A Geometric Approach to Converting CAD Models to CAM Models: an Application on Aeronautical Structure Parts

La conversion d'un modèle de CAO en un modèle de FAO est la première étape de fabrication intégrée par ordinateur. Les principaux problèmes qui concernent la conversion sont les suivants: définir des volumes de matériau amovible géométriquement, vérifier les accessibilités aux volumes ainsi obtenus, associer les opérations d'usinage avec ces volumes individuellement, sélectionner les outils de coupe, mettre en séquençage les opérations d'usinage et assigner une machine pour exécuter le processus. La détermination des volumes individuels de matériel amovible est le premier problème de la conversion. Dans les dernières décennies, de nombreuses approches ont été développées avec d'énormes efforts, mais aucune étude à ce jour a examiné de manière exhaustive les approches pour générer des volumes de matériau amovible pour traiter des pièces complexes, telles que celles qu'on rencontre dans en aéronautique dans la partie structurelle. Dans la perspective de définir les volumes du matériau amovible, les méthodes existantes se limitent aux fonctions prismatiques. L'objectif principal de cette recherche était de développer des approches systématiques, pour générer automatiquement l'ensemble des volumes de matières amovibles selon les modèles 3D d'une pièce aéronautique structurelle. Il faut alors partir du brut (un morceau de matière première) et usiner toutes les surfaces requises. Grâce à l'outil mathématique disponible des opérations booléennes, il est possible de séparer des géométries volumiques très complexes en volumes plus petits relativement simples. La décomposition du volume delta présente des avantages dans la création des volumes amovibles. Dans cette recherche, les approches de décomposition de volume ont été développées dans le but que chaque volume de matériau puisse être usiné en une seule opération d'usinage. Des arêtes concaves impliquent éventuellement des opérations d'usinage différentes. La détection du bord concave est la première étape de la décomposition de volume intérieur. Dans cette étude, une approche mathématique a été développée afin de vérifier la concavité d'une arête dans la limite d'un modèle solide 3D et une approche de détection des bords concaves est proposée. Générer des faces de séparation est une étape clé pour définir un volume décomposé. Selon la complexité de l'élément de construction, les algorithmes sont conçus pour créer différents types de décompositions de faces correspondant à des formes locales de la pièce à décomposer.

Abstract

Conversion of a CAD model to a CAM model is the initial step of computer integrated manufacturing. Main issues concerning the conversion are as follows: defining volumes of removable material geometrically, verifying accessibilities to so obtained volumes, associating machining operations with these volumes individually, selecting cutting tools, sequencing machining operations, and assign a machine to perform the process. Determination of individual volumes of removable material is the first issue of the conversion. In the past decades many approaches have been developed by enormous efforts but no study up to date has comprehensively discussed approaches to generate volumes of removable material for producing a complex aeronautical structural part. In the perspective of volumetric definition of removable material, existing methods are limited to prismatic features. The main objective of this research was to develop systematic approaches to generating automatically the complete set of volumes of removable material according to the 3D models of both an aeronautical structural part to be produced and the stock (a piece of raw material) to be machined. Due to powerful mathematical tool of Boolean operations available for separating very complex volumetric geometries into relatively simple smaller volumes, delta volume decomposition has advantages in generating removable volumes. In this research volume decomposition approaches were developed for the purpose that every volume of material can be machined in one machining operation. Concave edges imply possible requirement of different machining operations. Detecting concave edge is the premier step of interior volume decomposition. In this study a mathematical approach was developed to verify the concavity of an edge in the boundary of a 3D solid model. Approaches to detecting concave edges were proposed. Generating splitting faces is the key step to define a decomposed volume. According to the complexity of the structural component, algorithms are developed to create different kinds of splitting faces corresponding to local shapes of the part to perform decompositions. Face union is a powerful tool to separate volumes bounded by faces of complex geometries. This research proposed recursive procedures of decomposition. Using the proposed approaches the 3D design model of an aeronautic structural component is converted into volumes of removable material (named sub delta volume and denoted SDV in this research) by means of delta volume decomposition.