針對數(shù)控編程時間長、標(biāo)準(zhǔn)化程度低以及切削效率不高的問題，以某典型殼體零件數(shù)控加工工序?yàn)檠芯繉ο?，探索了基于特征的智能編程方法，將知識庫建立、特征識別、工藝仿真、刀具自動匹配、刀路自動生成、切削參數(shù)自動匹配和加工仿真優(yōu)化等技術(shù)在NX編程軟件有機(jī)集成，自動輸出加工方案及優(yōu)化的NC程序 代碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序的快速編制，提升數(shù)控程序標(biāo)準(zhǔn)化程度及數(shù)控加工效率。經(jīng)加工驗(yàn)證，典型殼體零件數(shù)控編程效率提高30%以上，數(shù)控加工效率提升20%以上。
序言
航空發(fā)動機(jī)燃油附件殼體是航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)核心部件，基于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工部位多且精度要求高等因素，公司數(shù)控編程仍以手工為主，NX軟件為輔，高度依賴編程人員的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)。而且軟件編程需要后處理程序輸出NC代碼，對于多孔系殼體類零件，程序輸出與修改不及手工編程方便快捷，數(shù)控程序編制、調(diào)試時間長，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，還存在切削參數(shù)不合理、機(jī)床利用率低、加工質(zhì)量不穩(wěn)定及效率較低的問題，制約了產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)進(jìn)度，研究一種新型快速編程方法勢在必行。
基于特征的快速編程技術(shù)發(fā)展至今，其特征識別、工藝仿真及刀路自動生成等關(guān)鍵技術(shù)已相對比較成熟。廖友軍、袁修華、劉峰[1-3]開發(fā)了基于特征技術(shù)的制造加工系統(tǒng)，但都是建立在二維和2.5維圖形文件的特征識別基礎(chǔ)上，識別的特征都為底層加工特征?；蓐康萚4]以具有典型特征的飛機(jī)整體肋類零件對基于特征的快速編程系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，丁國智等[5]開發(fā)了基于該方法的快速編程系統(tǒng)。然而，由于企業(yè)零件結(jié)構(gòu)特征、加工能力不同，上述方法僅供參考，企業(yè)還需根據(jù)已有資源及能力定制開發(fā)適合自身產(chǎn)品加工的一套編程系統(tǒng)，相關(guān)技術(shù)尚需驗(yàn)證。本文針對航空發(fā)動機(jī)燃油附件復(fù)雜殼體，研究基于特征的智能編程技術(shù)，期望開發(fā)出適合公司典型殼體零件的高效數(shù)控加工編程系統(tǒng)，以提升數(shù)控編程效率及數(shù)控加工效率。
基于特征的智能編程方法
基于特征的智能編程方法，即以特征為研究對象，以建設(shè)的特征知識庫、加工知識庫為基礎(chǔ)，在NX平臺通過加工結(jié)構(gòu)搭建、工藝路線匹配、刀路匹配、NC代碼輸出、加工仿真與優(yōu)化等，實(shí)現(xiàn)殼體零件數(shù)控編程自動化和智能化。
2.1 基本組成及功能框架
（1）基本組成 基于特征的智能編程方法，以特征知識建模器、工藝知識建模器和加工數(shù)據(jù)管理器3個模塊及基于NX的客戶端應(yīng)用組成（見圖1）， 構(gòu)成一套相對完整的智能編程工具。
圖1 基本組成
（2）功能框架 功能框架（見圖2）以現(xiàn)有資源為基礎(chǔ)，基于某殼體零件包含的特征，建設(shè)特征知識庫及加工知識庫（機(jī)床、刀具和切削參數(shù)），并完成從特征識別、工藝路線匹配、刀具自動匹配、切削參數(shù)自動匹配、NC代碼輸出到仿真驗(yàn)證及優(yōu)化的流程貫通，實(shí)現(xiàn)數(shù)控編程自動化和智能化。
圖2 功能框架
2.2 知識庫構(gòu)建
（1）特征知識庫 根據(jù)零件包含的三維特征，結(jié)合工藝條件對特征進(jìn)行定義，并開發(fā)每種特征的識別算法，將其錄入到知識建模器中，使其在進(jìn)行特征識別時能夠準(zhǔn)確地識別到所包含的特征。
（2）工藝規(guī)則庫 根據(jù)特征的加工方法、加工刀具及加工參數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為代碼，錄入到系統(tǒng)中，在工藝路線匹配時作為推理的依據(jù)，并給出最合理的工藝路線，同時完成工藝路線中刀路規(guī)劃策略、參數(shù)等的輸入。
（3）刀具、刀柄庫 根據(jù)使用的加工刀具、刀柄等數(shù)據(jù)，通過加工數(shù)據(jù)管理器的開發(fā)，將其錄入到加工數(shù)據(jù)管理器中。通過接口服務(wù)，在工藝路線匹配時調(diào)用創(chuàng)建的刀具、刀柄庫數(shù)據(jù)，同時載入到NX軟件中的刀具、刀柄，能夠可視化顯示，并能夠查看刀具、刀柄結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)。
（4）切削參數(shù)庫 將加工使用的切削參數(shù)錄入到加工數(shù)據(jù)管理器中，通過接口服務(wù)，在切削參數(shù)匹配時調(diào)用該數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)切削參數(shù)自動匹配。
2.3 加工結(jié)構(gòu)搭建
在零件工序模型的基礎(chǔ)上，繪制工序中差模型，標(biāo)注加工面顏色、特征屬性，繪制毛坯模型、夾具模型，完成加工結(jié)構(gòu)搭建。
2.4 基于特征的智能編程過程
基于特征的智能編程通過加工環(huán)境初始化、特征識別、工藝自動匹配、刀路生成以及刀具和工藝參數(shù)自動匹配等步驟來完成數(shù)控程序編制，過程如圖3所示。
圖3 基于特征的智能編程過程
2.5 NC代碼輸出
應(yīng)用機(jī)床后處理程序，將刀路轉(zhuǎn)化為機(jī)床能夠 識別的NC代碼。
2.6 加工仿真與優(yōu)化
應(yīng)用仿真驗(yàn)證技術(shù)，及時發(fā)現(xiàn)試切過程中可能發(fā)生的干涉、碰撞；同時應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)解決實(shí)際加工中切削參數(shù)彈性調(diào)整的要求，并減少空切，不僅提升了數(shù)控程序的質(zhì)量，也提高了數(shù)控加工效率。
應(yīng)用實(shí)例
以某殼體零件中110工序應(yīng)用基于特征的智能編程方法為例進(jìn)行說明。
加工結(jié)構(gòu)搭建：過程如圖4所示，包括工序模型創(chuàng)建、加工面顏色標(biāo)注、特征信息標(biāo)注、工序毛坯創(chuàng)建和夾具創(chuàng)建等。
圖4 加工結(jié)構(gòu)搭建過程
加工初始化：進(jìn)行加工幾何體、加工類型選擇，完成加工參數(shù)初始化設(shè)置。
特征識別：通過特征識別規(guī)則，將定義的特征類型識別出來。特征識別界面如圖5所示。
圖5 特征識別界面
工藝路線匹配：對識別出的特征，按照工藝規(guī)則庫和刀具、刀柄庫提供的資源自動匹配，生成每個特征的加工工藝路線，匹配界面如圖6所示。
圖6 工藝路線匹配界面
特征加工刀路創(chuàng)建：根據(jù)確定的工藝路線，生成特征加工刀路。加工刀路創(chuàng)建界面如圖7所示。
圖7 加工刀路創(chuàng)建界面
切削參數(shù)匹配：調(diào)用加工數(shù)據(jù)管理器中的切削參數(shù)庫及接口服務(wù)，自動匹配所選刀具的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給，切削參數(shù)匹配界面如圖8所示。
圖8 切削參數(shù)匹配界面
編輯刀路：在刀路編制過程中或完成后，將刀路加載到刀路編輯界面，對刀路中的某些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。編輯刀路界面如圖9所示。
圖9 編輯刀路界面
NC代碼輸出：刀路編制完成后，選擇定制的機(jī)床后處理程序，生成機(jī)床能夠識別的NC代碼。
加工仿真與優(yōu)化：使用定制的機(jī)床仿真模版進(jìn)行加工程序仿真驗(yàn)證及加工程序優(yōu)化，機(jī)床仿真界面如圖10所示。程序優(yōu)化后，可節(jié)省加工時間23%。
圖10 機(jī)床仿真界面
效果驗(yàn)證
采用常規(guī)編程方法，工藝人員從工序模型輸出、合并及圖樣尺寸轉(zhuǎn)換，到數(shù)控程序編制完成， 一道工序編程時間約3天。采用智能編程方法，從工序模型開始到仿真優(yōu)化結(jié)束，一道工序的編程時間是2天，編程效率提升了33%。通過仿真優(yōu)化完成的數(shù)控程序，極大地提升了首件試切的效率，降低了首件加工的風(fēng)險(xiǎn)。零件試切過程如圖11所示。
a）機(jī)床控制面板顯示
b）實(shí)際加工
圖11 零件試切過程
使用Vericut的Force功能，通過加載切削材料庫、設(shè)置刀具屬性來計(jì)算切削力大小，設(shè)置合理的切削參數(shù)和力極限，可以有效降低切削力，切削效率平均提升26.3%。某殼體零件部分工序加工時間的統(tǒng)計(jì)對比見表1。
表1 某殼體零件部分工序加工時間對比
結(jié)束語
基于特征的智能編程技術(shù)是集合特征識別、工藝仿真、刀具自動匹配、刀路自動生成和切削參數(shù)自動匹配為一體的應(yīng)用技術(shù)。將特征識別技術(shù)與知識庫相結(jié)合，通過開放的算法，使特征識別更準(zhǔn)確；將特征識別與工藝規(guī)則庫和刀具、刀柄庫相結(jié) 合，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的工藝路線匹配、刀具及刀柄匹配；將刀具與切削參數(shù)庫相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)的自動匹配。本文系統(tǒng)闡述了典型殼體零件基于特征的智能編程方法，并對該方法進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，探索出了一條能夠提升殼體零件數(shù)控編程效率和數(shù)控加
工效率的路徑。經(jīng)加工驗(yàn)證，典型殼體零件數(shù)控編程效率提高30%以上，數(shù)控加工效率提升20%以上。
基于特征的智能編程技術(shù)的應(yīng)用是一項(xiàng)長期工作，企業(yè)若要大力推廣，還需從以下幾個方面不斷完善和優(yōu)化。
1）完善知識庫。知識庫是企業(yè)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，更是基于特征進(jìn)行智能編程的基礎(chǔ)，需要不斷豐富和完善。
2）優(yōu)化特征識別算法。在特征自動識別中，需要不斷進(jìn)行算法的研究和優(yōu)化，才能夠更加準(zhǔn)確地自動識別出更為復(fù)雜的特征，進(jìn)一步提升模型特征識別的準(zhǔn)確率。
3）優(yōu)化工藝路線匹配算法。復(fù)雜特征在工藝路線匹配過程中花費(fèi)較長的時間，需要進(jìn)一步優(yōu)化匹配邏輯和算法，才能夠更加快捷、準(zhǔn)確地進(jìn)行工藝路線匹配，進(jìn)一步提升數(shù)控編程效率。
