基于特征編碼的數(shù)控自動編程研究

摘要：隨著三維造型軟件和數(shù)控機床廣泛應用，針對CAM系統(tǒng)編程效率和自動化程度低，研究基于特征造型技術的加工特征識別和提取，并對提取的加工特征進行柔性編碼，以柔性編碼為基礎快速自動生產NC代碼，建立面向產品的基于三維CAD軟件的 零件編碼系統(tǒng)，并與CAM之間實現(xiàn)信息集成，提高數(shù)控編程效率和企業(yè)信息化程度。

關鍵詞：CAD/CAM；加工特征；NC編程

中圖分類號：TP308 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）26-0083-02

1 特征造型技術

特征造型是近二十多年來發(fā)展起來的一種新的造型方法，它是CAD第三次技術（參數(shù)化技術）革命的里程碑。特征造型技術的發(fā)展可以分為三個階段，第一階段：以點和線表示實體的二維造型方法。第二階段：傳統(tǒng)三維幾何造型方法，即以線框造型、曲面造型、實體造型等幾何元素來表達實體。這種描述方法沒有明顯的結構、功能及工程含義，計算機很難識別和統(tǒng)一管理。第三階段：將特征作為基礎的三維造型方法，這種方法將大量工程信息包含到設計過程中，較好地改善了前兩階段的局限性。特征造型技術目前廣泛地用于計算機輔助設計系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)三維幾何造型相比，特征造型具有以下三方面的特點

{1}以特征造型為基礎的零件模型易于理解和修改。在基于特征造型技術的建模過程中計算機輔助設計系統(tǒng)會自動生成模型樹，可以將建模過程直觀的反映出來。

{2}基于特征造型技術的計算機輔助設計系統(tǒng)是交互式的設計系統(tǒng)，能夠讓設計人員充分發(fā)揮設計的創(chuàng)造性，可以提高設計效率.

{3}特征造型的操作目標不是初期的線條和體素，而是層次較高的功能要素，如定位孔、螺紋孔、鍵槽等，零件的幾何結構通過特征組合來定義。

2 特征識別和提取

在產品數(shù)字化設計與制造中，零件的特征識別是一項非常關鍵的技術。目前已開發(fā)出了各種CAD/CAM軟件，如UG、SolidWorks、Pro/E、Catia等，這些軟件都是以特征造型為基礎，而特征造型為產品的數(shù)字化設計與制造過程中的特征識別創(chuàng)造了良好的條件。特征識別可以分為交互特征定義和自動特征識別兩類。

2.1 交互特征定義

交互特征定義是在計算機顯示器屏幕上對顯示的零件三維實體模型操作，在操作界面的引導下，設計人員在模型上選取構成特征的一些幾何實體（如幾個平面），CAD/CAM軟件系統(tǒng)就可將這些幾何實體組織起來，定義為某個特征，例如選取三個相鄰的正交平面，CAD/CAM軟件系統(tǒng)就可以將其定義為槽。初步定義的特征還缺少表面粗糙度、公差等技術要求這些非幾何信息，必須補充上去，這樣才能完成特征建模。交互特征定義由設計人員直接對實體模型進行操作，比較直觀，具有較大的靈活性，但操作繁瑣，效率低。所以通常是在應用自動特征識別方法不能完全識別特征的情況下作為一種補充處理手段來使用。

2.2 特征自動識別

特征自動識別是通過計算機智能技術來取代交互特征定義中設計人員的干預。零件實體模型中的所有特征信息都具有特定的工程意義和加工工藝，特征自動識別技術可以將所有的特征信息自動提取出來。特征自動識別原理是通過特征識別器實現(xiàn)。特征識別器是在軟件程序中設計特定的算法，該算法實際上先將零件幾何模型中的所有數(shù)據遍歷，然后將幾何模型與一組預先定義的特征進行比較，預先定義的這組特征包含了特征造型中涉及到的所有特征，通過比較，最后就可以找到與預先定義的特征組中相匹配的模型特征，實現(xiàn)特征自動識別。

基于特征造型的CAD/CAM軟件對于主要特征一般分為基準特征、實體特征、曲面特征、修飾特征和集合特征?；鶞侍卣靼ɑ鶞实奈恢门c坐標等信息；實體特征用于實現(xiàn)實體造型；曲面特征用于實現(xiàn)曲面造型；修飾特征不能獨立存在，它只能附加在實體特征上；集合特征包括組和陣列特征。CAM所需要的是零件的加工特征，包括以下幾個方面的內容：零件管理信息、形狀特征信息和精度特征信息。零件管理信息由特征代碼、特征名以及材料信息構成；形狀特征信息描述了零件的幾何形狀；精度特征信息用于描述特征的幾何尺寸與形狀的允許變化范圍。加工特征分為五大類，包括平面、曲面、孔、槽和輔助特征，其中每一大類又可以細分為若干小類。加工特征的描述要用到四類要素：特征代碼、特征名、特征幾何形狀和特征工藝信息。其中特征幾何形狀表示孔的深度、半徑等；特征工藝信息表示零件表面粗糙度、加工精度、材料等。

3 基于特征模型的零件柔性編碼

基于特征模型的零件柔性編碼系統(tǒng)是以數(shù)據模型原理為基礎，與剛性編碼系統(tǒng)相比，其框架結構是不固定的，零件的有效特征信息可以根據不同的零件而采用多層來詳盡地描述。其描述方法為層層深入法，采用這種描述方法可以滿足不同生產條件、不同場合的要求。常用零件柔性編碼系統(tǒng)的結構有三種，即樹式結構、鏈式結構和混合結構。基于特征模型的零件柔性編碼系統(tǒng)是在零件實體模型的基礎上，對模型特征進行識別并提取，然后采用柔性編碼技術對提取出來的零件特征進行編碼，在三種柔性編碼系統(tǒng)結構中這屬于混合結構編碼。

混合結構編碼具有以下特點：

①既有柔性碼位，也有固定碼位。柔性碼位主要為零件的特征信息碼位；固定碼位用來表示零件的功能信息和總體信息，包括零件類型、尺寸、材料、熱處理方法等信息；

第一層：總體特征碼。總體特征碼具有固定的代碼長度，主要用于描述和反映零件的功能和形狀特征，能夠在總體上對零件進行分類，通過總體特征碼可以確定零件族別。

第二層：加工面特征碼。加工面特征碼主要詳細描述除主特征之外的零件工藝特征，這些工藝特征用于描述零件的加工面特征以及主要工藝信息。加工面的形狀用加工面特征碼的第一個碼位表示，如平面、螺旋面、球面、齒面、孔、螺紋、槽、導軌等。在代碼中零件的每一個特征信息用兩個字符表示，零件的所有特征信息表現(xiàn)為一字符串，與傳統(tǒng)編碼系統(tǒng)相比，可以避免各種信息排列方式的限制，同時也克服了高項掩蓋低項的缺點，使代碼的含義清楚，并且可以將不具備這方面特征略去。對于添加的特征，可以用（）加以區(qū)別。零件的典型工藝可以根據加工面特征碼加以確定。

第三層：非加工表面特征碼。這層代碼用于補充描述零件加工面特征，或者補充描述加工面特征之間的位置信息，如平行度、垂直度、傾斜度、同心度。這層代碼的碼位數(shù)不固定，零件加工表面特征之間的相互關系數(shù)量決定碼位字符數(shù)。這層可以根據需要取舍。

4 NC代碼自動生成

數(shù)控自動編程是根據零件當前加工部位的基本特征，按照一定的加工工藝，生成相應的加工指令代碼及轉速、進給速度、刀具指令代碼，依據對加工部位的幾何形狀的描述，生成節(jié)點坐標指令。零件的加工方式和零件柔性編碼中的特征信息決定了基本加工特征。根據零件柔性編碼描述的零件基本幾何信息，數(shù)控程序自動生成模塊能夠進行相關的數(shù)據處理，其處理方法是將外圓、端面或內孔相關參數(shù)的數(shù)據傳遞給刀具程序模塊，例如模型基點與端面之間的相對位置關系，模型基點與厚度之間的相對位置關系，端面外圓的直徑等。

完整的數(shù)控加工程序包含三大部分：數(shù)控加工準備程序段、加工程序段和結束程序段。其中數(shù)控加工準備程序段和結束程序段在數(shù)控加工程序中是必不可少的。準備程序段主要包括設置工件坐標系、設置換刀點、設定轉速單位、設置最大轉速、開啟冷卻液、啟動主軸和設置旋轉方向；加工程序段是根據零件的加工工藝，編寫刀具軌跡，設定切削用量；數(shù)控加工程序結束段主要包括、關閉冷卻液、刀具快速回退到程序起點、取消刀具補償、主軸停轉和程序結束。完整數(shù)控加工程序的準備程序段和結束程序段的格式基本相同，不同之處在于不同加工零件的相應工藝參數(shù)，因此在實際編程中，可以將相同結構的程序段寫在一起。在應用程序時，通過內部調用并結合參數(shù)輸入，就能自動生成所需要的代碼段。

參考文獻：

[1] 張英杰.面向自動數(shù)控編程的零件加工特征建模技術[J].西安交通大學學報，2008，(3).

[2] 黃利江，許建新，田錫天.基于特征模型的零件柔性編碼研究[J].機床與液壓，2007，(11).

[3] 陶建華，楊曉琴.基于工藝特征識別技術的數(shù)控自動編程方法研究[J].計算工程與設計，2011，(10).