基于特征的箱體類零件數(shù)控編程技術(shù)

1、基于特征的箱體類零件數(shù)控編程技術(shù)摘要：針對箱體類零件的工藝特點(diǎn)，提出了一種基于加工特征的模塊化數(shù)控工藝設(shè)計(jì)思路，采用基于工藝知識的決策機(jī)制實(shí)現(xiàn)了特征加工方法鏈的智能決策。同時(shí)，考慮到對每種加工方法所對應(yīng)的數(shù)控代碼基本固定這一特征，提出了以工步為基本元素的自動(dòng)數(shù)控編程方法。從實(shí)際情況出發(fā)，通過對現(xiàn)有的加工方法進(jìn)行組織和分類，采用參數(shù)化的方式對其進(jìn)行數(shù)控代碼設(shè)計(jì)和管理，從而實(shí)現(xiàn)了箱體類零件的分層次、模塊化數(shù)控程序設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率，為數(shù)控工藝設(shè)計(jì)的自動(dòng)化、智能化提供了一個(gè)新途徑。關(guān)鍵詞：數(shù)控編程；加工特征；箱體類零件 張英杰，許艾，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院箱體類零件是機(jī)器及其部件的基礎(chǔ)殼體，對于

2、箱體類零件的加工，不僅包含多工位孔系加工，如銑、鉆、擴(kuò)、銼、鉸、锪、攻絲等平面加工方法，而且對加工精度要求較高，特別是對形位公差要求非常嚴(yán)格。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，箱體類零件在整個(gè)機(jī)械行業(yè)中約占到60%左右，從提高加工效率方面考慮，箱體類零件的加工一般是在加工中心進(jìn)行的，其特點(diǎn)是加工精度高，具有刀庫和自動(dòng)換刀裝置，在對工件一次裝夾后，能完成多道工序(多種加工方法)的加工。從實(shí)際應(yīng)用狀況來看，由于數(shù)控工藝設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度較低，數(shù)控程序設(shè)計(jì)周期往往很長，只有那些既具有一定加工經(jīng)驗(yàn)且對具體數(shù)控機(jī)床的功能非常熟悉的專業(yè)技術(shù)人員才能勝任。另一方面，從數(shù)控代碼中很難獲得可以借鑒的加工相關(guān)信息，導(dǎo)致每個(gè)零件的

3、數(shù)控程序設(shè)計(jì)都是以最原始的方式進(jìn)行的，無法繼承以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，由于缺乏工藝優(yōu)化方面的考慮，導(dǎo)致加工成本過高，使得價(jià)格昂貴的加工中心沒有發(fā)揮出應(yīng)有的作用。為了解決這些問題，考慮到數(shù)控工藝設(shè)計(jì)問題的個(gè)性化特征，該研究從實(shí)際情況出發(fā)，以提高數(shù)控編程效率為出發(fā)點(diǎn)，對箱體類零件的數(shù)控編程方法進(jìn)行了深入的研究，通過引入加工特征和加工方法鏈(加工路線)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控工藝設(shè)計(jì)過程的智能控制和信息傳輸。1特征定義和分類加工特征是一種能夠代表加工要求、加工意圖和用于構(gòu)建零部件形狀的抽象幾何體。換句話說，加工特征可以定義為形狀特征與制造工藝信息的結(jié)合。加工特征除具備明顯的幾何意義之外，還隱含一些基本的切削加工方法

4、，利用加工特征作為信息載體易于實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到制造之間的信息傳遞。加工特征所包含的信息一般包括特征標(biāo)識信息、幾何形狀信息和制造工藝信息。對于箱體類零件的加工，其中每個(gè)加工工序都可以看成是對組成該零件的某個(gè)特征的操作，整個(gè)零件的加工可以分解成對每個(gè)特征或特征組的加工。因此，采用基于特征的模塊化設(shè)計(jì)思想是簡化復(fù)雜的箱體類零件工藝設(shè)計(jì)過程的有效手段。對于箱體類零件，盡管其幾何形狀和各特征的空間位置關(guān)系比較復(fù)雜且難以描述，但是從數(shù)控工藝設(shè)計(jì)的信息要求來看，它并不要求對零件幾何信息進(jìn)行完整、準(zhǔn)確地描述，只要描述清楚該零件上需要加工的表面、各表面的空間位置關(guān)系及其依附于該加工面上的各個(gè)加工特征即可。因此，從工

5、藝方面考慮，在進(jìn)行箱體類零件的信息描述時(shí)，把箱體看成是由多個(gè)方位面組成的，主要記錄各方位面上的加工特征，而忽略其他非加工特征，如加強(qiáng)筋、凸臺等由鑄造生成的特征。這樣，不僅減少了對該零件描述的信息量，也降低了描述的難度。通過對陜西重型汽車有限責(zé)任公司模具分廠的現(xiàn)有30種箱體類零件的全面分析，將所有的加工特征歸納成3類：面特征、孔特征和槽特征。每一類加工特征又可根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)一步細(xì)分，如孔特征可進(jìn)一步分為通孔、盲孔、臺階孔和螺紋孔等。為了便于特征檢索，對每一種加工特征賦予一個(gè)特征代碼，利用特征代碼就可以對其進(jìn)行準(zhǔn)確地檢索和管理。在本文系統(tǒng)中，特征的大類主要包括：面特征為矩形面和圓環(huán)面；孔特征包括通孔

6、、盲孔、螺紋通孔、螺紋盲孔、臺階通孔、臺階盲孔、臺階螺紋通孔、臺階螺紋盲孔、雙聯(lián)孔和圓周均布孔系等；槽特征包括直槽、圓槽和環(huán)槽等。箱體類零件的信息通常由兩部分組成，即總體信息和加工特征信息?？傮w信息主要包括表頭信息、方位面信息等。加工特征信息則是描述零件具體加工的相關(guān)信息，它是根據(jù)各個(gè)不同的方位面來分別描述的工藝信息，如圖1所示。在模塊化的加工特征模型中，特征間存在著相互關(guān)系，這些關(guān)系可以是父子關(guān)系、幾何或位置公差關(guān)系或是基準(zhǔn)關(guān)系，但從工藝的角度來講，加工特征問的各種關(guān)系可歸類為相互獨(dú)立或相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系，如圖2所示。圖2加工特征模型在圖2中，加工特征的父子關(guān)系表示了一個(gè)加工特征對另一個(gè)加工特征

7、的依附關(guān)系，而同一層上的特征為平行關(guān)系。同時(shí)，它還反映了特征的加工次序，也就是說只有位于節(jié)點(diǎn)上的父特征被加工完之后，其子特征才能被加工。同時(shí)，一個(gè)復(fù)合特征可以對應(yīng)有多種分解方式和加工路線，這種表示方法可能不惟一。在本文中，這種表示方法主要用來描述復(fù)合特征的組成。在加工特征模型中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)加工特征，它是幾何形狀特征與工藝屬性特征的組合體。在數(shù)學(xué)上可以描述為Fk=FGkFPk(1)式中：FGk表示幾何形狀特征；FPk表示工藝屬性特征，它包括材料信息、精度信息和制造技術(shù)信息等。從加工特征的組成和數(shù)控程序的設(shè)計(jì)角度來看，每個(gè)加工特征Fk都屬于加工特征庫中的一個(gè)成員，在該加工特征庫中，預(yù)定義了所

8、有的常用加工特征。模塊化加工特征除了包含幾何形狀信息之外，還包括其他與特征加工和數(shù)控編程相關(guān)的信息，如材料信息和精度信息。同時(shí)，考慮到要簡化數(shù)控工藝設(shè)計(jì)，就需要一個(gè)特征庫的支持，該特征庫除了存儲單一特征的個(gè)體信息之外，還紀(jì)錄了各個(gè)特征間的相互依賴關(guān)系，以便于進(jìn)行特征檢索和存取。下面，以直槽特征為例說明特征的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：直槽特征struct MFThrougk Slotfloat COORD_X；直槽左起點(diǎn)X坐標(biāo)float COORD_Y；直槽左起點(diǎn)Y坐標(biāo)float COORD_Xe；直槽右起點(diǎn)X坐標(biāo)float COORD_Ye；直槽右起點(diǎn)Y坐標(biāo)float COORD_Z；槽端面Z坐標(biāo)float

9、WIDTH；槽寬度float ANGLE；槽所在方位面的角度float TOOLDIA；銑削槽所用刀具直徑float DEPTH；槽的深度ModularSchemeList*MachiningMethods；典型加工方法庫RelFeatures*RelFeatureList；相關(guān)聯(lián)特征；2數(shù)控工藝知識庫在知識庫模塊中，與加工相關(guān)的知識主要分為5大類：加工方法鏈規(guī)則、粗加工規(guī)則、半精加工規(guī)則、精加工規(guī)則、排序規(guī)則。當(dāng)前知識庫共擁有3500多條規(guī)則，并且是以產(chǎn)生式規(guī)則形式來表示的。一般來說，如果加工設(shè)備固定，在滿足工件的加工精度、表面粗糙度、尺寸和材質(zhì)等條件的前提下，加工方法鏈也是基本確定的。工藝

10、決策系統(tǒng)主要根據(jù)零件所包含的各個(gè)加工特征的相關(guān)參數(shù)來確定推理規(guī)則，而推理的結(jié)果就是加工方法鏈。最后，將所有加工方法鏈進(jìn)行組合和優(yōu)化，生成該零件的基本加工方法鏈。以孔加工為例，其加工規(guī)則知識描述如下：IF(孔徑>45)AND(公差等級IT8)THEN粗鏜孔半精鏜孔精鏜孔；END IF IF(孔類型=雙聯(lián)孔)AND(跨距<400)AND(長徑比<6)THEN從一端鏜孔：粗鏜半精鏜精鏜；ELSE從兩端頭鏜孔：粗鏜半精鏜精鏜；END IF IF(孔類型=螺紋孔)AND(孔徑>30)THEN鉆孔銑螺紋；ELSE鉆孔攻螺紋；END IF IF(面加工)AND(平面度0.1)THEN

11、粗銑半精銑精銑END IF 3參數(shù)化的加工特征代碼庫在本文的實(shí)現(xiàn)方案中，復(fù)雜特征的數(shù)控編程是通過將其分解成一系列簡單特征進(jìn)行自動(dòng)生成的。對于數(shù)控編程，一個(gè)簡單特征也可能對應(yīng)著幾個(gè)加工工步，在該系統(tǒng)中，特征的數(shù)控程序生成是以"工步"作為基本構(gòu)造單元進(jìn)行的，因?yàn)槊總€(gè)工步都對應(yīng)著一段固定的數(shù)控(NC)程序段。為了便于對其進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)和管理，每個(gè)加工特征的數(shù)控代碼是通過參數(shù)化方式映射為工步進(jìn)行生成和管理的。也就是說，當(dāng)對一個(gè)加工特征進(jìn)行數(shù)控編程時(shí)，往往是先將其分解成一系列工步進(jìn)行的。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于工步內(nèi)容的不同所對應(yīng)的加工方法也不盡相同，例如：對于孔加工，常用的加工方法有鉆、

12、鏜、鉸等，其每一種加工方法所對應(yīng)的數(shù)控程序段也不完全相同。本文通過對陜汽集團(tuán)的產(chǎn)品零部件進(jìn)行分析和總結(jié)，從中歸納出覆蓋160個(gè)箱體類零件的基本加工方法程序段，基本上滿足了該企業(yè)箱體類零件的數(shù)控工藝設(shè)計(jì)需要。對于工步的數(shù)控程序設(shè)計(jì)，無論采用何種加工方法，其NC代碼的設(shè)計(jì)過程基本相同，主要步驟有：確定工件坐標(biāo)系；確定主軸旋轉(zhuǎn)和切削參數(shù)；將刀具快速移動(dòng)到指定位置；走刀進(jìn)行加工；快速回退。為了實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，在編寫特定工步的數(shù)控代碼時(shí)，根據(jù)不同的加工方法，編寫相應(yīng)的加工程序。在程序段中，將一些接口參數(shù)用變量表示，系統(tǒng)在調(diào)用時(shí)，只需將這些變量替換為具體數(shù)值，就可以生成加工具體特征的NC指令。如圖3所示，某一

13、工步需要鏜孔，設(shè)人口端的坐標(biāo)為(X，Y，Z)，主軸轉(zhuǎn)速為了，進(jìn)給速度為f，坐標(biāo)系代碼為W，Nxxxx為程序段行號(x代表一位數(shù)字)，則程序代碼為：Nxxxx G00 G"W"G90 X"x"Y"y"Nxxxx S"s"M03 M08 Nxxxx GO Z"z+2"Nxxxx G01 Z"z-L-1"F"f"Nxxxx GO Z"z+100"圖3參數(shù)化工步特征將加工所有簡單特征的固定程序段采用參數(shù)化的方式編制出來，存人數(shù)據(jù)庫就構(gòu)成NC代碼

14、庫，其文件的存儲格式為加工方法標(biāo)識和固定程序段。4系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖4所示，在解決箱體類零件所包含的加工特性問題時(shí)，考慮到目前特征識別問題仍然是世界級的難題，還沒有得到很好地解決，但是對一個(gè)應(yīng)用企業(yè)來說，其產(chǎn)品相對固定，其常用的加工特征的數(shù)量和種類是很有限的。因此，在該系統(tǒng)中沒有研究特征識別問題，而是通過交互式或類比方式從三維模型或二維圖紙中交互式提取的。系統(tǒng)的整個(gè)工作過程可以描述如下：對需要進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的箱體類零件，首先根據(jù)該零件的特點(diǎn)，采用類比和編碼搜索的方式確定出該零件所包含的所有加工特征；接著，對每個(gè)加工特征按照其輸入的幾何參數(shù)和技術(shù)參數(shù)，采用智能推理方式生成相應(yīng)的加工方法鏈；然后，對

15、該方法鏈的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，按照參數(shù)驅(qū)動(dòng)方式搜索NC代碼庫生成實(shí)例化的NC代碼；最后，以方位面、刀具數(shù)量和加工時(shí)間等項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化組合，確定各個(gè)特征的操作順序，生成最終的NC代碼。圖4系統(tǒng)的總體框架5實(shí)例軟件系統(tǒng)是在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目的資助下，針對我國目前企業(yè)數(shù)控工藝設(shè)計(jì)普遍缺乏標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和效率低等問題進(jìn)行研究和開發(fā)的。系統(tǒng)原型已在陜西汽車集團(tuán)責(zé)任德仕集團(tuán)得到了推廣，解決了二維工藝設(shè)計(jì)和數(shù)控工藝的統(tǒng)一平臺以及NC代碼自動(dòng)生成等問題。箱體類零件的數(shù)控工藝設(shè)計(jì)僅僅是整個(gè)集成工藝系統(tǒng)的一部分，最終生成的數(shù)控程序是作為工藝卡片的附加文件進(jìn)行管理和存儲的，下面以變速箱殼體的加工為例，說明其實(shí)現(xiàn)過程(見圖

16、5)。在完成零件信息輸入和加工特征被確定之后，系統(tǒng)便可按照特征的技術(shù)參數(shù)通過工藝決策確定合理的加工方法鏈，進(jìn)而按照特征加工順序進(jìn)行排序、組合和優(yōu)化，最后采用參數(shù)驅(qū)動(dòng)的方式生成各工步的NC代碼，形成最終的NC程序，如圖6所示。圖5加工特征的輸入界面圖6加工特征的NC代碼6結(jié)論本文在充分考慮到數(shù)控工藝設(shè)計(jì)的個(gè)性化特點(diǎn)后，從具體應(yīng)用企業(yè)的實(shí)際情況出發(fā)，以加工特征和加工方法為基礎(chǔ)，研究開發(fā)了箱體類零件的自動(dòng)數(shù)控編程系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，數(shù)控工藝的設(shè)計(jì)問題被劃芬為2大模塊，即：基于知識工程特征級的智能工藝決策過程；力工方法級參數(shù)驅(qū)動(dòng)的派生式數(shù)控代碼生成方法。通過對這2個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，完成了數(shù)控程序的自動(dòng)生成。值得指出的是，在該設(shè)計(jì)方案中，將傳統(tǒng)的數(shù)控編程方法簡化為按照加工方法或加工特征為單元的數(shù)控編程，不