陳維克，范微微，李忠群

（湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南株洲412007）

基于STEP-NC的大型數(shù)控機(jī)床主要零件切削數(shù)據(jù)庫的實例編碼

陳維克，范微微，李忠群

（湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南株洲412007）

針對大型數(shù)控機(jī)床主要零件切削數(shù)據(jù)庫，提出了基于STEP-NC的實例編碼方案，給出了編碼屬性和編碼順序，并且通過實例編碼示例，驗證了基于STEP-NC的大型數(shù)控機(jī)床主要零件切削數(shù)據(jù)庫實例編碼的可行性。

STEP-NC；大型數(shù)控機(jī)床；切削數(shù)據(jù)庫；實例編碼

0 引言

實例編碼是實現(xiàn)實例推理需要研究的主要問題之一，實例推理的執(zhí)行速度與實例編碼息息相關(guān)，實例編碼方式的選擇將直接影響實例推理的實用性[1-2]。合適的實例編碼方式，對于基于國家科技重大專項子課題“漢川機(jī)床采用國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)加工大型機(jī)床零件應(yīng)用示范工程”的數(shù)控機(jī)床主要零件切削數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)，以及基于實例推理的切削數(shù)據(jù)庫智能化的實現(xiàn)具有重要意義。

STEP-NC是一個新型NC編程數(shù)據(jù)接口國際標(biāo)準(zhǔn)，其定義的 AP238 應(yīng)用協(xié)議直接面向零件的制造特征（如平面、孔、腔等）進(jìn)行編程，且提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型，來規(guī)范計算機(jī)輔助設(shè)計（computer aided design, CAD）、計算機(jī)輔助制造（computer aided manufacturing, CAM）、計算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計（computer aide process planning, CAPP）與計算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床（computer numerical control, CNC）之間的傳遞和數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)制造業(yè)上下游之間的無縫連接，加速了計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的開發(fā)[3-5]?；赟TEP-NC的數(shù)控加工程序工藝描述部分包括了所有工步的詳細(xì)參數(shù)，如刀具、特征、機(jī)床和加工方法等[6]。本文將STEP-NC技術(shù)運用于大型數(shù)控機(jī)床主要零件切削數(shù)據(jù)庫的實例編碼上，研究該編碼方式在基于實例推理的切削數(shù)據(jù)庫中的可行性，以期為實例推理尋找適合的編碼方式。

1 大型數(shù)控機(jī)床主要零件切削數(shù)據(jù)庫

1.1 切削數(shù)據(jù)庫中的大型數(shù)控機(jī)床零件

機(jī)床主機(jī)是數(shù)控機(jī)床的主體，是在數(shù)控機(jī)床上自動完成各種切削加工的機(jī)械部分，它包括床身、底座、滑座、立柱、工作臺、主軸箱、刀架及自動換刀裝置等機(jī)械部件[7-8]。這些零部件的材料、加工方式、工藝特征等各不相同。本文根據(jù)數(shù)控機(jī)床上主要零件（主軸箱、立柱、滑座、工作臺）的外在特征，分類定義了各零件的特征量，以便于零件的查找、歸類。表1為定義的大型數(shù)控機(jī)床主要零件的加工特征和特征參量。

表1 大型數(shù)控機(jī)床主要零件的加工特征和特征參量Table1The machining-features and feature-parameters of the large NC machine main parts

1.2 大型數(shù)控機(jī)床主要零件切削數(shù)據(jù)庫的組成

圖1為切削數(shù)據(jù)庫實體-聯(lián)系（entity relationship, E-R）圖。該切削數(shù)據(jù)庫中，每個實體都有其對應(yīng)的屬性參量，如圖2～3即為相應(yīng)實體的E-R圖。

圖1 切削數(shù)據(jù)庫E-R圖Fig.1E-R diagram for cutting database

圖2 加工要求E-R圖Fig.2E-R diagram for processing requirements

圖3 工件材料E-R圖Fig.3E-R diagram for the workpiece material

大型數(shù)控機(jī)床主要零件切削數(shù)據(jù)庫包括以下實體：零件、工件材料、加工要求、加工方法、刀具、機(jī)床、切削參數(shù)和切削液。當(dāng)用戶在數(shù)控機(jī)床主要零件切削數(shù)據(jù)庫的輸入界面給出零件、加工要求及工件材料的信息后，該數(shù)據(jù)庫將運用實例推理技術(shù)，匹配得到相應(yīng)的零件加工方案，加工方案包括刀具、機(jī)床、切削液、加工方法及切削參數(shù)的信息，在輸出界面給出。

2 面向大型機(jī)床主要零件的STEPNC數(shù)據(jù)模型

STEP-NC定義了一種面向特征的數(shù)據(jù)模型作為CNC的輸入，即STEP-NC數(shù)據(jù)模型[6]。STEP-NC數(shù)據(jù)模型中包含了加工工件的所有任務(wù)，其基本原理是基于制造特征進(jìn)行編程。STEP-NC數(shù)據(jù)模型由一系列加工任務(wù)組成，描述工件從毛坯到最終成品零件的所有操作，內(nèi)容涉及工件三維幾何信息、刀具信息、制造特征及工藝信息[5]。STEP-NC數(shù)據(jù)模型還可從工件屬性、刀具路徑屬性中提取工件幾何特征量、制造特征量和刀具幾何信息，并將其反饋到加工規(guī)劃部門[6]。

本文根據(jù)某漢川機(jī)床廠具體加工工藝及圖紙信息，結(jié)合研究課題中的大型機(jī)床主要零件的特征，給出了如圖4所示的面向大型機(jī)床主要零件的STEPNC數(shù)據(jù)模型。

圖4 大型機(jī)床主要零件的STEP-NC數(shù)據(jù)模型Fig.4STEP-NC data model of the large machine main parts

該數(shù)據(jù)模型直觀地體現(xiàn)了大型機(jī)床主要零件的具體零件特征（腔、槽、孔、平面），在整體加工過程中的加工要求以及受零件特征間接影響的加工操作，每個加工操作都涉及刀具、機(jī)床、切削液、切削參數(shù)、加工方法等信息。

3 STEP-NC實例編碼

實例編碼是為了實現(xiàn)實例的快速檢索，如何全面、合理地選取編碼屬性是實例編碼的關(guān)鍵。本文在原始STEP-NC數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，針對大型機(jī)床主要零件，并結(jié)合企業(yè)實際情況，建立了如圖4所示的大型機(jī)床主要零件的STEP-NC數(shù)據(jù)模型。根據(jù)面向大型機(jī)床主要零件的STEP-NC數(shù)據(jù)模型，選取切削數(shù)據(jù)庫中主要實體（包括工件材料、零件、加工要求、加工方法、機(jī)床、刀具、切削用量、切削液）對應(yīng)的各屬性構(gòu)成實例編碼的內(nèi)容，提出了基于STEP-NC的實例編碼方案。

3.1 實例編碼的屬性內(nèi)容及編碼順序

在需要編碼的實例屬性中，各屬性均采用數(shù)字編碼方式，即1位可有10種選擇，2位即有102種選擇。表2為各實體的屬性及每種屬性的編碼位數(shù)。由表2可知，每個實例編碼由25位代碼組成，且每個實例的編碼順序如圖5所示。

表2 各實體屬性及其編碼位數(shù)Table2Each entity attribute and its coding digit

圖5 實例編碼順序Fig.5Example coding sequence

各實體屬性的具體內(nèi)容編碼如下。

材料類別：0—灰鑄鐵，1—其他鑄鐵；

材料牌號：0—HT150，1—HT200，2—HT225，3—HT250，4—HT275，5—HT300，6—HT350；

材料硬度：0—125～205，1—150～230，2—170～240，3—180～250，4—190～260，5—190～220，6—200～275， 7—220～290；

最小抗拉強度：0—150，1—200，2—225，3—250，4—275，5—300，6—350；

加工部位：0—頂面，1—底面，2—左側(cè)面，3—右側(cè)面，4—正面，5—背面；

加工特征：0—腔，1—T型槽，2—平面，3—孔；

幾何特征參量：0—側(cè)面，1—底面，2—表面，3—孔內(nèi)壁，4—孔外壁；

尺寸特征參量：0—長度，1—寬度，2—深度，3—槽口寬，4—槽底寬，5—槽底高，6—外圓直徑，7—內(nèi)圓直徑；

加工精度：0—低精度（IT13～I(xiàn)T11），1—中低精度（IT10～I(xiàn)T9），2—中高精度（IT8～I(xiàn)T7），3—高精度（IT6～I(xiàn)T5），4—特精密精度（IT4～I(xiàn)T2）；

表面粗糙度：0—第一類（25, 12.5），1—第二類（6.3, 3.2），2—第三類（1.6, 0.8），3—第四類（0.4, 0.2），3—第四類（＜0.2）；

加工尺寸：見表3；

熱處理狀態(tài)：0—退火，1—正火，2—淬火，3—回火，4—調(diào)質(zhì)；

加工方法：0—銑削，1—車削，2—鉆銷，3—磨削，4—鏜削，5—鉸銷；

機(jī)床型號：見表4；

主軸轉(zhuǎn)速：0—50～500，1—501～1 000，2—1 001～2 000，3—2 001～3 000，4—＞3 000；

刀具材料：0—碳素工具鋼，1—合金工具鋼，2—高速鋼，3—硬質(zhì)合金，4—陶瓷，5—（聚晶）金剛石，6—（聚晶）立方氮化硼；

刀具名稱：見表5；

切削速度：0—低（0～50），1—中（51～100），2—高（＞100）；

切削深度：0—?。?.2～1），1—中（2～10），2—大（＞10）；

進(jìn)給速度：0—0～100，1—101～999，2—1 000～1500；

切削液：0—水溶液，1—乳化液，2—切削油，3—不使用。

表3 加工尺寸編碼Table3Processing size coding

表4 機(jī)床型號編碼Table4Machine type coding

表5 刀具名稱編碼Table5Tool name coding

3.2 實例編碼示例

圖6為某型號立式加工中心的立柱，機(jī)加工工藝主要是完成此零件各平面的銑削以及零件上各孔的加工，現(xiàn)以該立柱零件為例，立柱背面定位，按線找正，編碼立柱的底孔A和導(dǎo)軌面B。由廠商提供的零件圖紙、加工參數(shù)及刀具清單可知，立柱的工件材料材質(zhì)為HT300，硬度為HB190～HB220。

圖6 某立柱的三維模型Fig.6A post 3D model

式中：是圓周率，取3.14；D為刀具直徑，mm；n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min。

例1：加工導(dǎo)軌面B時，B位于正面，加工特征為平面，使用HGMC1225R/III銑床，選用63精銑方肩銑刀，要求導(dǎo)軌面表面粗糙度為1.6，待銑導(dǎo)軌面長1525mm，寬51mm，主軸轉(zhuǎn)速為500r/min，進(jìn)給速度為300mm/min，由式（1）可得切削速度Vc=98.91m/min。

導(dǎo)軌面B尺寸特征參量為長度時，實例編碼為：0 5 5 5 4 2 2 0 2 2 09 3 0 04 0 3 006 1 2 2 3；

導(dǎo)軌面B尺寸特征參量為寬度時，實例編碼為：0 5 5 5 4 2 2 1 2 2 03 3 0 04 0 3 006 1 2 2 3。

例2：加工底孔A，使用Z3080鉆床，以26鉆頭在底面鉆8個26通孔，表面粗糙度為12.5，孔深為50mm，主軸轉(zhuǎn)速為280r/min，進(jìn)給速度為85mm/min，代入式（1），則Vc=22.8592m/min。

底孔A尺寸特征參量為深度時，實例編碼為：0 5 5 5 1 3 3 2 0 0 02 3 2 08 0 2 020 0 2 0 1；

底孔A尺寸特征參量為內(nèi)圓直徑時，實例編碼為：0 5 5 5 1 3 3 7 0 0 02 3 2 08 0 2 020 0 2 0 1。

上述示例采用基于STEP-NC的實例編碼方案，完成了對實際零件的編碼并給出了編碼值。根據(jù)該編碼方案對大型機(jī)床基礎(chǔ)零件進(jìn)行編碼，編碼內(nèi)容可以涵蓋零件的各加工屬性，在切削數(shù)據(jù)庫中即可用零件對應(yīng)的編碼值完整地表示該零件，驗證了基于STEP-NC的編碼方案可以較好地應(yīng)用于大型機(jī)床主要零件切削數(shù)據(jù)庫中。

4 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)STEP-NC數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，針對大型機(jī)床主要零件，并結(jié)合企業(yè)的實際加工工藝，給出了針對大型機(jī)床主要零件的STEP-NC數(shù)據(jù)模型，確定了需編碼的屬性，提出了基于STEP-NC的實例編碼方案。同時，描述了該編碼方案的屬性內(nèi)容、位數(shù)及編碼順序，并舉例給出了的幾組實例編碼，驗證了基于STEP-NC的編碼方式適用于切削數(shù)據(jù)庫實例推理，而且對實現(xiàn)實例的快速檢索、加快實例推理的執(zhí)行速度等均具有重要意義。

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（責(zé)任編輯：徐海燕）

The Example Code of Large NC Machine Main Parts Cutting Database Based on STEP-NC

Chen Weike，F(xiàn)an Weiwei，Li Zhongqun
（School of Mechanical Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Aimed at the large NC machine main parts cutting database, the example coding scheme based on STEP-NC was proposed. The encoding attributes and encoding sequence were presented. And through the example code cases, the feasibility of the STEP-NC-based example coding of large NC machine main parts cutting database was verified.

STEP-NC；large NC machine; cutting database；example code

TP311.13；TG659

A

1673-9833(2014)06-0027-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.06.006

2014-09-18

國家自然科學(xué)基金資助項目（51375160），國家科技重大專項基金資助項目（2012ZX04011-011）

陳維克（1964-），男，浙江東陽人，湖南工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事數(shù)字化制造和傳感網(wǎng)絡(luò)方面的教學(xué)與研究，E-mail：chenweike@21cn.com

范微微（1990-），女，安徽蚌埠人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向為切削數(shù)據(jù)庫，E-mail：fanweiwei2013@126.com