Σύμφωνα με το state-of-the-art της τεχνολογίας ο σχεδιασμός πολύπλοκων επιφανειών είναι χρονοβόρος όταν γίνεται από το μηδέν. Συνήθως χρησιμοποιούνται επιφάνειες NURBS ή Bezier οι οποίες πρέπει να πληρούν περιορισμούς διαστάσεων, κλίσης και καμπυλότητας. Δεν υπάρχει γενικά η δυνατότητα χρήσης έτοιμων - παραμετροποιημένων τμημάτων ως 'δομικών λίθων', τα οποία θα είχαν συγκεκριμένο λειτουργικό ρόλο στο μοντέλο, πράγμα που θα επιτάχυνε τη διαδικασία σχεδιασμού. Επιπλέον, δεν υπάρχει η δυνατότητα να προβλέπεται ή να αξιολογείται η δυσκολία κατασκευής ('κατασκευασιμότητα') των τεμαχίων με γλυπτές επιφάνειες με χρήση κατεργασιών κοπής, έτσι ώστε να γίνονται οι κατάλληλες επιλογές γεωμετρικών χαρακτηριστικών στο στάδιο του σχεδιασμού. Ακόμη δε και αν υπήρχε η δυνατότητα αξιολόγησης της κατασκευασιμότητας τέτοιων τεμαχίων, η επιλογή από τον χρήστη τιμών για τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά που καθορίζουν εκτός της μορφής του τεμαχίου και την κατασκευασιμότητά του δεν θα ήταν η καλύτερη δυνατή. Αυτό οφείλεται στο ότι η επιλογή τιμών, σύμφωνα με το state-of-the-art, δεν θα υποστηρίζονταν από κάποια θεωρία ή/και εργαλείο εφαρμογής της, αλλά θα βασίζονταν μόνο στην εμπειρία και το 'ένστικτο' του σχεδιαστή. Η διατριβή αυτή μελετά και προτείνει λύσεις και στα τρία παραπάνω διακριτά, αλλά αλληλοσυμπληρούμενα ζητήματα. Πρώτο, προτείνει την επέκταση της έννοιας των μορφολογικών χαρακτηριστικών (features) από τεμάχια με αναλυτικές-κλασσικές επιφάνειες σε τεμάχια με γλυπτές επιφάνειες. Για να έχει νόημα αυτή η μεταφορά, διατηρείται η 'ογκική' φύση των μορφολογικών χαρακτηριστικών και δεν μεταβάλλεται σε 'επιφανειακή'. Ορίζονται μορφολογικά χαρακτηριστικά με βάση τη λειτουργικότητα τους στο προϊόν, πχ 'λαβή', 'στέλεχος', 'κεφαλή' στην περίπτωση ενός σφυριού που χρησιμοποιήθηκε ως παράδειγμα από την αρχή ως το τέλος της διατριβής. Καθένα από τα χαρακτηριστικά αυτά ορίζεται με βάση παραμετρικά σκελετικά (wireframe) μοντέλα τα οποία εμπεριέχουν περιορισμούς. Με αυτό τον τρόπο γίνεται εκμετάλλευση της υπάρχουσας τεχνολογίας CAD που έχει, καθολικά πλέον, υιοθετήσει τις έννοιες της παραμετρικότητας και των περιορισμών και τις έχει πλήρως υλοποιήσει σε επίπεδο γεωμετρίας γραμμών, αλλά όχι τόσο σε επίπεδο επιφανειών ή στερεών. Κάθε μορφολογικό χαρακτηριστικό δημιουργείται τελικά ως στερεό με βάση τους παρεχόμενους τελεστές δημιουργίας στερεών (extrude, loft, revolve κλπ). Αποτέλεσμα είναι το προϊόν που σχεδιάζεται να αλλάζει εύκολα μορφή με αλλαγή των τιμών των παραμέτρων που το καθορίζουν. Δεύτερο, προτείνει τη δημιουργία ενός συστήματος καταρχήν αποφάσεων σχετικά με τον τρόπο κατασκευής τεμαχίων με γλυπτές επιφάνειες με κοπή σε κέντρα CNC. Οι αποφάσεις αυτές αναφέρονται στην επιλογή διαμέτρου εργαλείου εκχόνδρισης και εργαλείου αποπεράτωσης (φινιρίσματος), όπως και στην αναγκαιότητα ή μη της χρήσης εργαλείου ημι-αποπεράτωσης. Οι παράγοντες που σχετίζονται με αυτές τις αποφάσεις είναι ο όγκος του υλικού που πρέπει να αποβληθεί, η πολυπλοκότητα της επιφάνειας που πρέπει να δημιουργηθεί, η μέγιστη καμπυλότητα της και η σχετική βαρύτητα του χρόνου κατεργασίας σε σχέση με την ποιότητα, δηλαδή με το παραμένον ανεπιθύμητο υλικό μετά την κατεργασία. Επιπλέον, για καθεμιά από τις τρεις φάσεις κατεργασίας, δηλαδή εκχόνδριση, αποπεράτωση και ημι-αποπεράτωση, λαμβάνονται αποφάσεις σχετικά με την τιμή των κύριων παραμέτρων που ορίζουν τη στρατηγική της κατεργασίας, πχ μέγεθος κατακόρυφου πάσου, οριζόντια επικάλυψη πάσων κλπ, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται η δεδομένη σχετική βαρύτητα χρόνου-ποιότητας ή να προσεγγίζεται όσο το δυνατό περισσότερο. Λόγω της εγγενούς προσεγγιστικής φύσης αυτών των αποφάσεων, το σύστημα αποφάσεων υλοποιήθηκε ως σύστημα ασαφούς λογικής (fuzzy system), οδηγεί δε το χρήστη στην επιλογή στρατηγικής της κατεργασίας, αλλά και του δίνει τη δυνατότητα να πειραματισθεί με διαφορετικές επιλογές, αποκτώντας έτσι άποψη για τον τρόπο αλληλεπίδρασης των παραμέτρων μορφολογίας και κατεργασίας. Τρίτο, προτείνεται η δημιουργία νευρωνικών μετα-μοντέλων που συνδέουν - για δεδομένο παραμετρικά ορισμένο τεμάχιο - τις παραμέτρους των μορφολογικών χαρακτηριστικών με λειτουργικά του χαρακτηριστικά αλλά και με χαρακτηριστικά της κατεργασίας του. Τα νευρωνικά δίκτυα εκπαιδεύονται με βάση ένα αριθμό παραλλαγών του τεμαχίου που προκύπτουν από αλλαγή τιμών των μορφολογικών χαρακτηριστικών του και για καθεμιά από αυτές χρησιμοποιείται το εργαλείο λήψης αποφάσεων σχετικά με τη στρατηγική κατεργασίας τεμαχίων με γλυπτές επιφάνειες, αλλά και οι υπολογιστικές δυνατότητες του περιβάλλοντος γεωμετρικής μοντελοποίησης. Τα νευρωνικά δίκτυα αντικαθιστούν, συνεπώς, το εργαλεία λήψης αποφάσεων και το περιβάλλον γεωμετρικής μοντελοποίησης, για αυτό και χαρακτηρίζονται ως μετα-μοντέλα. Στη συνέχεια, αυτά χρησιμοποιούνται στη συνάρτηση καταλληλότητας ενός απλού γενετικού αλγορίθμου ο οποίος έχει στόχο την εύρεση των καλύτερων τιμών των παραμέτρων των μορφολογικών χαρακτηριστικών του τεμαχίου με κριτήρια λειτουργικότητας και κατασκευασιμότητας. Παραδείγματα κριτηρίων αποτελούν η απόσταση του κέντρου βάρος του τεμαχίου από ένα χαρακτηριστικό άξονα, οι διάμετροι εργαλείων εκχόνδρισης και αποπεράτωσης κλπ. Η σχετική βαρύτητα των κριτηρίων ορίζεται από το χρήστη. Επειδή η μέθοδος είναι τόσο ακριβής όσο τα νευρωνικά μετα-μοντέλα, χρησιμοποιήθηκε ειδικό λογισμικό για εύρεση της βέλτιστης αρχιτεκτονικής τους. Τα αποτελέσματα της διατριβής έχουν άμεση εφαρμογή στο σχεδίασμά και την κατασκευή μηχανολογικών τεμαχίων με γλυπτές επιφάνειες και κυρίως καλουπιών.