基于NXFBM系統(tǒng)的自動化編程技術(shù)應用

畢忠梁 王偉

摘 要：隨著智能制造技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的生命周期持續(xù)縮短，傳統(tǒng)CAM 軟件手動編程模式已經(jīng)難以應對零件設計和尺寸的不斷變化。NX的FBM 系統(tǒng)可以實現(xiàn)基于特征的自動化編程，通過識別產(chǎn)品CAD模型中的特征信息，自動確定最佳的加工工藝，選擇適合的刀具自動產(chǎn)生刀具路徑;還可以隨著CAD模型的變化，智能調(diào)整加工方案，實現(xiàn)數(shù)控編程的自動化和智能化。文章以機械臂零件的數(shù)控加工為例，對FBM 系統(tǒng)原有特征庫進行了擴充，同時對MKE知識庫進行了二次開發(fā)，實現(xiàn)了自動編程加工，最后比較了傳統(tǒng)編程方式和自動化編程方式的差異，展示了自動化編程的優(yōu)越性。

關鍵詞：FBM 系統(tǒng);自動編程;特征加工

中圖分類號： TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-9699（2023）06-0038-05

傳統(tǒng)的制造模式，設計模塊與加工模塊相對獨立。這樣的模式導致產(chǎn)品開發(fā)周期長，效率低且質(zhì)量很難保證。隨著智能制造技術(shù)的高速發(fā)展及數(shù)控技術(shù)的全面應用，傳統(tǒng)的制造模式發(fā)生了根本性變化，提出了全新的基于產(chǎn)品數(shù)字化模型的自動化制造模式[1]。

具體來說，對于數(shù)控編程工程師而言，最常見的問題是對于形狀或特征相似的零件需要重復編程勞動，這會浪費大量的時間。而對于車間的操作人員而言，往往會遇到切削參數(shù)選擇不合理或者刀具選擇錯誤等問題。如果采用自動化數(shù)控編程就可以解決這些問題———它極大地減少了耗時的、重復的手工編程工作，簡化了程序生成的過程，減少了生成NC代碼所需要的交互操作數(shù)量，最重要的是減少了手工編程過程中出錯的概率，提高了程序的準確性[2]。

以NX軟件為例，要實現(xiàn)自動化編程，如果采用Open API技術(shù)二次開發(fā)，對一般的數(shù)控編程工程師而言比較困難。而利用NX軟件內(nèi)置的自動編程系統(tǒng)，只要熟悉數(shù)控加工工藝就可以輕松實現(xiàn)自動化編程的開發(fā)。

1 FBM 智能編程系統(tǒng)應用

1.1 FBM 系統(tǒng)介紹

基于特征的加工系統(tǒng)（feature based machining，F(xiàn)BM）是一種自動化編程系統(tǒng)?；谔卣鞯腇BM 加工系統(tǒng)允許將產(chǎn)品的CAD模型直接導入到CAM 程序中，然后FBM 快速分析CAD實體模型中的設計和產(chǎn)品制造信息（product manufacturing information，PMI），查找出相關特征，確定每個特征的最佳加工工藝，最后自動生成每個操作的刀具軌跡。FBM 可以將數(shù)控編程時間減少多達90%，同時減少了編程中可能出現(xiàn)的錯誤，減少機器設置時間[3]。

從圖1上可以看到，基于FBM 的自動化編程省略了大量的重復性操作，提高了編程效率。NX的FBM 系統(tǒng)適用于車削、銑削以及線切割模塊。系統(tǒng)內(nèi)包含了一個開箱即用（out of the box，OOTB）的基礎加工知識庫，基礎知識庫包含了常見的特征及加工規(guī)則，例如各種類型的孔、型腔和其他簡單形狀的特征。如果需要利用FBM 自動加工復雜的特征類型，則需要在加工知識庫中開發(fā)新的特征和加工規(guī)則。

1.2 實際案例分析

在設計雙臂scara打印機的過程中，機械臂的相關零件有很多類型，在這些機械臂的零件上大多都設計了一種圓角U 型槽，主要目的是減輕機械臂重量以及美觀。如圖2所示，這些圓角U 型槽的槽型一般不深，底部是平面結(jié)構(gòu)，側(cè)面為包含R 的圓角，結(jié)構(gòu)大致相同，只是圓角半徑，槽寬、槽長等尺寸不同[4]?，F(xiàn)需要對這些圓角U 型槽分別加工。

對于單個圓角U 型槽的加工工藝并不復雜，如果利用NX 軟件加工則基本過程如下：首先利用圓角立銑刀對圓角U 型槽整體粗加工，使用型腔銑操作;接著利用球頭銑刀精加工側(cè)面的圓角，使用等高加工策略;最后利用平底銑刀精加工U 型槽的底部平面，使用底壁銑操作完成加工。

對于多個圓角U 型槽批量自動加工，由于槽的結(jié)構(gòu)基本相同，因此其加工工藝基本相似，可以使用FBM 功能，自動查找出圓角U 型槽的加工特征，然后自動創(chuàng)建出特征工藝，自動生成刀具路徑。由于NX的FBM 自帶的特征知識庫中，并不包含圓角U型槽這個特殊的幾何特征，所以必須首先在FBM系統(tǒng)中開發(fā)新特征并同時分配新的加工操作規(guī)則。由于圓角U 型槽的尺寸不同，為了保證加工質(zhì)量和效率，在分配合適的加工操作規(guī)則時還要求系統(tǒng)可以進行智能化設置，例如公差、刀具選擇、材料等參數(shù)[5]，具體要求見表1。

為了保證FBM 系統(tǒng)可以根據(jù)不同尺寸智能選擇刀具及切削參數(shù)，就需要在機械加工知識庫編輯器中進行二次開發(fā)。加工知識庫編輯器（machiningknowledge editor，MKE）是NX 一個獨立的工具，負責管理FBM 系統(tǒng)所有特征規(guī)則、加工規(guī)則的數(shù)據(jù)庫，可用于修改定義加工過程規(guī)則，新建和映射特征等。

1.3 示教特征庫擴充

FBM 系統(tǒng)自帶的特征庫中沒有圓角U 型槽，要系統(tǒng)能識別圓角U 型槽并加工，需要先添加該特征并示教。為了防止其他特征干擾，我們可以新建一個零件，其中只包含圓角U 型槽這個單一的特征，如圖3所示。

無論什么特征都是由不同的屬性組成，這些屬性將其與相似的元素區(qū)分開來。屬性可以是幾何尺寸、粗糙度、顏色、公差等，這些屬性可以作為變量，在MKE中作為條件的判斷。創(chuàng)建新特征時，PMI注釋可以用于創(chuàng)建屬性。PMI的標注使用有其原則，必須使用基本的長度尺寸，例如水平、垂直、半徑、直徑等。單純的PMI只是一個數(shù)字標注，F(xiàn)BM系統(tǒng)可以獲取PMI值，但是不知道這個值所對應的變量是什么，應該如何調(diào)用這個值。因此需要將PMI注釋添加為變量，在相應的PMI標注后添加附加文本注釋，這樣MKE就會自動識別文本作為變量引用。如圖所示，在標注后綴添加如LENGTH、WIDTH、RADIUS、FLOOR等文本注釋，作為圓角U 型槽的長度、寬度、圓角半徑值，如圖3所示，這樣示教特征時系統(tǒng)會識別出這些變量，相應的特征中就會包含這些屬性。

使用“示教特征”命令可以將新特征添加至FBM 特征庫中。首先選擇添加新特征類型，這里可以指定新特征的添加位置和新特征的名稱，接著需要選擇特征的識別規(guī)則選項，NX7之前的版本特征的識別僅能通過顏色識別，現(xiàn)在識別參數(shù)選項有很多，它包括顏色、幾何屬性，以及幾何的名稱等。在識別規(guī)則中選擇PMI注釋的選項，即用戶自定義添加的屬性。最后選擇要示教的特征面，圖4所示。示教特征完成后，需要驗證這個新特征的識別規(guī)則是否正確。

1.4 MKE知識庫的二次開發(fā)

新的特征添加完成后，還需要在MKE 加工知識庫中開發(fā)新的加工規(guī)則才可以實現(xiàn)自動編程。首先針對識別出來的圓角U 型槽手動創(chuàng)建一次完整的操作工序作為加工規(guī)則，包含三個操作步驟：型腔銑、深度輪廓銑和底壁銑。然后將這三個手動創(chuàng)建的操作分配給識別出來的特征幾何圖形，F(xiàn)BM 系統(tǒng)會將這些操作關聯(lián)到圓角U 型槽特征并寫入MKE。

當示教操作完成之后，所有的加工操作都是固定的，包括操作的參數(shù)，使用的刀具以及切削參數(shù)都不能更改，要求和當前的示教特征一致。這樣直接使用FBM 自動創(chuàng)建特征工藝是沒有考慮到圓角U型槽其實是參數(shù)化的，槽的深度，寬度，圓角半徑的尺寸都是變化的，刀具和切削參數(shù)的設置需要考慮特征的幾何尺寸變化，智能判斷加工條件。所以在示教操作之后，需要在MKE編輯器中修改這些操作，開發(fā)智能判斷的加工條件，這些加工條件將確定加工規(guī)則、刀具以及切削條件的適用性。

打開MKE，進入Machining Knowledge選項列表，選擇示教的操作，打開后可以看到對于每個加工策略，MKE都建立了一系列特征以及加工操作定義的條件。Conditions選項卡中包含了該操作的執(zhí)行準則、刀具選擇準則、加工前的特征屬性、操作工序的屬性以及具體的設置參數(shù)。

打開型腔銑的策略條件選項卡，在刀具選用準則下添加以下判別規(guī)則：

REM Tool Criteria

IFmwf.WIDTH <= 8.0

THEN （tool.Diameter = 6.0 AND tool.CorRad1 = 1.0 ）

ELSE（tool.Diameter = 10.0 AND tool.CorRad1 = 1.0 ）;

表示當圓角U 型槽槽底的寬度小于等于8mm時，選擇直徑6mm 圓角半徑1mm 的圓角立銑刀粗加工;當槽底寬度大于8mm 時，選擇直徑10mm 圓角半徑1mm 的圓角立銑刀粗加工。

深度輪廓銑的策略條件選項卡中，在刀具選用準則下添加以下判別規(guī)則：

REM Tool Criteria

tool.Diameter < （mwf.RADIUS-1.0）*2;表示自動選擇半徑小于圓角U 型槽側(cè)面R 角半徑減1mm 的球頭立銑刀，這樣既能保證加工效率，也不會造成球頭銑刀半徑過大導致加工失敗情況。在FBM 自動加工的時候，系統(tǒng)會智能地從NX刀具庫中搜索符合匹配條件最大的球頭銑刀加工。底壁銑的策略條件選項卡中，同樣在刀具選用準則下添加以下判別規(guī)則：

REM Tool Criteria

tool.Diameter < mwf.WIDTH -1.0;

表示選用的立銑刀的直徑小于槽底的寬度減1mm，系統(tǒng)會從NX刀具庫中搜索符合匹配條件最大的平底立銑刀加工。設置完成后，保存MKE，示教特征完成。

1.5 智能自動編程流程

自動編程時，首先進入FBM 特征自動加工系統(tǒng)，選擇查找特征，在要識別的特征中選中之前示教的特征名稱，系統(tǒng)會自動將符合我們創(chuàng)建的示教特征的圓角U 型槽一次性全部查找出來，并且正確識別到了槽寬、槽長、圓角半徑等參數(shù)，如圖7所示。

選中所有特征，選擇創(chuàng)建特征工藝，在知識庫中選擇之前示教的操作名稱，系統(tǒng)會將之前示教的三個操作自動添加到特征上，并且會根據(jù)不同尺寸智能選擇對應規(guī)格的刀具，還會自動設置相匹配的切削參數(shù)，生成刀具路徑，實現(xiàn)了編程自動化和智能化。加工完成的機械臂零件安裝到雙臂scara打印機上的效果如圖8所示。

2 自動編程效率評估

將手動編程與FBM 自動編程進行比較，統(tǒng)計二者在NX 操作時的交互次數(shù)，包括編程員在編程時設置編程參數(shù)使用鼠標單擊或鍵盤按鍵的次數(shù)。手動編程在編寫單個圓角U 型槽程序時，需要生成三個加工操作，每個操作都需要重復設置幾何體，切削層，切削余量、切削參數(shù)、公差、刀具等工作，需要交互次數(shù)大約是100～200次，總共耗費時間大約是5分鐘，而且與編程者的操作水平和熟練度有很大的關系。圓角U 型槽數(shù)量越多，交互次數(shù)和耗費時間就越多，雖然操作可以復制粘貼，但是一些重復的參數(shù)設置還是必需的。而采用FBM 自動編程時，特征查找和創(chuàng)建特征工藝都是自動完成，并且與圓角U 型槽數(shù)量無關，無論圖中有多少個圓角U 型槽，自動編程的交互次數(shù)和時間都是差不多的。具體對比結(jié)果見表2。

從表2可以看到，對于這四個圓角U 型槽零件，F(xiàn)BM 自動編程比手動編程交互次數(shù)減少了90%左右，編程時間縮短了80%左右。

3 總結(jié)

基于特征的FBM 自動化編程技術(shù)在未來的智能制造中有著非常重要的地位。智能制造的特點決定了零件的設計和尺寸會不斷變化，傳統(tǒng)的手工編程面對不斷發(fā)生設計變化的工作環(huán)境力不從心。FBM 是根據(jù)模型幾何特征以及PMI等參數(shù)自動選擇加工策略，自動進行編程，一旦模型設計或尺寸更改，F(xiàn)BM 也會智能更改加工過程，無須編程者進行任何干預操作，極大地提高了生成效率。同時每個企業(yè)還可以按照自己的生產(chǎn)習慣，設定加工工藝及操作順序，實現(xiàn)高效的生產(chǎn)。

參考文獻：

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[2]Angelo Corallo，Manuela Marra，Claudio Pascarelli.Knowledge-Based Manufacturing：Management and Deploymentof Manufacturing Rules through Product Lifecycle ManagementSystems[J].Aerospace，2019，6（4）：41-58.

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[4]花鋒.基于NX二次開發(fā)的特征識別技術(shù)研究[J].機械制造與自動化，2010，12（39）：99-100.

[5]榮奇，張芬，李建勛.基于加工特征的UG/CAM 編程自動化系統(tǒng)研究[J].機床與液壓，2015（15）：112-115.

[6]黃國祥.基于加工特征和UG 的NC代碼自動生成研究[D].杭州：浙江大學，2006.

責任編輯：肖祖銘