劉長青， 李迎光， 王鵬程， 郝小忠

南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院， 南京 210016

復(fù)雜結(jié)構(gòu)件數(shù)控編程加工特征用戶自定義方法

劉長青， 李迎光*， 王鵬程， 郝小忠

南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院， 南京 210016

加工特征是實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件高效、高質(zhì)量數(shù)控編程的有效手段，但是同一類加工特征只是幾何形狀和加工工藝相似，并不完全相同。如何適應(yīng)不同的企業(yè)資源與工藝水平、不同類型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件進行加工特征定義是基于加工特征進行自動數(shù)控編程的一個難題。針對以上難題，本文提出了一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)件數(shù)控編程加工特征用戶自定義方法，基于全息屬性面邊圖表達加工特征幾何信息，給出了具有一定柔性的加工特征幾何信息定義方法，基于語義與規(guī)則建立加工特征工藝信息及其與幾何信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)了由用戶根據(jù)企業(yè)的制造資源、零件結(jié)構(gòu)和工藝人員的編程習(xí)慣等因素自定義加工特征。根據(jù)本文提出的方法開發(fā)了飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工特征用戶自定義及自動編程系統(tǒng)，已成功應(yīng)用于國內(nèi)某大型航空制造企業(yè)的飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控編程，經(jīng)過多項飛機結(jié)構(gòu)件測試，本文提出的方法特征識別正確率平均達到97%。

飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件； 數(shù)控編(NC)程； 加工特征； 自定義； 工藝

復(fù)雜結(jié)構(gòu)件是航空航天裝備的承力零件，對于保證裝備的性能和可靠性具有重要作用[1]。航空航天裝備的制造屬于多品種、小批量生產(chǎn)模式，新一代航空航天裝備的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件種類多、差異大，工藝復(fù)雜[2]，如圖1所示飛機典型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。復(fù)雜結(jié)構(gòu)件以數(shù)控加工為主[3]，其數(shù)控加工編程重復(fù)工作量大、效率低、編程質(zhì)量規(guī)范性差，是制約航空航天裝備研制周期的重要瓶頸[4]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)雜結(jié)構(gòu)件雖然各不相同，但都由形狀和工藝相似的加工特征組成，基于加工特征進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的數(shù)控編程是一種有效手段。以加工特征為復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工工藝的載體[5]，基于加工特征關(guān)聯(lián)幾何形狀和加工工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)加工工藝知識的有效積累和重用，實現(xiàn)加工特征驅(qū)動的自動數(shù)控編程，從而提高數(shù)控編程效率，并提升數(shù)控編程的規(guī)范性[6-7]，從而縮短數(shù)控加工準備周期。

圖1 飛機典型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件Fig.1 Typical complex structural part of aircraft

加工特征雖然是實現(xiàn)加工工藝知識積累和重用的有效手段，但是同一類加工特征只是幾何形狀和加工工藝相似，并不完全相同。對于不同的企業(yè)、不同的產(chǎn)品型號和結(jié)構(gòu)件，其加工特征的幾何形狀和加工工藝也會發(fā)生變化，以上變化會直接影響基于加工特征的自動數(shù)控編程效果，因為已有的加工特征定義往往不能應(yīng)用于新的加工特征。而目前的商品化CAM(Computer Aided Manufacturing)系統(tǒng)和學(xué)術(shù)研究都是在軟件內(nèi)部事前定義加工特征，一旦加工特征發(fā)生變化，都需要對軟件系統(tǒng)進行重新開發(fā)，嚴重影響了系統(tǒng)的通用性和可擴展性，亟需一種能夠支持用戶自定義加工特征的方法，用戶能夠根據(jù)結(jié)構(gòu)件的幾何特點、企業(yè)的制造資源、工藝水平和編程習(xí)慣等因素自定義加工特征，能夠適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境和結(jié)構(gòu)件的變化，進而驅(qū)動自動數(shù)控編程。

加工特征的概念自20世紀70年代末提出以來[8]，隨著數(shù)字化制造的發(fā)展，加工特征技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。加工特征定義作為加工特征技術(shù)的基礎(chǔ)，是影響加工特征識別及基于加工特征的數(shù)控編程的重要因素。近年來，國際標(biāo)準化組織、商品化CAM軟件和學(xué)術(shù)界對加工特征的定義都進行了大量的研究。

國際標(biāo)準化組織在ISO 10303 STEP AP224[9]中發(fā)布了加工特征定義的協(xié)議，將加工特征定義為“為了獲得零件最終的幾何形狀，從原始毛坯中去去除的那一部分材料體積”。STEP AP224按照固定的幾何形狀將加工特征定義為17種類別，其中有些類別還定義有子類別。但STEP AP224中定義的加工特征結(jié)構(gòu)固定，承載的加工語義簡單，無法滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工特征定義的要求。

隨著數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的很多商品化CAM軟件在STEP AP224標(biāo)準的基礎(chǔ)上也對加工特征進行了定義。MasterCAMT定義了槽、凸臺、孔等加工特征，同時部分特征也包含子類特征，比如槽包括通槽、封閉槽和開口槽等。達索CATIAT也對加工特征作出了定義，主要是針對一些形狀比較固定的加工特征，加工特征的參數(shù)也相對比較固定，包括槽、孔、倒角、狹槽等。以上兩種軟件的加工特征都是系統(tǒng)事前定義的，不支持用戶自定義。FeatureCAMT提供自動特征識別和交互特征識別功能，能夠自動識別零件中的孔、槽和凸臺等特征。同時，F(xiàn)eatureCAMT支持用戶自定義指定的加工特征，但僅支持定義加工特征的幾何尺寸、參數(shù)及其相應(yīng)的加工方法。SIEMENS NXT主要采用加工模板的方式定義加工特征，一種加工特征對應(yīng)一種加工模板，加工特征的幾何和加工工藝一一對應(yīng)，主要包括簡單槽特征銑削加工模板和孔加工模板。其中僅槽特征的尺寸、孔的類別、幾何參數(shù)和加工操作支持用戶自定義。

在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域，很多學(xué)者也對加工特征進行了深入的研究。在加工特征的概念定義方面，Sridharan 和Shah[10]將加工特征定義為“一次裝夾中通過相同的加工操作切削的一系列面的集合”，依據(jù)特征的關(guān)鍵幾何和拓撲屬性將加工特征分為3種主要類型和12種子類型。Tseng和Joshi[11]將加工特征定義為“在一個零件中具有一定工程意義的一部分，且和確定的加工操作相互關(guān)聯(lián)”，依據(jù)零件形狀和操作的特點，他們將加工特征分為回轉(zhuǎn)特征和棱柱特征。Borkar和Puri[12]將加工特征定義為幾何形狀和語義的結(jié)合，因此它是與一個已定義形狀所相關(guān)的幾何信息，并且也是幫助關(guān)聯(lián)制造體移除工藝的制造語義。Eum等[13]認為加工特征合并了零件的幾何定義與諸如公差、粗糙度的加工信息。

在加工特征的信息表達與定義方面，主要有基于圖的定義方法、基于體的定義方法、基于加工操作的定義方法和基于制造資源的定義方法。Liu和Ma[14]提出了一種包含樣條圓弧曲線解析(Polyline-arc Profiling)和2.5軸加工過程的level-set拓撲優(yōu)化方法。Liu等[15]提出了一種以種子面為基礎(chǔ)，其他相鄰面為擴展，利用邊界表示法建立加工特征實體模型的方法，確定了加工特征與加工特征體的映射關(guān)系并將加工特征分成了3類：凹陷特征、凸起特征以及過渡特征。Givehchi等[16]提出了EMF(Enrich Machining Feature)的概念，包含了為表示動態(tài)加工工藝在不同加工場景下特征體變換的相關(guān)信息，他們也提出了與EMF相關(guān)的一系列參數(shù)，描述了特征以及邊界表示的狀態(tài)和存在的相互作用。Huang等[17]通過對NC(Numerical Control)加工過程的相似性評估和數(shù)據(jù)挖掘，建立了加工特征與加工操作集所對應(yīng)的鄰接圖之間的對應(yīng)關(guān)系。Yan和Yamazaki[18]提出加工特征是由幾何元素和拓撲關(guān)系屬性組成，且和對應(yīng)的加工操作互相關(guān)聯(lián)，并通過逆向工程建立加工特征與NC程序之間的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)了加工特征的定義與識別。張輝等[19]以加工行為為組成單元，用來表述零件加工的幾何信息、工藝信息和制造信息等。劉雪梅等[20]通過分析加工工藝環(huán)境中機床、刀具和夾具的基礎(chǔ)上，對制造資源進行了參數(shù)化定義，獲得了制造資源模型，并將同一裝夾下采用同一刀具和機床運動模式的加工表面聚類為一個加工特征，建立了加工特征與制造資源之間的映射關(guān)系。

由以上分析可知，現(xiàn)有商品化CAM軟件僅支持指定簡單加工特征的幾何參數(shù)和加工操作定義，應(yīng)用范圍有限。而學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域主要給出了特征的分類和表達，且加工特征的定義較為固定，缺乏針對不同企業(yè)、不同零件結(jié)構(gòu)的加工特征定義研究。復(fù)雜結(jié)構(gòu)件用戶加工特征自定義的難點在于同一類加工特征的幾何拓撲和形狀不固定，且復(fù)雜加工特征的幾何信息與工藝信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜。

針對以上難題，本文提出了一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)件數(shù)控編程加工特征用戶自定義方法，基于全息屬性面邊圖表達加工特征幾何信息，給出了具有一定柔性的加工特征幾何信息定義方法，基于語義與規(guī)則建立加工特征工藝信息及其與幾何信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，由用戶根據(jù)企業(yè)的制造資源、零件結(jié)構(gòu)和工藝人員的編程習(xí)慣等因素定義加工特征，從而形成了支持用戶自定義的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工特征定義方法。

1 加工特征幾何信息用戶交互定義與表達方法

1.1 加工特征幾何信息定義

根據(jù)加工特征幾何信息定義的需求，加工特征幾何信息可表示為

(1)

式中：GData為加工特征幾何元素數(shù)據(jù)；GEi為加工特征的第i個幾何元素；n為幾何元素的數(shù)量；GAi為加工特征第i個幾何元素對應(yīng)的屬性，包括幾何元素的類型、方向、法向等信息；Tij為加工特征幾何元素之間的拓撲關(guān)系，包括各幾何元素之間的鄰接關(guān)系、位置關(guān)系等信息。

加工特征的幾何元素主要包括面和線，其中面的屬性包括面的類型，如曲面和平面，還包括面的面積、法向等信息；邊的屬性包括邊的類型，如曲線和直線，邊的鄰接類型，如硬邊界和軟邊界。加工特征的幾何元素確定后，各幾何元素在零件實體模型中的拓撲關(guān)系即代表了當(dāng)前所定義加工特征幾何元素的拓撲關(guān)系。

加工特征中一個幾何元素與其余幾何元素之間存在的拓撲連接關(guān)系包括鄰接關(guān)系、位置關(guān)系、約束關(guān)系等，所有的關(guān)系構(gòu)成了拓撲連接關(guān)系矩陣，可表示為

(2)

式中：非對角線上的元素Ti,j(i>j;i,j=1,2,3,…,n) 表示不同幾何元素之間的拓撲連接關(guān)系，即第i個幾何元素與第j個幾何元素之間的拓撲連接關(guān)系。

為了更深入地表示加工特征幾何元素之間的拓撲關(guān)系，本文采用數(shù)據(jù)編碼的形式，兩個幾何元素之間的拓撲關(guān)系可表示為

Tij=[abcd…]

(3)

式中：a、b、c、d等都具有明確的拓撲關(guān)系性質(zhì)，各自包含有自身對應(yīng)的關(guān)系屬性，且每一種關(guān)系都具有確定的編碼值，如a代表幾何元素之間的連接關(guān)系，0代表沒有連接關(guān)系，1代表凸連接，2代表凹連接；b代表幾何元素之間的位置關(guān)系，0代表幾何元素?zé)o明確位置關(guān)系，1代表幾何元素等高，2代表幾何元素不等高；c代表幾何元素之間的約束關(guān)系，0代表無約束關(guān)系，1代表幾何元素相互平行，2代表幾何元素相互垂直；d代表幾何元素之間的過渡關(guān)系，0代表幾何元素之間無過渡關(guān)系，1代表幾何元素之間突變，2代表幾何元素之間相切。通過不同的數(shù)字編碼信息，就能夠表達幾何元素之間的拓撲關(guān)系，如圖2所示。

圖2(a)中表示幾何元素1和幾何元素2結(jié)構(gòu)之間為凹連接、無明確位置關(guān)系、二者相互垂直、二者之間突然變化等；圖2(b)表示幾何元素1和幾何元素2結(jié)構(gòu)之間為凸連接、無明確位置關(guān)系、無約束關(guān)系、二者相切等；圖2(c)表示幾何元素1和幾何元素2結(jié)構(gòu)之間為凹連接、無明確位置關(guān)系、無約束關(guān)系、二者相切等；圖2(d)表示幾何元素1和幾何元素2結(jié)構(gòu)之間為無連接、二者不等高、二者相互平行、二者無過渡關(guān)系。

圖2 加工特征幾何元素之間拓撲關(guān)系Fig.2 Topological relationship of geometric elements of machining feature

1.2 基于分層結(jié)構(gòu)的加工特征幾何信息表達方法

為了便于加工特征識別，本文基于全息屬性面邊圖表達加工特征的幾何信息，并采用分層結(jié)構(gòu)的方法解決加工特征定義的柔性問題。根據(jù)上文對加工特征幾何信息的定義，建立加工特征的全息屬性面邊圖，即幾何元素的信息及幾何元素之間的鄰接關(guān)系。在加工特征定義時，為每個加工特征定義一個種子面，并標(biāo)識，然后以種子面為全息屬性面邊圖的第一層，逐層擴展，定義每一層與上一層和下一層之間的鄰接關(guān)系，定義同一層面與面之間的鄰接關(guān)系。分層定義加工特征的幾何信息之所以能夠解決加工特征的柔性定義問題，其關(guān)鍵在于，加工特征是按照幾何結(jié)構(gòu)逐層加工的。以槽特征為例，其加工分為內(nèi)型加工和腹板加工，而內(nèi)型的加工主要跟側(cè)壁有關(guān)，腹板的加工主要跟腹板面有關(guān)，而側(cè)壁和腹板分別是槽特征的兩個層，并且跟每個層的面?zhèn)€數(shù)關(guān)系不大，主要跟鄰接關(guān)系相關(guān)；同時本文以全息屬性面邊圖描述加工特征的幾何信息，一方面能夠滿足分層定義加工特征的需求，另一方面能夠表達加工特征幾何元素之間復(fù)雜的鄰接關(guān)系。

用戶依據(jù)零件的數(shù)模定義加工特征的幾何元素，以定義的幾何元素和當(dāng)前零件三維實體數(shù)模環(huán)境為基礎(chǔ)，自動計算各幾何元素的屬性及幾何元素之間的拓撲信息，實現(xiàn)用戶自定義加工特征的全息屬性面邊圖的自動構(gòu)建。然后用戶根據(jù)所要定義加工特征的屬性特點，確定構(gòu)成該加工特征的關(guān)鍵幾何元素屬性和拓撲連接關(guān)系，如圖3所示，圖中fi表示加工特征的第i個面。

圖3 加工特征及其全息屬性面邊圖Fig.3 Machining feature and its holistic attribute adjacency graph

加工特征的幾何元素建立后，為了保證加工特征的定義具有一定的適用性，并不能直接將當(dāng)前選擇幾何元素的所有信息用來構(gòu)建加工特征幾何信息，這樣會使定義的加工特征幾何元素屬性及其拓撲關(guān)系過于嚴苛。因此，用戶需要根據(jù)零件特點選擇性定義表達加工特征的幾何屬性，同時需要根據(jù)工藝要求對幾何元素的屬性和鄰接關(guān)系進行修改。對于全息屬性面邊圖的每一層，并不限定其幾何元素的數(shù)量，僅定義幾何元素之間及其與上下層之間的鄰接關(guān)系，保證了幾何信息定義的柔性。

與傳統(tǒng)定義方法嚴格限制加工特征的幾何形狀相比，本文的加工特征幾何信息定義方法找到了描述同一種加工特征幾何形狀的本質(zhì)屬性，因此具有更強的適應(yīng)性。

為方便用戶對所定義加工特征的幾何信息進行修改和存儲。本文采用XML語言[21]的節(jié)點結(jié)構(gòu)描述用戶自定義加工特征完整的幾何信息。將一個用戶自定義加工特征幾何信息表達為XML文檔描述的節(jié)點樹，實現(xiàn)加工特征幾何信息的規(guī)范化表示。

2 加工特征工藝信息用戶自定義

加工工藝知識重用是基于加工特征進行自動數(shù)控編程的核心。加工特征的工藝包括加工方法、加工操作、刀具、切削參數(shù)等信息。在定義加工工藝的基礎(chǔ)上建立工藝信息與幾何信息之間的關(guān)聯(lián)對于基于加工特征的自動數(shù)控編程具有重要作用。本節(jié)在上文定義幾何信息的基礎(chǔ)上，定義加工工藝信息，建立工藝信息與幾何信息之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的規(guī)則，由用戶自定義加工特征的加工工藝，通過對規(guī)則的解析實現(xiàn)加工特征工藝的重用。

2.1 加工特征工藝信息與幾何信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系的建立

加工工藝用戶自定義是允許用戶根據(jù)企業(yè)自身的加工資源、特征的幾何形狀和企業(yè)的編程習(xí)慣，使用產(chǎn)生式規(guī)則的形式定義當(dāng)前加工特征的加工工藝方案。如何實現(xiàn)在用戶自定義環(huán)境下加工特征工藝信息與幾何信息之間的關(guān)聯(lián)是本文的一個難點，因為幾何元素的很多屬性需要通過計算獲得，難以直接通過語義描述。針對以上問題，本文定義了幾何屬性信息獲取的函數(shù)關(guān)鍵字和加工工藝關(guān)鍵字，制定用戶自定義工藝的規(guī)范，由用戶自定義加工工藝選取規(guī)則。

為了保證加工工藝規(guī)則定義的規(guī)范化和統(tǒng)一性，本文定義了和加工工藝相關(guān)的關(guān)鍵字(Keyword)，它們是加工工藝規(guī)則中預(yù)先定義的字符編碼，具有特殊的含義和用法，編寫加工工藝規(guī)則的工藝人員必須使用關(guān)鍵字來定義工藝方案中參數(shù)及方法的名稱。如加工操作的類型，Roughing表示粗加工加工操作，Pocketing表示槽腔銑加工操作。

在函數(shù)庫中定義函數(shù)的解析方法，比如定義函數(shù)Dis(a,b)為兩個幾何元素的距離，Area(a)為一個面的面積，Position(a,b)表示兩個幾何元素之間的位置關(guān)系。因為在加工特征幾何信息定義階段已經(jīng)定義了每個幾何元素的屬性及其在加工特征中所處的幾何層次，使用函數(shù)定義加工工藝規(guī)則的明確性得到了保證。

加工工藝規(guī)則以“IF…THEN…”語言描述加工工藝信息的選取規(guī)則，它能夠使用關(guān)鍵的參數(shù)和幾何信息作為約束條件，以當(dāng)前加工特征加工操作及其參數(shù)作為執(zhí)行結(jié)論，實現(xiàn)加工工步中加工刀具、進退刀信息、進給參數(shù)、切削參數(shù)等加工信息的自動選擇。加工工藝規(guī)則的約束條件可以通過“AND”和“OR”實現(xiàn)復(fù)合約束規(guī)則的“與”、“或”關(guān)系的表達。

以上描述方法不僅能夠使計算機解析工藝人員所要表達的加工工藝，而且也方便工藝人員對自定義加工特征的加工工藝，從而便于企業(yè)加工工藝知識的積累和重用。與已有商品化CAM軟件僅能定義簡單加工特征的加工工藝相比，本文方法能夠定義更加復(fù)雜的加工特征，其原因在于給出了幾何元素之間關(guān)系的函數(shù)表達方法，真正實現(xiàn)了加工工藝信息與幾何信息之間的關(guān)聯(lián)。

以下以加工操作驅(qū)動幾何信息的自定義來說明用戶自定義加工工藝的方法。

以復(fù)雜結(jié)構(gòu)件常用的一個加工操作Pocketing為例，驅(qū)動幾何參數(shù)主要定義驅(qū)動幾何的幾何元素選取規(guī)則及其偏置信息，主要包括驅(qū)動幾何的選取，底面、頂面、輪廓的偏置量等信息，其主要問題是通過用戶自定義各驅(qū)動幾何元素后，系統(tǒng)能夠在編程過程中自動提取同一類加工特征的驅(qū)動幾何。Pocketing加工操作所對應(yīng)的主要驅(qū)動幾何信息定義如下：

#Define Drive Geometry Information

DriveGeoType

= SeedFace.OutLoopEdge

OffsetOnBottom = 0

OffsetOnTop = 3

OffsetOnContour = 0

#Define Drive Geometry Information End

其中：DriveGeoType表示驅(qū)動幾何的選取方式；Seedface.OutLoopEdge代表這里使用所定義的加工特征種子面的外環(huán)邊；OffsetOnBottom代表刀軌層和底面驅(qū)動之間的偏置；OffsetOnTop代表刀軌層和頂面驅(qū)動之間的偏置；OffsetOnContour表示刀軌和輪廓驅(qū)動線之間的偏置?；谝陨隙x，在自動數(shù)控編程過程中，系統(tǒng)能夠自動提取加工特征種子面的外環(huán)邊作為驅(qū)動幾何。

2.2 用戶自定義加工工藝信息解析

本文基于XML文件在后臺表達用戶自定義的加工工藝規(guī)則。XML語言使用節(jié)點元素和節(jié)點屬性表達用戶自定義加工特征的加工工藝信息數(shù)據(jù)，各元素和節(jié)點之間的父子層級關(guān)系表示加工工藝數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，使用2.1節(jié)的關(guān)鍵字作為標(biāo)簽及其對應(yīng)的參數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的區(qū)別。

加工特征的工藝信息及其與幾何信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系以XML語言的形式表達，而用戶在交互界面中定義的加工工藝規(guī)則需要通過一種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口實現(xiàn)。用戶交互界面下的定義和數(shù)據(jù)庫中的XML文本之間通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口實現(xiàn)對接，通過這種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，可以將工藝人員在交互操作界面下定義的加工工藝規(guī)則信息轉(zhuǎn)換為存儲在XML文件中的加工工藝信息，也可以將XML文件中的加工工藝信息轉(zhuǎn)換為交互界面中的信息。圖4表示用戶自定義加工工藝信息解析過程。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口表示兩個不同加工工藝表達模型之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的函數(shù)庫，該轉(zhuǎn)換接口不僅可以實現(xiàn)從語義數(shù)據(jù)表達轉(zhuǎn)為XML語言表達，也可以實現(xiàn)反向轉(zhuǎn)譯。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口就是使用DOM (Document Object Model)函數(shù)庫，通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換算法，實現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

圖4 用戶自定義加工工藝信息解析圖 Fig.4 Diagram of user defined machining process information interpretation

3 實例分析

圖5 系統(tǒng)實現(xiàn)Fig.5 System implementation

根據(jù)以上研究，基于CATIATTV5開發(fā)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工特征自定義及自動數(shù)控編程系統(tǒng)。其中加工特征定義模塊主要分為加工特征幾何定義和加工特征工藝定義兩個部分，如圖5所示。以飛機結(jié)構(gòu)件典型多層槽特征為例，在CAD/CAM軟件環(huán)境下，以分層結(jié)構(gòu)的方式首先選擇槽特征的種子面，即腹板面，并對種子面的屬性進行定義，包括面的類型為平面、凹邊界占一半以上、法向與Z向平行。然后逐級選擇加工特征的各層面，定義加工特征各層面的屬性信息及不同層面之間的鄰接關(guān)系，進而由系統(tǒng)自動構(gòu)建全息屬性面邊圖，作為特征識別的依據(jù)。加工特征的幾何信息以XML文件的形式輸出，實現(xiàn)加工特征的幾何定義。在特征識別過程中，以用戶定義的加工特征全息屬性面邊圖為依據(jù)，根據(jù)圖節(jié)點的面屬性、圖的拓撲結(jié)構(gòu)、圖節(jié)點之間的鄰接關(guān)系，以圖匹配的方法識別加工特征。通過輸入工藝方案和各工步的加工操作，定義加工特征加工方法、加工操作、刀具、切削參數(shù)等信息的定義，并建立其與幾何信息之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。圖中槽特征加工方法定義為：先用Roughing操作進行粗加工、余量3 mm，進而采用Pocketing 操作銑第一層腹板面和上面兩層腹板面，然后用Profile操作分別銑內(nèi)型和轉(zhuǎn)角。對于加工操作，以內(nèi)型為例，定義加工操作的下刀點，以內(nèi)型面長度最長且與其余內(nèi)型面最小間距最大的點最為下刀點。對于加工刀具的選擇，定義選擇規(guī)則，以內(nèi)型面之間的最小間距來確定刀具的尺寸。將上述信息以本文描述的方法進行定義和表達，用XML文件的形式輸出，實現(xiàn)加工特征的工藝定義，為加工特征的自動工藝決策奠定了基礎(chǔ)。

在工藝決策過程中，系統(tǒng)首先根據(jù)加工特征的類型選擇基本的加工方法和加工操作，然后根據(jù)工藝規(guī)則，按照加工特征的幾何信息及工藝規(guī)則自動決策具體的工藝信息，如刀具的大小、加工操作的進退刀形式等。如圖6所示，根據(jù)加工特征用戶自定義，一個飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工特征A的特征識別及刀軌生成結(jié)果。

對于圖6中的加工特征A，如果采用傳統(tǒng)的加工特征定義方法，若數(shù)控編程系統(tǒng)中未定義該加工特征，則需要開發(fā)人員重新修改軟件系統(tǒng)的代碼，否則無法對該加工特征進行識別。對于圖6 中的加工特征B，在拓撲結(jié)構(gòu)上與加工特征A具有一定的差別，若按照傳統(tǒng)加工方法或者商品化系統(tǒng)中加工特征的定義方法，這兩個特征會被定義為兩種加工特征。而采用本文的方法，由于加工特征的定義具有一定的柔性，這兩個加工特征仍然被定義為同一種加工特征，具有相同的加工工藝，大大提高了加工特征定義的適用性。

圖6 應(yīng)用實例Fig.6 Case study

根據(jù)本文提出的方法開發(fā)了飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工特征用戶自定義及自動編程系統(tǒng)，已成功應(yīng)用于國內(nèi)某大型航空制造企業(yè)的飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控編程。在實際應(yīng)用過程中，由最具有經(jīng)驗的工藝人員根據(jù)企業(yè)飛機結(jié)構(gòu)件的特點、制造資源情況和整體工藝水平定義加工特征的幾何及其工藝，建立典型加工特征庫。當(dāng)企業(yè)的零件結(jié)構(gòu)、制造資源和工藝發(fā)生變化時，不需要修改軟件系統(tǒng)，只需工藝人員修改加工特征庫即可使系統(tǒng)適應(yīng)新的變化，大大提高了系統(tǒng)的通用性，降低了系統(tǒng)的維護成本。

為了進一步體現(xiàn)本文方法的優(yōu)勢，本文與具有自定義加工特征的商品化CAM軟件Siemens NX最新版本進行對比，對比方法如下：首先分別針對圖6中零件的槽特征進行用戶自定義，然后分別對圖7中的飛機結(jié)構(gòu)件進行槽特征識別，對比加工特征的識別率。結(jié)果表明，利用Siemens NX的加工特征識別方法，僅能正確識別43%的槽特征，如圖8所示，而本文方法的槽特征識別正確率為100%。分析其原因可知，Siemens NX采取的方法為幾何參數(shù)化方法，特征的幾何形狀是固定的，對加工特征形狀變化不具有適應(yīng)性；而本文采用具有一定柔性的全息屬性面邊圖加工特征定義方法，能夠適應(yīng)幾何形狀的變化，所以具有很高的加工特征識別率。經(jīng)過多項飛機結(jié)構(gòu)件測試，本文提出的方法特征識別正確率平均達到97%。

圖7 飛機結(jié)構(gòu)件Fig.7 Aircraft structural part

圖8 Siemens NX 特征加工Fig.8 Siemens NX feature machining

4 結(jié) 論

1) 提出的加工特征自定義方法對能夠適應(yīng)不同企業(yè)制造資源、零件結(jié)構(gòu)和工藝人員的編程習(xí)慣等因素，對幾何信息的定義具有一定的柔性，能夠適應(yīng)同一類特征幾何形狀的變化。

2) 加工特征發(fā)生變化時只需由用戶重新定義加工特征，無需對軟件系統(tǒng)進行再開發(fā)。

3) 根據(jù)本文提出的方法開發(fā)了飛機復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工特征用戶自定義及自動編程系統(tǒng)，已成功應(yīng)用于國內(nèi)某大型航空制造企業(yè)的飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)控編程。經(jīng)過多項飛機結(jié)構(gòu)件測試，本文提出的方法特征識別正確率平均達到97%。

[1] 王家斌, 王炫潤, 李劭晨, 等. 含孤島型腔銑削加工的螺旋刀軌生成算法[J]. 航空學(xué)報, 2016, 37(5): 1689-1695.

WANG J B, WANG X R, LI S C, et al. Spiral tool path generation algorithm for milling pocket with island[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(5): 1689-1695 (in Chinese).

[2] 韓飛燕, 張定華, 張瑩, 等. 基于虛擬控制面約束的機匣類零件工序模型建立方法[J]. 航空學(xué)報, 2015, 36(10): 3465-3474.

HAN F Y, ZHANG D H, ZHANG Y, et al. A method of generate intermediate process models for casing parts based on virtual control surface constraints[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2015, 36(10): 3465-3474 (in Chinese).

[3] 高鑫, 李迎光, 劉長青, 等. 基于CAM/CNC集成的航空大型薄壁件數(shù)控加工在機刀軌調(diào)整方法[J]. 航空學(xué)報, 2015, 36(12): 3980-3990.

GAO X, LI Y G, LIU C Q, et al. An adjusting method of tool path on machine for NC manufacture of large thin-walled aeronautical part based on integration of CAM and CNC[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2015, 36(12): 3980-3990 (in Chinese).

[4] 韓雄, 湯立民. 大型航空結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工裝備與先進加工技術(shù)[J]. 航空制造技術(shù), 2009(1): 44-47.

HAN X, TANG L M. NC machining equipment and advanced machining technology for large aircraft component[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2009(1): 44-47 (in Chinese).

[5] LIU C, LI Y, GAO X. Feature-based adaptive numerical control programming method for the environment of changing manufacturing resources[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B: Journal of Engineering Manufacture, 2015, 13(5): 237-247.

[6] 張振明, 許建新, 賈曉亮, 等. 現(xiàn)代CAPP技術(shù)與應(yīng)用[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2003: 23-24.

ZHANG Z M, XU J X, JIA X L, et al. Modern CAPP technology and application [M]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University Press, 2003: 23-24 (in Chinese).

[7] 呂俊林, 江平宇. 智能三維CAPP的發(fā)展方向及核心技術(shù)[J]. CAD/CAM與制造業(yè)信息化, 2009(11): 93-95.

LU J L, JIANG P Y. The development direction of intelligent 3 d CAPP and its core technology [J]. CAD/CAM and Manufacturing Informatization, 2009(11): 93-95 (in Chinese).

[8] SHAH J J, MANTYLA M. Parametric and feature-based CAD/CAM: concepts, techniques, and applications[M]. New York: Wiley-Interscience Publication, 1995: 9-15

[9] International Standardization Organization. ISO 10303 STEP AP224 Industrial automatic systems and integration-product data representation and exchange-application protocol: mechanical product definition for process planning using machining features[S].

[10] SRIDHARAN N, SHAH J J. Recognition of multi-axis milling features: Part I—topological and geometric characteristics[J]. Journal of Computing & Information Science in Engineering, 2004, 4(1): 242-250.

[11] TSENG Y J, JOSHI S B. Recognition of interacting rotational and prismatic machining features from 3-D mill-turn parts[J]. International Journal of Production Research, 1998, 36(11): 3147-3165.

[12] BORKAR B R, PURI Y M. Automatic extraction of machining features from prismatic parts using step for downstream applications[J]. Journal of the Institution of Engineers, 2015, 96(3): 231-243.

[13] EUM K, KANG M, KIM G, et al. Ontology-based modeling of process selection knowledge for machining feature[J]. International Journal of Precision Engineering & Manufacturing, 2013, 14(10): 1719-1726.

[14] LIU J, MA Y S. 3D level-set topology optimization: A machining feature-based approach[J]. Structural & Multidisciplinary Optimization, 2015, 52(3): 563-582.

[15] LIU J, LIU X, CHENG Y, et al. An approach to mapping machining feature to manufacturing feature volume based on geometric reasoning for process planning[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 2015 (in press).

[16] GIVEHCHI M, HAGHIGHI A, WANG L. Generic machining process sequencing through a revised enriched machining feature concept[J]. Journal of Manufacturing Systems, 2015, 37: 564-575.

[17] HUANG R, ZHANG S, BAI X, et al. An effective NC machining process reuse approach by merging feature similarity assessment and data mining for CAM models[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 2015, 229(7): 1229-1242.

[18] YAN X, YAMAZAKI K. Recognition of machining features and feature topologies from NC programs[J]. Computer Aided Design, 2000, 32(10): 605-616.

[19] 張輝, 張健, 張勝文, 等. 自定義加工特征的船用柴油機箱體件CAD/CAM/CAPP集成系統(tǒng)[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2014, 20(9): 2086-2092.

ZHANG H, ZHANG J, ZHANG S W, et al. CAD/CAPP/CAM integration system for box parts of marine diesel engine based on user defined machining feature[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2014, 20(9): 2086-2092 (in Chinese).

[20] 劉雪梅, 周易, 黃劍鋒. 基于制造資源的復(fù)雜箱體零件加工特征識別方法[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2015, 21(12): 3166-3173.

LIU X M, ZHOU Y, HUANG J F. Machining feature recognition method for complicated boxy parts based on manufacturing resources[J]. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2015, 21(12): 3166-3173 (in Chinese).

[21] 茍凌怡, 熊光楞, 謝金崇, 等. 基于XML的產(chǎn)品信息集成關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報, 2004, 14(2): 105-110.

GOU L Y, XIONG G L, XIE J C, et al. Research on the key technology in the integration of product information based on XML[J]. Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics, 2004, 14(2): 105-110 (in Chinese).

(責(zé)任編輯： 李世秋)

A user defined method for machining features in NC programming of complex structural parts

LIUChangqing,LIYingguang*,WANGPengcheng,HAOXiaozhong

CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China

Machining feature is an effective way for machining process knowledge accumulation and reuse of complex structural parts of aircraft. Machining features of the same type are not completely identical, and are just alike in geometric shape and machining process. How to adapt to different enterprise resources, process levels, and types of structural parts in defining machining features is a difficult issue for automatic numerical control (NC) programming based on machining features. To address the issue, this paper proposes a user defined method for machining features in NC programming of complex structural parts. The geometric information is expressed by holistic attribute adjacency graph, and a flexible geometric information definition method is presented. The process information of machining features and its association with geometric information are established based on semantics and rules. The machining features are defined by users according to the factors of enterprise manufacturing resources, structure of parts, and programming preference of process engineers. A machining feature definition by users and automatic NC programming system of complex structural parts of aircraft are developed based on the proposed method, which has been successfully applied to NC programming of aircraft structural parts in a large-scale aviation manufacturing enterprise. Testing of many structural parts shows that accuracy of feature recognition can averagely be up to 97%.

complex structural parts of aircraft; numerical control (NC) programming; machining features; user definition; process

2016-08-30；Revised2016-11-03；Accepted2016-12-26；Publishedonline2017-01-131643

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170113.1643.002.html

s：NationalNaturalScienceFoundationofChinaProjects-MajorProjectJointlyFundedwithChinaAerospaceScienceandTechnologyCorporation(U1537209);JiangsuProvinceOutstandingYouthFund(BK20140036)

2016-08-30；退修日期2016-11-03；錄用日期2016-12-26； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間：2017-01-131643

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20170113.1643.002.html

國家自然科學(xué)基金航天先進制造技術(shù)研究聯(lián)合基金重點項目 (U1537209)； 江蘇省杰出青年基金 (BK20140036)

*

.E-mailliyingguang@nuaa.edu.cn

劉長青, 李迎光, 王鵬程, 等. 復(fù)雜結(jié)構(gòu)件數(shù)控編程加工特征用戶自定義方法J. 航空學(xué)報，2017,38(6):420735.LIUCQ,LIYG,WANGPC,etal.AuserdefinedmethodformachiningfeaturesinNCprogrammingofcomplexstructuralpartsJ.ActaAeronauticaetAstronauticalSinica,2017,38(6):420735.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.420735

V262.3+3； TG506

A

1000-6893(2017)06-420735-10

*Correspondingauthor.E-mailliyingguang@nuaa.edu.cn