段振云，孔令斌，趙文輝，王 寧

（沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870）

覆蓋件模具數(shù)控加工方法的研究*

段振云，孔令斌，趙文輝，王 寧

（沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870）

為提高大型覆蓋件模具數(shù)控加工的通用性、效率與準(zhǔn)確性，在對STEP中性文件及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，提出IIPA加工方法，建立其中性文件與C++的映射關(guān)系，設(shè)計詞法分析模塊處理文件信息，完成模具中性文件與C++的實例化。集成覆蓋件模具的特征信息，通過信息提取實現(xiàn)模具數(shù)控自動編程及數(shù)控加工。實踐表明，具有編程速度快、通用性強、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點。

STEP；IIPA；大型覆蓋件模具；自動編程；數(shù)控加工

0 引言

汽車覆蓋件模具是整個汽車模具的重要組成部分，也是技術(shù)最密集、加工難度最大的部分。這一類模具造型復(fù)雜、孔數(shù)量繁多、模型數(shù)據(jù)量龐大，傳統(tǒng)的數(shù)控加工主要是依靠CAM軟件交互式編程加工，這樣加工的缺點是通用性差、工作量大、重復(fù)勞動多，編程復(fù)雜、容易出錯，很難保證準(zhǔn)確性。目前國內(nèi)數(shù)控自動編程系統(tǒng)可以對簡單零件的二維、2.5維圖形進(jìn)行信息識別與提取直至自動生成刀具軌跡和NC代碼，但是針對復(fù)雜的三維圖形文件的信息識別以及自動編程技術(shù)的研究還很少。

本文以汽車覆蓋件模具為研究對象，提出IIAP（Integrated Information Automatic Proceing）加工方法，該方法是在對STEP標(biāo)準(zhǔn)的中性文件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，通過建立中性文件與C++映射關(guān)系，實現(xiàn)中性文件C++對象的實例化，集成模具模型的特征信息，提取信息導(dǎo)入數(shù)控代碼模板中，優(yōu)化數(shù)控加工的刀具路徑，從而改善對大型模具數(shù)控加工的困難，提高加工效率，實現(xiàn)大型模具的數(shù)控加工自動編程、自動加工。

1 信息集成

1.1 STEP中性文件結(jié)構(gòu)

STEP［1-2］能夠完整、不丟失地表達(dá)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，并支持產(chǎn)品生命周期的各個環(huán)節(jié)，還可以獨立于任何CAX系統(tǒng)，具有多種實現(xiàn)形式。直接處理中性文件，具有廣泛的通用性。

STEP中性文件采用純正文編碼格式，由頭文件段（HERDER）和數(shù)據(jù)段（DATA）兩個SECTION組成。

頭文件段由三個實例組成。文件描述（FILE_DESCRIPTION）提供文件的非正式描述和后處理層次；文件名稱（FILE_NAME）提供文件的物理地址、名稱、創(chuàng)建時間、CAD系統(tǒng)版本、STEP協(xié)議號、授權(quán)信息；文件規(guī)劃（FILE_SCHEMA）給出文件引用的STEP協(xié)議名。

數(shù)據(jù)段由一系列實體實例定義語句組成，每個語句都遵循統(tǒng)一的格式：

其中：Y為實體實例名，是系統(tǒng)產(chǎn)生的該實體實例的唯一標(biāo)識符；X是實體類型名；a、b、c等是實體實例的屬性信息。該格式是由EXPRESS描述的實體的顯示屬性、子類/超類說明等映射而來?！埃弧北硎菊Z句的結(jié)束。

STEP中性文件主要是基于邊界表達(dá)法（b-rep）表達(dá)的實體造型來描述產(chǎn)品，由點、線、邊、環(huán)、面、殼通過路徑使產(chǎn)品幾何與拓?fù)湫畔⒙?lián)系在一起，建立實體模型［3-4］。

圖1為汽車覆蓋件模具模型，外形復(fù)雜并且孔加工繁多。圖2是模具中的一個凸起島嶼塊，作用是壓鑄覆蓋件時，使其凸起成型。在這類島嶼塊上，有很多尺寸不一的孔，有起固定作用（如#131）、定位銷孔、以及成型過孔（如#130）等，每一個島嶼塊都是一個完整封閉殼的實體模型。圖3為STEP中性文件部分描述的圖2中各個實體間的聯(lián)系。#96定義了一個完整封閉殼的實體，是高級面#121～#144的集合。高級面#130又是由面邊界#190、#191以及圓柱面#97組成，#97通過三維空間的2坐標(biāo)軸系#464定義，而#464由笛卡爾點#2374給出位置坐標(biāo)，由#524、#525給出方向；面邊界#190由邊環(huán)#248構(gòu)成，#248由有向邊#322組成，而#322又是由曲線邊#390組成，#390通過頂點#355以及圓#426給出，最終都?xì)w結(jié)到笛卡爾點#654、#655給出坐標(biāo)位置，#494和#496給出方向。

圖1 汽車覆蓋件模具模型

圖2 中性文件中殼（CLOSED_SHELL）實體模型

圖3 中性文件中實體間的關(guān)系

1.2 實體映射的建立

EXPRESS（ISO 10303-11）［5］是STEP中數(shù)據(jù)模型的形式化描述工具。但EXPRESS是面向?qū)ο蟮姆蔷幊陶Z言，不能被程序直接使用，這就需要用另一種編程語言與之進(jìn)行映射，從而實現(xiàn)對中性文件中的產(chǎn)品信息提取集成。C++語言是一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言，是最常用的CAX軟件開發(fā)的平臺。要把EXPRESS所描述的STEP中性文件格式轉(zhuǎn)換為C++描述的格式，就要建立對應(yīng)的映射規(guī)則［6］。EXPRESS的數(shù)據(jù)類型及其與C++的映射關(guān)系如表1所示。

表1 EXPRESS語言與C++語言的數(shù)據(jù)類型映射關(guān)系對比

通過上述數(shù)據(jù)類型的映射規(guī)則，將EXPRESS描述的實體實例映射為C++的類，建立實體映射關(guān)系，如表2所示。

表2 EXPRESS實體到C++類的映射

1.3 實例化

STEP中性文件是一個數(shù)據(jù)龐大的字符串形式的文本文件，因此須要對其做預(yù)處理才能進(jìn)行信息提取操作，也就是進(jìn)行詞法分析。詞法分析器的工作原理是由于中性文件數(shù)據(jù)段有著固定的描述格式，因此可以逐行分析讀入的數(shù)據(jù)，將每行讀入數(shù)據(jù)中的“，”、“=”、“（”、“）”、“））”等作為分隔符，讀取每段內(nèi)的字符串?dāng)?shù)據(jù)，從而提取出實體號、實體屬性值以及子實體號等信息［7-8］。

覆蓋件模具模型的STEP中性文件經(jīng)過詞法分析預(yù)處理后描述的產(chǎn)品信息被保存在數(shù)組中包括實體標(biāo)識號、實體關(guān)鍵字、實體名稱、實體屬性（1、2、3……）等。首先遍歷結(jié)構(gòu)體中的實體關(guān)鍵字，然后根據(jù)編寫的判斷程序，查找出關(guān)鍵字相應(yīng)的C++實體類的描述，建立該實體C++描述的映射關(guān)系，然后將數(shù)組中保存的實體信息作為參數(shù)傳遞給C++實體類中，構(gòu)造C++實體對象，從而實現(xiàn)中性文件的實例化。然后根據(jù)實例分別讀取對應(yīng)實體的屬性信息（如CIRCLE半徑等）以及位置信息（如坐標(biāo)點CARTESIAN_POINT、方向DIRECTION），程序流程如圖4。

圖4 實例化流程圖

2 自動編程與實例驗證

大型覆蓋件模具模型復(fù)雜、數(shù)據(jù)量龐大，甚至有幾百個孔需要加工。由于對孔的加工方式大體相同，只是刀具尺寸上有區(qū)別，而傳統(tǒng)的數(shù)控加工編程方法采用交互式編程，重復(fù)勞動多、編程效率低、而且在編程輸入數(shù)據(jù)過程中很難保證較高的準(zhǔn)確性［9-10］。從覆蓋件中性文件中提取出各個孔的位置信息、屬性信息，并且分類整合，使得同一尺寸的孔一次性加工，減少換刀次數(shù)，提高加工效率，將整合后的孔位置坐標(biāo)等信息自動輸入到數(shù)控加工代碼模板文件中，從而生成數(shù)控代碼文件，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，極大地提高了加工效率，流程如圖5。

圖5 自動生成數(shù)控代碼流程圖

在用數(shù)控機(jī)床加工孔的過程中，對于孔徑小于14的，可直接用對應(yīng)尺寸的刀具進(jìn)行鉆削加工；而大于14的孔，由于孔徑過大，大尺寸刀具很難裝夾并且直接鉆削加工時會產(chǎn)生很大的軸向偏差，影響孔的加工精度。為此，對大于14的孔加工時，采用圓弧插補進(jìn)行加工，這就需要對提取出來的孔信息按孔徑進(jìn)行分類，自動導(dǎo)入相應(yīng)的數(shù)控代碼模板文件中，從而實現(xiàn)自動編程、自動加工。圖6是生成的覆蓋件模具中島嶼塊對應(yīng)的數(shù)控程序代碼。可以直接用于數(shù)控機(jī)床進(jìn)行數(shù)控加工。

圖6 生成的數(shù)控代碼文件

3 結(jié)論

針對多孔加工的大型覆蓋件模具，本文提出了IIPA加工方法，首先利用模具的STEP中性文件集成模具的特征信息，然后通過將特征信息導(dǎo)入數(shù)控代碼模板中，實現(xiàn)了模具數(shù)控加工的自動編程、自動加工。極大地提高了加工效率，保證了加工信息的準(zhǔn)確性。并且該方法是直接對STEP中性文件進(jìn)行處理，獨立于CAX軟件，具有一定的通用性，適用于多孔類大型模具的數(shù)控加工。

［1］Michael J Pratt.Introduction to ISO 10303-the STEP Standard for Product Data Exchange［J］.American Society of Mechanical Engineers，2001，1：102-103.

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［3］張志偉，王太勇.基于STEP交換文件的特征模型研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2008，27（4）：98-101，106.

［4］王銳，張承瑞，劉日良.step中性文件的信息提取與圖形顯示［J］.機(jī)械科學(xué)，2004，30（9）：1117-1119.

［5］彭怡然.面向STEP的產(chǎn)品信息本體可視分析研究與實現(xiàn)［D］.浙江：浙江工業(yè)大學(xué)，2012.

［6］岳龍旺，劉保國，徐小定，等.基于STEP和VC++的CAX系統(tǒng)集成技術(shù)研究［J］.制造業(yè)自動化，2013，26（8）：91-95.

［7］付鵬，苑偉政.基于邊環(huán)屬性鄰接圖方法的STEP模型特征識別［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2010，20（10）：63-67.

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［10］李鐵剛，付春林，于天彪，等.快速數(shù)控編程系統(tǒng)的制造特征構(gòu)建研究［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2012（2）：5-8.

（編輯 趙蓉）

Research on the Methods of Covering Parts Mould NC Machining

DUAN Zhen-yun，KONG Ling-bin，ZHAOWen-hui，WANG Ning
（School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

To increase the generality，efficiency and veracity of covering parts mould NC machining，IIPA was proposed which was based on studying the STEP neutral file and its data structure particularly.In this way，building the mapping relation between STEP neutral and C++，and designing lexical analyzer for processing information，are necessary to realize the instantiation from the neutral file to C++.NC automatic programming and machining have come true by extracting feature information integrated covering parts mould.The practice shows that this approach has the advantages of faster programming speed，higher generality and veracity.

STEP；IIPA；large covering parts mould；automatic programming；NC machining

TH165；TG659

A

1001-2265（2015）04-0123-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.04.032

2014-09-11；

2014-10-10

國家自然科學(xué)基金項目（51275073）

段振云（1971—），男，河南新鄉(xiāng)人，沈陽工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為復(fù)雜模具數(shù)控加工等，（E-mail）809607247@qq.com；通訊作者：孔令斌（1989—），男，遼寧錦州人，沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，研究領(lǐng)域為模具數(shù)控自動編程等，（E-mail）konglingbin0701@qq.com。