基于加工特征的缸体类零件数控程序自动生成

0引言在现代制造业中，计算机辅助工艺规划(CAPP)是连接设计与制造之间的纽带，也是实现产品由设计到实物的必经阶段。

一般所要研发的工艺自动化方案，不仅要从方案可行性和效率性角度出发，也要从企业实际的加工现场条件出发(包括机床型号、刀具型号等)考虑[1-2]。

随着制造技术、CAD/CAM 技术的不断进步，人们对CAPP的研究也有了更深层次的发现，但很多的研究都紧紧停留在CAD模型的特征识别，而对数控程序的个性化生成和加工动态仿真却考虑得甚少，从而导致有些相关的研究成果很难应用于现实企业当中去，以至这些理论与实际生产脱钩。

我们科研人员研发的CAPP应用系统，都是简单的提取加工工艺信息和工艺要求，通过建立系统的数据库，来实现对工艺信息的记录，这样可以满足工艺人员对工艺信息的查询和调用，同时在对三维CAPP的研究方面，也主要集中在模拟装配以及CAD/CAPP集成上[3]，在数控程序生成方面研究得甚少。

因此，本文的研究目标是从一个特定企业的实际产品出发，从提高企业的制造水平、缩短产品生产周期、改善产品质量等方面考虑，提出了一种新型的数控工艺自动化系统，其中数控工艺自动化系统又被分解成彼此相互关联的子系统，通过对模板程序按照一定规则修改完成设计，实现了使数控程序生成取得实用化和高效化的双重目标。

1加工特征意义1.1缸体类的加工特点特征是按照设计、分析、干涉检查、装配和制造误差等诸收稿日期：2010-02-21；修订日期：2010-04-22。

多方面进行定义和分类的。

在工程领域，特征模型往往是按照应用需求进行定义和分类的，如成型特征、铸造特征、锻造特征、焊接特征、钣金特征、铸塑模特征和加工特征等[4]。

基于企业的产品角度出发，我们从加工特征角度对其进行定义和分类。

加工特征不仅具备明显的位置几何特征之外，还包含一些基本的切削加工方法和加工要求(切削精度、切削量等)。

同时我们也把加工特征认定为一种连接载体，用它来实现从图纸信息提取到数控加工制造之间的信息传递。

加工特征所包含的信息不仅包括特征的位置信息、几何形状信息和非几何信息，还包括需要加工的尺寸信息以及工艺信息[5-6]。

对于缸体类零件的加工，其中每个加工工序都可以看成是对缸体类零件进行分解和分类的操作，对零件的加工可以看作是对缸体类零件分解后的某个特征或某个特征组的加工。

因此，采用基于加工特征的模块化设计思想是简化复杂的缸体类零件工艺设计过程的有效手段。

大型汽缸类零件一般属于非回转体零件，零件结构复杂，信息描述困难，其空间关系无规律可寻，但是从数控加工工艺设计的角度要求来看，我们不仅要对零件几何信息进行完整、准确地描述，还要描述清楚该零件上需要加工的表面、各表面的空间位置关系及其依附于在该加工面上的各个加工特征[7]即可。

1.2缸体类的加工特征分类本文所提到的缸体主要是用来容纳转子和内缸，用于电站设备中的大型零件。

从功能来分：有高中压缸、低压缸、内缸。

通过对高中压汽缸的待加工特征进行的全面分析，我们将加工特征分6类：孔特征、面特征、曲面特征、缺口特征、开档特征、管口特征。

每一类加工特征又有其自身的特点，再根据其特点进一步细分，例如孔的特征可进一步分为光孔(单一直径)、阶梯孔、光—螺纹孔和螺纹孔，如图1所示。

为了实现数控工艺设计的模块化和智能化设计，经过全面分析后，我们再把加工特征单元进行进一步分解，每个加工特征单元又都包括特征编号、特征名称、尺寸信息、加工要求、加工设备、加工刀具、数控程序等信息，如图2所示。

1.3加工特征的参数化生成通常我们企业所生产的产品都是成批量加工的，而本系统所针对的汽缸属于型号产品，是单件生产，具有产品工艺复杂，加工周期长的特点。

由于汽缸的型号和规格是不同的(高中压汽缸大体上分60吨、90吨等不同级别)，导致每一个汽缸所包括的加工特征都发生变化。

为了解决这一问题，我们提出参数化驱动生产新型号汽缸的加工特征。

从加工特点和企业的产品角度出发，我们要建立一个汽缸的加工特征库。

特征库中包括了汽缸的所有加工特征，每一类特征都有各自的典型特征示例，也可以把每个典型特征可以看成是一个“范例”，它代表着一类特征。

特征的调用方式是参数化驱动的，利用该特征，通过适当的派生和变形(包括改变特征参数、加工技术要求等)以生成一个具体的实例化特征。

利用加工特征参数来自动生成数控程序。

2系统的体系结构本系统的整个工作流程如图3所示，可以描述如下：对需要进行数控工艺设计的缸体类零件进行分类和编码。

首先根据该零件的特点，采用编码搜索的方式确定出该零件所包含的所有加工特征，在AUTOCAD下，用户交互选择提取特征尺寸，完成所有加工特征定义；接着选择一道工序进行加工设计，确定所加工的特征，确定特征尺寸数据，驱动式生产数控程序，用尺寸参数替换标准数控程序中的加工参数；如果数控加工满足要求，则保存数控程序。

3特征信息的识别与提取特征信息的提取是建立在特征识别的基础上的，主要包括两个方面：装配特征的提取和加工特征的提取。

而本文中主要是对加工特征信息的提取。

加工特征提取技术是指根据企业现有的加工方法定义的加工特征类型库。

从零件的边界表示模型中，提取几何信息，并与加工特征类型库中的加工特征进行匹配，标识出它的加工特征的过程。

根据企业为我们提供产品的AutoCAD图纸，我们对其进行二次开发，并进行特征尺寸信息提取。

在AutoCAD 环境下的特征信息提取界面，采用的主要方法有：①用户交互式选择；②系统按照图形元素的类型进行过滤，如图形、颜色、图层等；③系统按照一定的规则进行搜索(比如位置关系、分区信息等)。

我们所提取尺寸参数的类型包括位置参数、形状参数、公差等。

在对尺寸参数的提取中，我们主要遵循以下几个步骤：(1)选择要处理的对象，将图中尺寸对象分解，将图中的轮廓线加入选择集A 中。

(2)将选择集A 中的对象处理，将竖线加入到选择集B 中，分别赋予选择集B 中直线意义。

(3)对B 中的对象分别沿尺寸线之间关系寻找对应的标注文字及尺寸，将其放入数组A 中，将数组A 中的对象输出给用户。

如图4所示零件为例，其特征信息提取的结果如表1所示。

本系统采用交互式提取方法，交互式提取的特征信息包括边界信息和尺寸信息。

提取边界是为了要与加工特征类型库中的加工特征建立一一对应关系，边界的提取就是为了描述产品的外形、尺寸以及形状特点。

而尺寸信息提取主要描述加工特征的位置关系以及加工特征之间的拓扑连接。

同时我们也要将尺寸与边界建立对应关系，为缸体的自动参数化编程提供支持。

4数控程序自动生成现行数控编程方法是以“零件”及其结构特征为研究对象，数控程序编制普遍采用手动和自动2种编程方法，适用于大多数零件的数控程序编制。

对于本系统中的缸体类零件加工则采用数控程序自动生成方式进行加工。

在数控程序的自动生成中，关键是建立知识库，利用该知识库的知识，依据输入参数进行逻辑推理和决策。

我们的特征库中不仅存有各种加工特征，并且也存有与之相对应的数控加工程序以及对应工序和工步的描述。

而本系统则采用加工特征单元与标准数控程序对应原则，进行数控程序的派生式和类比式生成。

我们把标准的数控程序分成5部分：指令段、进刀段、加工段、退刀段、结束段。

某个特定加工特征与数控程序都是一一对应关系，程序中参数描述是加工特征的位置、形状、以及一些特定参数(例如加工方法、加工路径、切削余量等)。

数控程序中最重要的就是加工段描述，而我们用参数化驱动方式来实现数控代码的派生式生成[8]，其实就是用一个实际值替换参数化表达式中参数的过程。

数控程序自动生成的分为以下几步：(1)选取加工特征单元(利用知识库的信息和模板，调出与其对应数控程序)。

(2)提取尺寸参数，包括位置参数、形状参数、公差等。

(3)数控程序对应自动生成，尺寸参数替换数控程序中的加工参数。

当选取的加工特征发生变化，它所对应的数控程序中的一些参数也相应发生变化了，通过设定，派生式生成新的数控程序。

这不仅提高了数控程序生成的效率和质量，还有利于数控程序设计的智能化和高效化。

数控程序生成实例如表2所示，数控程序生成界面如图5所示。

5实例分析缸体类零件的数控加工程序是与其所包含的加工特征一一对应的，当我们在其工艺知识库中任意选取被加工特征(包括位置、形状、加工排序等信息)时，其数控程序模板也随之被调用。

采用交互式对缸体的加工特征进行特征提取，然后对提取的信息进行输入。

我们在数控程序生成界面中完成其数控程序的生成。

我们所设计的数控程序系统比其它类的数控程序自动生成更具有针对性，快速性。

它继承了同一类产品的结构相似性，能很好的在模板的基础上进行更改及生成，从而提高了数控编程的效率。

缸体类产品属于大型加工工件，在进行加工的过程中如果出现任何加工错误(例如发生过切，刀具箱的碰撞，干涉等图3系统的总体框架加工Y N数控程序库N典型结构模板库在AUTOCAD 下，用户交互选择提取特征尺寸用户选择一个特征完成所有特征定义选择一道工序进行设计系统确定该工序所有加工特征特征尺寸数据调入数控程序尺寸参数替换数控程序生成满足要求现象)，该加工汽缸就可能成为废品。

不仅对企业造成巨大的经济损失，而且也说明我们所设计的系统存在严重的不足和缺陷。

所以避免出现上述问题，在数控程序生成完之后，我们设计人员必须要对数控程序正确性进行验证。

虽然我们生成的数控程序中已经包含了特征中所有的尺寸信息，但是也要对其进行验证正确与否。

我们在Vericut专用数控仿真软件下对数控加工进行动态模拟加工，检查是否发生过切、刀具箱的碰撞、干涉等现象。

6结束语从实际企业的现实情况出发，本文中利用加工特征分类技术，提出了一种新的参数化数控程序自动生成的加工方法。

结合企业的实际加工情况，这种新的方法不仅提高了数控编程的效率和柔性设计，尤其对一系列具有相似加工特征的零件来说，采用这种派生式方法可大大缩短数控程序设计时间。

在一定程度上提高了企业数控加工平台设计的自动化、规范化、高效化。

当然，本文也存在很多不足的地方，例如，为了避免特征识别问题，本系统根据企业现有的零件特点及其规定的加工工艺的角度出发，对加工特征的尺寸提取仍然是通过交互方式来实现的。

假如在数控程序设计中，所涉及零件的加工特征是全新的或是特定的情况下，用户自己也可以加入一个特征，可以启动AutoCAD进行特征尺寸信息的提取，并启动UG 建立该特征的三维模型。

然而特征的自动识别问题仍然是个难点，目前我们也正在进一步研究。

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