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基于特征的数控编程技术发展研究

发表时间:2015/5/24 作者:佚名 
关键字:数控编程 数控 
通过基于特征的快速编程平台的研究与开发,实现了在异构环境下的数据共享,实现了工艺技术数字化、信息集成化、过程敏捷化,为企业大型数控机加件的数控编程提供了一种高效高质量的方法与手段。

  为了实现CAD/CAPP/CAM系统之间的信息集成和数据共享,人们提出了“特征”这一符合人类思维方式的高层次产品建模语言,通过它来统一各系统间产品数据交换的标准。特征是零件局部形状和属性的信息集合。一方面它能方便地描述零件的几何形状;另一方面,它能为加工、分析及其他工程应用提供必要和充分的信息。特征是完整描述产品信息的方法,也是系统的灵活性和产品间数据交换的实现途径。特征技术已经成为了新一代智能化、集成化产品建模系统的核心技术。

 

特征分类与编码

  特征归纳分类及编码是信息流传递的基础。根据飞机结构件的特点,可以将其分成梁、框、肋、壁板和接头等零件类型。根据特征的结构和相互关系可以归纳为以下八种基本特征:总体特征、槽、孔、轮廓、筋、工艺凸台、中心轨迹、凸台等。

  为了能具体确定零件特征,采用成组编码的理念,将特征进行编码。将一些关键字附在其编码之后,作为该特征的标识(ID),这个标识成为该特征在零件整个制造生命周期中的唯一标识,此ID与零件特征的制造信息是1:1的关系。通过该标识可以获取该特征的详细加工信息。将上述特征的具体属性辅以相应的编码,是特征识别以及编制NC程序的基础。如编号为22100000的槽代表一个附着元素为凸台,与轮廓相邻的曲底直壁开口槽。

 

复杂特征自动识别技术

  飞机结构件包含众多形状复杂的孔、槽和加强筋。其特征识别主要具有以下难点:零件结构复杂、富含曲面、相交特征、边特征。

  特征识别是从零件的设计模型中抽取具有特定工程意义的几何形状信息。对于加工特征,必须包括零件加工过程中与该加工工序相关的加工信息集合,能够支持加工工艺的规划和数控加工刀位轨迹的生成。如孔加工特征包括孔的拓扑结构信息以及孔直径、圆心、中心轴方向、加工深度以及零件材料特性等特征参数。因此首先要突破复杂加工特征的特征识别技术,建立一种规范、稳定和优化的加工特征识别算法,通过优化识别算法,增强加工特征识别算法的稳定性和准确性。

  基于飞机结构件加工特征复杂,包含了自由形状曲面、相交特征和碎面等特征。这些特征被称为复杂拓补不固定特征,无法用现有特征表示方法来描述。为此提出了基于全息属性面边图的特征识别方法,很好地解决了复杂拓补不固定特征表示问题。

  采用基于全息属性面边图的加工特征识别算法,以种子面为痕迹,以扩展算法为特征修补策略,将经典的痕迹法应用到飞机结构件的加工特征识别上,很好地解决了相交特征和边特征的识别问题;同时通过虚拟分面和碎面抑制处理飞机结构件中的自由曲面和碎面问题,通过特征组合实现复合识别,通过相关特征参数提取算法实现下游应用域参数的精确提取。

 

智能工艺决策

  工艺过程规划是将产品几何特性和制造工艺特性等数据信息转换为各种加工和生产管理所需要的信息。CAPP专家系统上的推理决策过程是基于集成工艺资源库和制造资源库的基础上进行的。为保证工艺设计达到全局最优化,需要进行综合分析,动态优化,交叉设计。

  CAPP要建立特征知识库、工艺知识库和切削参数库以及制造资源库等推理专家系统所需的工艺数据库。专家系统获取包括机床、刀具、夹具和切削参数等信息,同时获取来自CAD的特征信息,通过这些信息和典型工艺自动决策生成工艺规程。

  复杂飞机结构件的工艺设计技巧性强,工艺编制质量有赖于工艺员个体的经验,但某些典型零件及特征的加工工艺方法已相对成熟稳定,可以总结为典型工艺。因此采用“人工经验+典型工艺”方式来获得工艺知识,首先由经验丰富的工艺人员总结归纳现有工艺知识,同时为了规范工艺设计过程,有效利用经验知识,采用逻辑上方法的概念。所谓方法是工艺决策知识的组成单元,是具有相同决策功能的规则的集合。每个方法包含多条完成某一决策任务的产生式规则。产生式规则是具有完整语义的工艺决策指令,是一个具有明确意义的信息实体。每一个产生式规则由规则元按一定的格式组成(IF_THEN_ELSE),从而成为一个有特殊语义的逻辑命令。由方法、产生式规则以及规则元构成工艺决策知识体系。

  在制定产生式规则的基础上,由工艺员在已有经验和工艺知识基础上对典型工艺模板进行总结定制,增强工艺知识,并对典型工艺模板中每个工步对象加以分析,为每个工步对象创建选择方法、排序方法、赋值方法。并为典型工艺中每个工步对象加入加工特征的信息参数,由系统解析这些参数入库,为决策提供依据。

  选择特征方法中,依据已经形成的条件规则元,筛选该工步加工特征;特征排序方法根据命令规则元对不同的特征按空间最短距离排序;赋值方法为每种特征赋予不同的加工模式,同时从工艺资源库中获得相应的参数。工艺决策过程中将每个特征实例化,生成对象,以加工元形式纳入工艺规程。

  在工序和工步的安排中采用了Dijkstra算法,对槽、孔以及筋等加工特征进行排序,使其总体加工顺序确定,局部范围进行优化。采用神经网络技术,对特征点进行有效排序,有效地解决了后续CAM系统中可能出现的走刀杂乱无章、毫无规律的问题。

 

特征编程系统实现

  按照模块化开发的思路,基于特征的大型航空结构件快速编程系统分为5个大的模块:工件预处理模块、特征识别模块、工艺决策模块、刀轨生成模块、Vericut仿真模块。

  编程工艺员根据航空结构件加工的要求,在CATIA平台上开发的用户界面上对零件进行总体特征信息描述,以供特征识别、工艺决策和刀轨生成使用;工艺员需对零件进行适当的预处理,对零件三维模型进行规范,以便实现特征自动识别。

  在归纳总结大型航空结构件典型加工特征的基础上,采用基于全息属性面边图的特征识别技术,实现典型加工特征的自动识别,同时,部分特征通过人机交互实现交互识别。识别完成后,输出零件的加工特征列表及其相应的几何对象和属性参数,供工艺决策和刀轨生成使用。

  特征识别模块提取出的零件特征列表以XML(eXtensible Markup Language)格式作为数据传递标准,传给CAPP系统,供其自动工艺决策使用;CAPP工艺决策模块实现基于特征和知识的自动工艺决策。

  刀轨生成模块根据特征识别提供的结构件几何特征对象以及CAPP系统提供的工艺规程和工艺参数,实现各加工特征刀轨的自动生成。部分特征的程序编制在人机交互下完成,所有特征加工完毕,输出刀位文件。

  生成的刀位文件传送至Vericut环境下进行仿真,在集成刀具库、机床库、工装库等工艺资源库的基础上,进行碰撞、过切等检测,判断刀位文件是否满足加工要求。如满足,则程序编制结束;否则,根据仿真反馈的信息,对CAPP或CAM部分进行相应的修正。

 

基于特征的快速编程平台

  为将特征识别技术与特征编程技术更好的工程化,中航工业成飞特提出建立了一个集数字化数控工艺设计与数控编程为一体的大型航空结构件数字化制造整体解决方案。这是一个面向复杂航空结构件的基于特征和知识的CAD/CAPP/CAM/PDM/MES集成化工程化系统。系统采用开放式的体系结构,以及面向对象、工程知识处理等技术,基于计算机网络技术和分布式关系数据库系统,是根据大型航空结构件的数控编程特点建立的协同工作与集成应用平台,系统与CATIA V5、UG等CAM软件集成应用。

  通过构建基于特征的大型航空结构件快速编程平台,实现了数控零件全生命周期数据的信息集成和工艺编程流程的过程管理,有效地导通结构件设计、工艺、制造数据流,同时由于采用了协同工作平台,根本改变了航空结构件工艺准备(工艺设计、编程)的工作方式和流程,确保了工艺信息的合法性和正确性。系统平台的推广应用必将提高复杂航空结构件数控编程效率一倍以上,同时提高程序质量。

  随着企业信息化建设的深入发展,先进制造技术进一步朝着数字化、集成化、智能化、网络化方向发展。数控车间的工艺设计、数控编程、制造一体化是必然的发展方向。通过基于特征的快速编程平台的研究与开发,实现了在异构环境下的数据共享,实现了工艺技术数字化、信息集成化、过程敏捷化,为企业大型数控机加件的数控编程提供了一种高效高质量的方法与手段。