整體殼段典型特征高效模塊化編程技術(shù)

張海洋，劉 爭，路騏安，張東東，杜澤宇

（首都航天機(jī)械有限公司，北京100076）

0 引言

整體殼段是航天產(chǎn)品核心零部件，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度高、材料去除率大、工藝過程復(fù)雜、加工周期長等特點(diǎn)。在殼段數(shù)控加工過程中，數(shù)控編程采用CAM軟件人機(jī)交互的方式實(shí)現(xiàn)。由于殼段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，編程過程中需要編程人員添加大量輔助面、輔助線和設(shè)定大量參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，重復(fù)工作量大、效率低。同時，編程質(zhì)量依賴于編程人員的經(jīng)驗(yàn)水平，編程質(zhì)量一致性差。近年來，隨著航天產(chǎn)品任務(wù)需求增多、研制周期縮短，對工藝反應(yīng)速度、工藝設(shè)計(jì)周期、工藝設(shè)計(jì)可靠性提出了越來越高的要求。為滿足目前型號研制高效、高可靠性要求，急需研究出一整套有效的指導(dǎo)方法，提高工藝人員的編程效率和編程質(zhì)量，以增強(qiáng)航天典型產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)效率及可靠性。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以加工特征為驅(qū)動的編程技術(shù)成為了當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。加工特征是指與零件加工過程相關(guān)的加工信息集合，能夠支持加工工藝的規(guī)劃和加工軌跡的生成［1］。近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對特征編程中的關(guān)鍵技術(shù)開展了大量研究，Li等［2］采用滾動球技術(shù)開展了特征識別和簡化技術(shù)的研究，范牧昌［3］提出了一種基于銑削特征的CAPP系統(tǒng)，浙江大學(xué)的黃國祥［4］在UG平臺上研究了基于加工特征的NC代碼自動生成技術(shù)。

本文針對整體殼段數(shù)控加工過程中編程難度大、重復(fù)工作量大、效率低及編程質(zhì)量與編程人員能力水平密切相關(guān)等問題，通過總結(jié)歸納已有成功經(jīng)驗(yàn)，基于整體殼段產(chǎn)品化典型特征分類技術(shù)，深入研究了整體殼段典型特征多軸數(shù)控加工模塊化編程技術(shù)，在成熟商用CAM軟件上開發(fā)了整體殼段典型特征的多軸數(shù)控加工編程模塊，滿足了型號研制與批產(chǎn)工藝快速響應(yīng)的需求，降低了企業(yè)運(yùn)行成本，使生產(chǎn)過程更加穩(wěn)定高效。

1 典型特征編程技術(shù)

基于特征的復(fù)雜工件數(shù)控加工就是以工件的加工特征為驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)加工工藝、數(shù)控代碼的自動生成，并保證加工的高效性和正確性［5］。典型特征編程技術(shù)主要涉及典型特征自動識別技術(shù)、基于特征的數(shù)控代碼生成技術(shù)和編程模塊開發(fā)技術(shù)。

1.1 典型特征自動識別技術(shù)

所謂特征識別就是從產(chǎn)品的實(shí)體模型出發(fā)，自動地識別出其中具有一定工程意義的幾何形狀——即特征，進(jìn)而生成產(chǎn)品的特征模型［6-7］。

加工特征的識別是從滿足復(fù)雜工件數(shù)控加工工藝規(guī)劃和數(shù)控代碼生成的要求出發(fā)，建立加工特征的識別信息，實(shí)現(xiàn)對特征的自動識別，再根據(jù)預(yù)先設(shè)定的加工工藝信息實(shí)現(xiàn)對加工特征模型的數(shù)控編程［8-9］，典型特征識別過程如圖1所示。

1.2 基于特征的數(shù)控代碼生成技術(shù)

圖1 加工特征識別示意圖Fig.1 Diagram of machining feature recognition

傳統(tǒng)數(shù)控編程基本采用CAM軟件人機(jī)交互的方式實(shí)現(xiàn)，刀具路徑通過加工模型中點(diǎn)、線、面等幾何信息作為驅(qū)動，操作過程復(fù)雜，效率低下。基于特征的數(shù)控代碼生成技術(shù)是將可自動識別的特征作為刀具軌跡生成的驅(qū)動信息生成數(shù)控程序，刀具路徑生成過程中的輔助線、輔助面等幾何信息通過CAM軟件后臺自動完成，可大大減少編程人員的工作量，提高工作效率。

基于特征的數(shù)控加工程序一般生成過程如圖2所示。

圖2 代碼生成示意圖Fig.2 Diagram of code generating

具體步驟如下：

1）根據(jù)加工特征的結(jié)構(gòu)信息，確定合理的加工設(shè)備、刀具、工裝等；

2）根據(jù)特征加工工藝方案，確定合理的刀具路徑和切削參數(shù)；

3）根據(jù)機(jī)床的類型和數(shù)控系統(tǒng)，生成相應(yīng)的數(shù)控程序代碼；

4）通過數(shù)控加工仿真系統(tǒng)對數(shù)控程序代碼進(jìn)行模擬仿真，保證數(shù)控程序的正確性。

1.3 編程模塊開發(fā)技術(shù)

UG NX軟件廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、航空航天、汽車等領(lǐng)域，具有裝配設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、二維工程圖制作、結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動仿真和數(shù)控加工等功能，其加工模塊提供了強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助制造功能。UG NX軟件實(shí)現(xiàn)加工經(jīng)驗(yàn)傳承的方法主要有：編程模板、 編程導(dǎo)航器、 MKE和UG／OPEN四種［10］。

在UG／OPEN方式中，UG NX提供一個自定義用戶界面功能Open User Interface Styler，并支持主流編程語言編譯， 如 C、 C＋＋、 C＃等［11］。 通過UG／OPEN可以實(shí)現(xiàn)幾乎所有UG NX現(xiàn)有功能的擴(kuò)展，具有很大的靈活程度，其主要應(yīng)用工具如圖3所示。本文基于UG NX平臺，采用C＋＋語言開展編程模塊的開發(fā)。

圖3 UG／OPEN工具包Fig.3 Toolkits of UG／OPEN

2 整體殼段典型特征編程模塊的開發(fā)

2.1 研究對象

按結(jié)構(gòu)相似性原則對現(xiàn)有殼體特征進(jìn)行分析，殼體銑加工特征基本包括網(wǎng)格、環(huán)槽、窗口等，本文針對環(huán)槽特征開展研究，特征結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 環(huán)槽特征示意圖Fig.4 Diagram of ring groove feature

2.2 典型特征自動編程算法

典型特征自動編程包括了特征自動識別和程序自動生成兩部分。其中，特征自動識別是根據(jù)環(huán)槽特征幾何拓?fù)浣M成關(guān)系確定殼體中該特征的識別方法。環(huán)槽特征的特點(diǎn)是外形面為柱面或錐面且為殼段最大曲面，內(nèi)側(cè)面是與外形面等厚的封閉面。因此，根據(jù)特征的幾何特點(diǎn)確定的識別流程如圖5所示。

圖5 環(huán)槽特征識別流程圖Fig.5 Flowchart of ring groove feature recognition

具體步驟如下：

1）計(jì)算殼段模型曲面，識別殼段模型表面所有的二維面Fi（i＝1，2，…，n）；

2）確定殼段外形面，計(jì)算殼體各個面Fi的面積Ai（i＝1，2，…，n），計(jì)算并確定對應(yīng)的最大面FMax；

3）計(jì)算最大面FMax的回轉(zhuǎn)軸線LMax；

4）分別計(jì)算并判斷殼體各個面Fi的回轉(zhuǎn)軸線Li（i＝1，2，…，n）是否與LMax平行，如果Li與LMax平行則判斷曲面Fi是否為封閉面，如封閉則該曲面Fi為殼段環(huán)槽特征曲面。

程序自動生成部分包括程序所需的輔助線、輔助面的自動生成和進(jìn)退刀、切削參數(shù)的自動給定，主要包括曲面中心點(diǎn)、刀具軌跡驅(qū)動曲線的計(jì)算，包括的步驟如下：

1）計(jì)算曲面Fi的幾何中心點(diǎn)Pi；

2）計(jì)算曲面Fi的幾何中心點(diǎn)Pi的內(nèi)法向量Vi；

3）計(jì)算網(wǎng)格面Fi頂部曲線；

4）根據(jù)刀具參數(shù)計(jì)算網(wǎng)格頂部曲線偏置線，ETji（i＝1，2，…，m，j＝1，2，…，n），ETji作為數(shù)控加工程序生產(chǎn)的驅(qū)動曲線。

2.3 典型特征模塊開發(fā)

UG NX軟件中的UG／Open與傳統(tǒng)應(yīng)用程序接口不同，它開發(fā)了資源的外部訪問、調(diào)用，提供了資源混搭機(jī)會，也保護(hù)了資源提供者，僅提供接口用于有限數(shù)量和頻率的獲取。本文研究的特征加工編程模塊的開發(fā)是在Windows 7 64位環(huán)境下采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言C＋＋，并使用了西門子UG NX提供的UG／Open開發(fā)工具包來實(shí)現(xiàn)，本次模塊開發(fā)的架構(gòu)圖如圖6所示。其中，數(shù)據(jù)層包括了特征模板、工序模板、特征庫等信息，通過特征識別、自動創(chuàng)建輔助幾何、自動生產(chǎn)軌跡等功能的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了典型特征的自動編程。

圖6 系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.6 Diagram of system architecture

該模塊采用人機(jī)交互式界面，分別針對不同的機(jī)床、加工坐標(biāo)系、特征檢索方式進(jìn)行了設(shè)置，如圖7所示。選取識別特征，對加工參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，即可自動生成加工程序。其中，輔助面、線及刀具路徑方式和進(jìn)退刀設(shè)置等均由模塊自動完成，操作過程中僅需選擇需程序生成區(qū)域和加工刀具，選擇過程如圖8所示。參數(shù)選擇完成后，模塊自動運(yùn)算并生成刀具路徑，模塊自動生產(chǎn)的刀具路徑如圖9所示。

圖7 特征機(jī)床、檢索方式選擇菜單Fig.7 Selection menu of machine and search method

圖8 模塊操作流程Fig.8 Flow of module operation

圖9 刀具路徑示意圖Fig.9 Diagram of tool path

采用模塊化編程技術(shù)后，人員的編程效率得到了很大的提升。以某產(chǎn)品環(huán)槽特征為例，采用傳統(tǒng)編程方式，經(jīng)驗(yàn)豐富的編程人員大概需要2.5h才能完成程序編制；采用編程模塊后，僅需2min便可以完成，效率提升了98.7%，極大地降低了編程人員的工作強(qiáng)度。

3 結(jié)論

隨著航天產(chǎn)品任務(wù)需求增多、研制周期縮短，對工藝反應(yīng)速度、工藝設(shè)計(jì)周期、工藝設(shè)計(jì)可靠性提出了越來越高的要求，基于CAM軟件以典型加工特征為驅(qū)動的模塊化編程技術(shù)是解決這一問題的有效途徑。因此，本文通過對航天殼段典型特征模塊化編程技術(shù)的研究，基于UG NX軟件平臺實(shí)現(xiàn)了環(huán)槽特征的快速編程，環(huán)槽特征編程時間由2.5h縮短至2min，效率提升了98.7%，極大地降低了工藝人員的編程操作量，提高了工藝設(shè)計(jì)效率，為滿足產(chǎn)品任務(wù)需求提供了有效保障。