李 強，李迎光，劉 旭，湯立民

（1.南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，南京 210016；2.中航工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司數(shù)控加工廠，成都 610091）

飛機結(jié)構(gòu)件是構(gòu)成飛機機體骨架和氣動外形的重要組成部分，主要包括框、梁、肋等多種類型[1]。新一代飛機的高指標也對其結(jié)構(gòu)件提出了更高要求，有著零件整體化、尺寸大型化、加工復(fù)雜化、材料多樣化等特點,這些特點使得飛機結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工特征多，包含大量自由曲面、相交特征和特殊加工區(qū)域，數(shù)控編程難度大[2]。國內(nèi)各大型航空企業(yè)投入數(shù)百億巨額資金購買大量先進的五軸數(shù)控機床，但設(shè)備有效利用率低，其主要原因在于數(shù)控編程重復(fù)工作量大、效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定。難度大、重復(fù)工作量多、效率低主要是由于飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控編程過程中需人工撿取大量幾何、設(shè)置大量參數(shù)和創(chuàng)建大量輔助幾何。飛機整體結(jié)構(gòu)件的采用大大減少了飛機機體零件數(shù)目，減少了裝配工作量，使飛機的制造質(zhì)量顯著提高。隨著整體件、薄壁件及特種材料件的增多，數(shù)控編程工作量大幅度增加，飛機結(jié)構(gòu)件的數(shù)控編程日益成為影響飛機研制周期的重要瓶頸之一。基于特征的數(shù)控編程技術(shù)以加工特征為信息載體，能有效集成加工知識和經(jīng)驗，是數(shù)控編程技術(shù)發(fā)展的重要趨勢[3]。

基于現(xiàn)階段航空主機廠中飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控編程的現(xiàn)狀，在主機廠中進行基于特征的數(shù)控編程技術(shù)的推廣與應(yīng)用有著重要的意義。特征編程技術(shù)不僅能有效提高數(shù)控編程的效率與質(zhì)量，更能將工藝員從繁重的數(shù)控編程工作中解脫出來，重新回歸到工藝本身，在積累總結(jié)已有工藝知識的同時，不斷拓展新工藝。

快速程編系統(tǒng)FBM_NUAA的功能架構(gòu)

以基于特征的數(shù)控編程技術(shù)為核心的快速程編FBM_NUAA系統(tǒng)經(jīng)過近10年的開發(fā)與應(yīng)用，系統(tǒng)不斷完善，目前已包含5大模塊，近20項功能，并以航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工領(lǐng)域為基礎(chǔ)實現(xiàn)了向航空發(fā)動機以及航天領(lǐng)域進行擴展。FBM_NUAA系統(tǒng)的整體功能架構(gòu)如圖1所示，包括系統(tǒng)設(shè)置、加工特征識別、工藝決策、刀軌生成、編程工具箱。

系統(tǒng)設(shè)置：主要進行用戶工作目錄、數(shù)據(jù)庫地址以及在線更新地址的設(shè)定。系統(tǒng)計算過程中特征識別、刀軌生成等信息會保存在用戶工作目錄中。數(shù)據(jù)庫目錄設(shè)定主要用于配置機床庫、刀具庫、切削參數(shù)庫等工藝資源庫。在線更新地址完成設(shè)置之后，當服務(wù)器上有新版本系統(tǒng)發(fā)布之后，F(xiàn)BM_NUAA系統(tǒng)能夠完成新版本的在線更新，維護升級方便。

加工特征識別：根據(jù)零件實體模型，建立全息屬性面邊圖[4]與屬性邊點圖[5]自動識別加工特征。在自動加工特征識別的基礎(chǔ)上，為了進一步提高加工特征識別的準確率，用戶可以使用交互識別功能對自動加工特征識別結(jié)果進行局部修正。完成特征識別之后輸出特征識別結(jié)果，以便下游工藝決策模塊調(diào)用。

零件輔助幾何創(chuàng)建：由于下發(fā)的零件數(shù)模具有不可更改性，禁止任何數(shù)據(jù)的添加與刪除，所以在數(shù)控程編過程中工藝員需要新建空白零件以便保存各類輔助面線，然后通過裝配模塊將新建零件添加到原始零件中，該過程比較繁瑣。系統(tǒng)中輔助幾何空間創(chuàng)建功能可以自動創(chuàng)建輔助幾何存儲零件，與原始零件組成裝配體。

工藝決策：主要包括飛機結(jié)構(gòu)件中各類典型特征（筋頂、內(nèi)型、腹板、轉(zhuǎn)角等等）的工藝決策，決策過程主要包括加工特征排序、加工特征驅(qū)動幾何重構(gòu)、生成加工操作、加工操作優(yōu)化排序等步驟。作為系統(tǒng)的核心功能，經(jīng)過前期應(yīng)用實踐，該部分功能得到了極大的完善，為了提高系統(tǒng)的使用效率以及易用性，將總體工藝決策模塊進行了工具化處理，形成了針對各類特征的工藝決策工具，包括筋頂工藝決策工具、內(nèi)型工藝決策工具、腹板工藝決策工具、轉(zhuǎn)角側(cè)銑工藝決策工具、轉(zhuǎn)角插銑工藝決策工具等。

圖1 FBM_NUAA 系統(tǒng)整體功能架構(gòu)Fig.1 Architecture of FBM_NUAA system

刀軌生成：在生成所有加工操作以后，調(diào)用刀軌生成模塊可以進行刀軌計算以及刀軌的快速查看，同時針對刀軌錯誤的情況提供了取消、刪除等處理辦法供用戶選擇。

編程工具箱：編程工具箱的開發(fā)與使用是提升工藝員編程效率的又一重要途徑，旨在減少工藝員的重復(fù)工作量，該模塊包括進退刀批量修改、加工操作參數(shù)批修改、APT程序批量導(dǎo)出、操作查找、VT連接、可視化進退刀修改等數(shù)項工具。編程工具箱的使用提高了FBM_NUAA系統(tǒng)的適應(yīng)性，讓工藝員在修改手動編程的程序時也能享受到FBM_NUAA系統(tǒng)帶來的方便與快捷。

特征編程技術(shù)的推廣應(yīng)用

FBM_NUAA系統(tǒng)在國內(nèi)某大型航空制造企業(yè)應(yīng)用了數(shù)年，經(jīng)過不斷更新完善之后，在國家科技重大專項：高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備的支持下快速程編系統(tǒng)具備了在行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用的條件。

原有FBM_NUAA與國內(nèi)某大型主機廠內(nèi)部切削參數(shù)庫、刀具庫等進行了集成，因此原有系統(tǒng)并不利于實際推廣，項目組提煉出原有系統(tǒng)的精華部分實現(xiàn)FBM_NUAA系統(tǒng)的工具化模塊化，使系統(tǒng)使用更加方便，工藝人員上手更快，同時各家單位可以根據(jù)自身情況對相應(yīng)的功能進行定制。

1 產(chǎn)生的新問題

一個新的技術(shù)在推廣應(yīng)用的過程中很難做到一帆風順。由于各個主機廠建模規(guī)范和編程規(guī)范以及不同類型零件之間的差異，在前期的推廣過程中，也出現(xiàn)了一些新的問題，對快速程編系統(tǒng)的兼容性以及穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。

（1）刀軌策略優(yōu)化問題。在生產(chǎn)過程中往往伴隨著零件自身變形、刀具受力等問題，很容易導(dǎo)致零件質(zhì)量不合格，甚至報廢和刀具損壞的情況，在某些復(fù)雜區(qū)域常常會有很多空走刀，這些問題往往是由于加工刀軌不合理引起的，需要開發(fā)優(yōu)化的走刀策略提高加工質(zhì)量；

（2）工藝決策的過程沒有考慮零件的加工中間狀態(tài)，工藝決策效果不夠理想。由于零件的整個加工過程復(fù)雜，從毛坯粗加工再到各個局部的精加工，這一系列工藝過程信息的獲取完全依賴于工藝編程人員的主觀判斷和相關(guān)仿真軟件的幾何仿真結(jié)果，對幾何仿真反饋回來的結(jié)果的處理方法也沒有形成標準，完全依賴個人的工作習(xí)慣，處理的質(zhì)量穩(wěn)定性較差，這一系列過程增加了工藝準備的周期，擴大了工藝流程準備的范圍。

（3）加工刀軌與國產(chǎn)機床與數(shù)控系統(tǒng)的適應(yīng)性問題?，F(xiàn)有商業(yè)CAM軟件生成的加工刀軌難以完全適應(yīng)國產(chǎn)機床與數(shù)控系統(tǒng)的動態(tài)特性等特點，不能有效發(fā)揮國產(chǎn)機床與數(shù)控系統(tǒng)的性能。如傳統(tǒng)加工刀軌在加工轉(zhuǎn)角時加工速度與切削力變化劇烈，不能很好適應(yīng)國產(chǎn)機床的性能，且容易導(dǎo)致刀具震動與磨損加劇，尤其是鈦合金的加工。

2 解決方案

針對以上在前期推廣中出現(xiàn)的問題，課題組進行了技術(shù)攻關(guān)，采用了以下解決方案，并在中期推廣中得到了很好的應(yīng)用驗證，進一步豐富了FBM_NUAA系統(tǒng)的加工工藝知識庫，同時提高了系統(tǒng)在復(fù)雜情況下工藝優(yōu)化處理的能力。

（1）局部走刀策略優(yōu)化。

針對刀軌生成策略進行了完善與優(yōu)化。如在轉(zhuǎn)角插銑中，增加了第三退刀點，如圖2中點P所示，即退刀時刀具沿軸向和徑向退出一段距離，再快速退刀，避免了退刀過程中零件和刀具的摩擦造成的零件已加工表面擦傷或者刀具損壞等情況。

圖2 轉(zhuǎn)角插銑退刀優(yōu)化Fig.2 Retract optimization of the corner plunge milling

圖3 刀軌優(yōu)化Fig.3 Tool path optimization

圖4 多TPE間的關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.4 Relationship matrix of Multi-TPE

圖5 內(nèi)型轉(zhuǎn)角一體化加工刀軌Fig.5 Profile and corner integration tool path

內(nèi)型軸向分層銑削和孤峰結(jié)構(gòu)側(cè)銑刀軌[6]能夠有效地減少加工中無效走刀時間，提高加工效率，如圖3（a）所示系統(tǒng)自動根據(jù)內(nèi)型高度的不同進行加工操作再劃分。如圖3（b）所示。以上加工刀軌都能夠有效地改善和避免在加工過程中出現(xiàn)的一些問題。

（2）基于動態(tài)特征的工藝決策。

采用基于動態(tài)特征的方法來決策和優(yōu)化零件工藝方案[7]，將工藝方案的決策轉(zhuǎn)化為對非理想中間切削狀態(tài)的優(yōu)化，并引入加工過程狀態(tài)的傳遞及約束關(guān)系分析，如圖4所示，建立多TPE間的關(guān)聯(lián)關(guān)系分析加工狀態(tài)變化，通過分析各加工狀態(tài)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，最終實現(xiàn)優(yōu)化工藝方案的獲取。

（3）內(nèi)型轉(zhuǎn)角一體加工刀軌。

針對傳統(tǒng)加工刀軌在加工轉(zhuǎn)角時加工速度與切削力變化劇烈造成的刀具磨損加劇、加工表面質(zhì)量差等問題，課題組提出了一種內(nèi)型轉(zhuǎn)角一體加工刀軌[8]，該刀軌相比于傳統(tǒng)的內(nèi)型轉(zhuǎn)角加工刀軌具有明顯的優(yōu)勢：消除了因內(nèi)型轉(zhuǎn)角分開加工產(chǎn)生的接刀痕，根據(jù)恒定接觸角和最大接觸角原則實現(xiàn)轉(zhuǎn)角循環(huán)加工算法。

這種方法避免了換刀，提高了工件表面加工質(zhì)量；考慮了接觸角對刀具受力的影響，提出了恒定接觸角和最大接觸角原則，保障加工過程中機床的平穩(wěn)性，減少刀具震動，延長了刀具的使用壽命，生成的刀軌如圖5所示。

系統(tǒng)應(yīng)用實例

選用如圖6所示的復(fù)雜飛機結(jié)構(gòu)件做為實例零件。首先工藝人員需要進行常規(guī)設(shè)置，包括機床設(shè)置、加工坐標系設(shè)置、加工工件選擇、安全平面設(shè)置等。

完成設(shè)置后進入FBM_NUAA系統(tǒng)，點擊系統(tǒng)設(shè)置圖標進行系統(tǒng)設(shè)置，設(shè)置用戶工作目錄，其他默認。單擊特征識別圖標，進行加工特征識別，用戶可以點擊零件或者點擊特征樹進行加工特征結(jié)果查看，選中的特征在零件上會進行高亮居中顯示，對于識別錯誤或者未識別的加工特征用戶可以進行交互識別進行修改和添加，輸出特征識別結(jié)果，供下游模塊調(diào)用，零件特征自動識別結(jié)果如表1所示。

由于下發(fā)數(shù)模的不可更改性，點擊輔助幾何空間創(chuàng)建圖標，快速創(chuàng)建輔助幾何存儲空間，用來存儲系統(tǒng)計算過程中所需要的幾何元素信息。

快速程編系統(tǒng)對工藝決策部分進行了細化，針對零件的每種加工特征系統(tǒng)都可以獨立進行工藝決策，這樣工藝員可以根據(jù)自己的實際需要對指定類型特征生成加工軌跡，如圖6所示，依次進行筋頂、內(nèi)型、腹板、轉(zhuǎn)角側(cè)銑、轉(zhuǎn)角插銑的工藝決策與操作添加，自動工藝決策生成的操作并不能保證100%正確，所以個別操作需要進行手動修改，表2中對該零件工藝決策過程中系統(tǒng)自動添加的加工操作、手動進行修改的操作個數(shù)以及時間進行了統(tǒng)計。

當工藝員發(fā)現(xiàn)某些參數(shù)設(shè)置不合理時，傳統(tǒng)上只能對加工操作逐一進行修改，如果零件尺寸較大的話通常會有上百個操作需要修改，重復(fù)工作量大，影響工藝員的工作情緒。FBM_NUAA系統(tǒng)的編程工具箱中提供了加工參數(shù)批量修改功能，能夠快速進行指定參數(shù)的批量修改。如圖6所示刀軌預(yù)覽為最終生成的刀軌。批量導(dǎo)出APT程序后置處理后，進行VT仿真。如表2所示，最終該零件使用FBM_NUAA系統(tǒng)的總編程時間為55.64min，而人工編程對比時間為469min。

表1 零件特征自動識別結(jié)果

圖6 系統(tǒng)應(yīng)用實例Fig.6 Example of system application

應(yīng)用結(jié)果分析

2013年7月至今，共組織進行了7次飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件特征技術(shù)推廣培訓(xùn)會，在5家航空主機廠中進行了快速程編FBM_NUAA系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，通過多主機廠各機型過百項零件的應(yīng)用，結(jié)果表明：

（1）實現(xiàn)編程自動化，消除重復(fù)勞動。最大限度減少程編員在飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控編程過程中幾何元素的撿取工作，減輕程編員工作負擔，提高程編效率，縮短零件工藝準備時間；

（2）提高編程規(guī)范化，增加工藝穩(wěn)定性。實際應(yīng)用中，F(xiàn)BM_NUAA系統(tǒng)不斷吸收著工藝人員優(yōu)秀的工藝經(jīng)驗，消除了編程過程中人工編程的隨意性；

（3）優(yōu)化的工藝和走刀策略。傳統(tǒng)人工編程在處理弱剛性等特殊部位時通常的做法是降低進給速度、減少切深，保證了加工質(zhì)量但是犧牲了加工效率。經(jīng)過不斷的應(yīng)用與總結(jié)，F(xiàn)BM_NUAA采用優(yōu)化的工藝與走刀策略能夠兼顧加工效率與加工質(zhì)量。

結(jié)束語

快速程編系統(tǒng)的不斷升級完善，除了南航、成飛以及各參研單位的努力付出以外，還要特別感謝各應(yīng)用單位的大力支持。采用基于特征的快速程編FBM_NUAA系統(tǒng)，工藝員數(shù)控編程效率和編程質(zhì)量都有了較大的提升，獲得各應(yīng)用單位的一致好評?；谔卣鞯目焖倬幊滔到y(tǒng)的刀軌平均自動生成率超過90%，編程時間較傳統(tǒng)編程方式平均縮短70%以上[9]。

表2 零件工藝決策指標統(tǒng)計

為了讓基于特征的數(shù)控編程技術(shù)得到更好的應(yīng)用效果，下一步工作主要分為兩方面：

（1）將各應(yīng)用單位更多的優(yōu)秀工藝經(jīng)驗融合進FBM_NUAA系統(tǒng)的知識庫中，進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及多主機廠的適應(yīng)性；

（2）與各應(yīng)用單位繼續(xù)深入合作，以此次技術(shù)的推廣應(yīng)用為契機，與各單位建立起長期的應(yīng)用-反饋機制，并持續(xù)更新FBM_NUAA系統(tǒng)。

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