变型零件快速数控编程工艺研究*

兰 芳

(广西工业职业技术学院 机械工程系，南宁 530001)

0 引言

变型设计是指在原有零部件或产品模型基础上，通过对某些参数和尺寸关系的改变，最终生成与原有零部件和产品相似的零部件或产品的设计方法［1］。变型设计可以缩短产品设计周期，提高产品质量，降低成本，是实现产品快速设计的有效方法之一。随着产品需求的多样化、个性化及产品市场全球化的发展，变型设计在现代企业设计中占有越来越大的比例，变型零件工艺设计、数控编程等方面的研究也正越来越引起业界的重视。

本文根据变型零件快速数控编程特点，研究变型零件数控编程的关键工艺问题，进行工艺决策模块的设计，为实现变型零件快速编程奠定基础。

1 变型零件快速编程特点

在变型设计中，通过对系列相似零件进行结构分析、参数分析，产生的具有代表性的零件几何模型称为母模型零件。对母模型零件进行参数修改或结构的局部调整，即得到变型零件。变型零件有几何变型零件和结构变型零件，文本研究的对象是几何变型零件。

几何变型零件是由母模型零件通过改变尺寸大小而派生出来的。可以采用构建母模型零件事物特性表［2］，通过改变事物特性值来实现零件尺寸的变型。

几何变型零件与其母模型零件的拓扑结构是相同的。对于结构相同，尺寸大小不同的零件，它们的加工方法、加工顺序、走刀路线是相同的，不同的仅是加工几何信息和部分随零件尺寸变化的刀具直径、主轴转速、进给速度等工艺参数［3］。因此变型零件数控程序与其母模型零件的数控程序也是相似的。这样通过构建基于母模型零件的数控程序母模板，当零件几何尺寸变化时，相应的与几何尺寸相关联的数控程序母模板的加工几何参数和工艺参数也改变，从而派生出变型零件的数控程序，实现变型零件数控程序的快速编制。图1 是变型零件数控程序快速编程原理。

首先分析相似零件几何形状和拓扑结构，进行零件族规划，构建零件族母模型零件，根据母模型零件在工艺决策库的支持下进行加工特征划分和加工排序，以加工特征为单元进行加工信息设置，创建数控程序母模板。当需要变型时，通过向事物特性表输入一组数值，驱动零件母模型几何特征变型得到变型零件，同时在工艺决策库的支持下，对相应加工特征的加工参数重新进行计算、优化，得到新加工参数，用新参数变更数控母模板相应加工特征的加工参数，完成后即生成变型零件数控程序。

图1 变型零件数控程序快速编程原理

2 数控快速编程中的关键工艺问题

2.1 加工特征划分

特征的定义依赖于其具体的应用环境，由于特征在设计、分析、制造等不同阶段中应用的领域的不一致，造成各阶段定义特征的方法和所建立特征模型也不相同，使特征具有了多方面的含义［4］。在工程领域，特征模型往往是按照应用需求进行定义和分类的。

在变型零件数控程序的快速编程中，数控程序母模板是实现零件程序快速变型的基础，其是以加工特征为单位，按照加工特征加工顺序来组织加工信息的。零件几何变型时，数控程序的变型只是加工特征的几何数据和工艺数据变更，加工方法、加工顺序、走刀路线是不变的。加工特征划分必须满足这一特点，不仅强调形状结构的相似性，更强调加工工艺的相似性。因此将加工特征定义为形状结构和加工工艺相同或相似的的加工操作单元。这样本文定义的加工特征与传统的加工工步相似，但也有区别，工步的加工对象是一个表面，而一个加工特征可以对应零件的一个或几个加工表面。例如图2 所示的4 个φ7 孔的加工可以划分为一个加工特征——阵列孔加工特征。

图2 阵列孔加工特征

加工特征与零件几何特征、加工工序、工步间的关系可以通过图3 表示。

因此进行加工特征划分必须先分析母模型零件的几何特征，确定几何特征的加工方法链，然后对加工工序、工步进行归纳整合，最后形成零件加工特征集合。

图3 零件几何特征、加工工序、工步和加工特征关系图

2.2 加工特征排序

数控程序母模板是按加工特征的排序来组织加工数据的，合理的特征排序不仅提高零件加工效率，而且能更好的实现数控程序快速变型。

一个有n 个加工特征的零件，其加工特征的集合表示为:F = {f1，f2，… fi，… fn}，其中fi表示零件的第i 个加工特征。n 个加工特征的排序理论上有n!。在实际加工中，零件的加工要符合工艺的要求，加工特征的实际排序要小于n!。一个合理的加工特征排序必须满足加工工艺约束所定义的加工特征之间的优先关系。

影响加工特征优先关系的工艺约束主要有:

(1)基准优先约束:若加工特征之间有基准关系，则作为基准的特征的先加工，与此特征有基准关系的特征后加工;

(2)先粗后精约束:粗加工特征在精加工特征之前进行。

(3)先主后辅约束:先加工主要的加工特征(如重要的表面)，再加工倒角等辅助加工特征。

(4)定位关系约束:若加工特征之间有定位关系，则将决定其它特征位置的特征的先加工，被决定位置的特征的后加工;

(5)父子关系约束:若加工特征之间有父子关系，则父加工特征先加工，子加工特征后加工;

为了在拓扑排序中便于计算机的推理，对一个有N 个加工特征的零件，根据上述的约束原则，其加工特征间的优先关系可以用约束矩阵来表示:

其中fij表示i 加工特征和第j 加工特征间的约束关系，如果i 加工特征先于j 加工特征加工，且j 紧接在i之后，则fij= 1，fji= 0，其他情况下fij= fji= 0。显然fij= {0，1}，C 是0－1 的矩阵。

根据工艺约束规则可能获得一系列有效加工特征排序，为了得到排序最优，还需采用一定的优化目标，对加工特征排序进行评价，从中选择出最优的加工特征排序。

在数控加工中心的加工中，优化的目标是加工辅助时间最短。相应的加工辅助时间是:工作台转位时间，换刀时间，因此优化目标函数可以表示为:转位所需的时间。

式(2)中Tzi，i+1表示从加工特征i 到i +1 工作台

式(3)中Td表示换刀时间，加工中心每次换刀时间是基本相同的。

式(3)中若加工特征i 与i +1 使用相同的刀具，则Qi，i+1= 0，否则Qi，i+1= 1

基于以上的工艺约束和在优化目标，采用遗传算法对加工特征排序进行优化，得到最优的加工特征排序。基于遗传算法的加工特征排序流程如图4［5-7］。

图4 基于遗传算法的加工特征排序流程

2.3 刀具参数、切削参数选择与变更

在数控加工中，正确合理地选择刀具参数和切削参数对保证产品加工质量、提高生产率、降低生产成本有十分重要的作用。

刀具参数主要指刀具材料、刀具类型、刀具直径、刀具长度等，刀具参数的选择取决于被加工零件的材料、加工特征的类型，加工特征几何形状和几何参数、夹具和机床刚性等。

切削参数包括切削速度、进给量和背吃刀量。影响切削参数选择的因素有加工方法、零件材料、加工特征尺寸、形状、加工特征精度、表面质量要求、刀具的工作可靠性和耐用度以及加工成本等。

为了获得合理的切削参数，目前国内外进行了很多参数优化的研究。如在约束条件方面有无约束优化，单目标优化和多目标优化，单刃优化和多刃优化等。优化的目标主要有最大生产效率(最少加工时间)、最低加工成本、最小刀具磨损、最高加工精度以及多目标等。优化的方法主要有遗传算法［8］、粒子群算法［9］、BP 神经网络算法［10］和混合优化算法［11］等。

本文采用知识推理和优化算法相结合进行刀具和切削参数的选择。刀具参数、切削参数的选择流程如图5 所示。

在数控程序母模板创建时，依据零件母模型的加工特征属性(零件材料、加工特征类型、加工特征尺寸、形状)以及刀具库匹配出刀具参数，如果符合匹配条件的刀具不止一把，则根据工时最短的原则确定出最优的刀具参数，输出该刀具参数到数控程序母模板进行加工特征的工艺参数设置。当零件几何变型时，将变型的加工特征几何参数作为输入变更，重新匹配优化出新的刀具参数，用新的刀具参数变更数控程序母模板的相应变型特征的刀具参数，得到变型零件数控程序刀具参数。

图5 刀具参数和切削参数选择框图

同样，依据加工特征属性、切削参数库数据以及前面刚选择出的刀具参数匹配出切削参数范围，再以单加工特征最低成本为优化目标优化出切削参数值，输出该切削参数到数控程序母模板相应加工特征的工艺参数设置中。当零件几何变型时，将变型的加工特征几何参数和新的刀具参数作为输入变更，重新匹配优化出新的切削参数，用新的切削参数变更数控程序母模板的相应变型特征的切削参数，得到变型零件数控程序切削参数。

3 工艺决策支持模块设计

3.1 模块的框架

工艺决策支持模块为变型零件数控程序母模板的生成和变型提供工艺的决策支持，是快速编程的基础。工艺决策支持模块框架采用三层结构:应用层、中间逻辑层以及底层数据库。底层数据库包括数控知识库、刀具库、切削参数库;中间逻辑层主要进行数控知识的推理和优化计算等。工艺决策支持模块框架见图6。

图6 工艺决策支持模块框图

3.2 模块功能

根据前面的变型零件数控快速编程关键工艺分析，工艺决策支持模块主要包括加工特征划分、加工特征排序、刀具参数选择、切削参数选择4 个功能模块。

(1)加工特征划分:以人机交互方式，根据母模型零件几何特征及数控知识库推理出加工方法链，得到母模型零件加工工序、工步，人工根据加工特征的定义，对加工工序、工步进行整合，划分出母模型零件的所有加工特征，为加工特征排序提供支持。

(2)加工特征排序:对加工特征用遗传算法进行排序，为数控程序母模板构建提供支持。

(3)刀具参数选择:依据加工特征的属性(加工类型、精度要求、几何尺寸等)和刀具库的数据，进行刀具参数匹配和优化，得到最优刀具参数，为数控程序母模板工艺参数设置和变型零件数控程序工艺参数变型提供支持。

(4)切削参数选择:依据加工特征的属性、刀具参数、切削参数库等数据，进行切削参数匹配和优化，得到最优切削参数，为数控程序母模板工艺参数设置和变型零件数控程序工艺参数变型提供支持。

4 结束语

工艺设计是数控编程中重要的环节。变型零件快速数控编程是以加工特征为单元进行加工程序的组织的。加工特征的划分是数控母模板是否能够实现快速变型的关键，加工特征排序合理与否，刀具、切削参数的合理选择直接关系到数控加工的效率、零件的加工质量、生产成本。本文提出了与传统加工特征有所不同的加工特征定义划分、排序方法，进行了刀具、切削参数自动选择和自动变更的工艺系统设计，有效保证当零件几何变型时，数控程序母模板能够快速派生出变型数控程序，实现变型零件的快速编程。

［1］钟文明，祁国宁，顾巧祥. 基于事物特性表的产品变型设计的开发过程研究［J］. 制造业自动化，2006，28(6):7－10.

［2］鲁玉军，余军合，祁国宁，等. 基于事物特性表的产品变型设计［J］. 计算机集成制造系统，2003，9(10):840－844.

［3］兰芳. 变型零件快速数控编程方法［J］. 组合机床与自动化加工技术，2011(8):87－90.

［4］石俊，杨敏. CIMS 中零件加工特征分类研究［J］. 机械制造，2003，30(1):40－42.

［5］朱海平，肖诗旺，黄刚. 基于遗传算法的工艺过程排序研究［J］. 华中科技大学学报(自然科学版)，2006，34(3):50－53.

［6］张冠伟，赵相松，李佳，等. 基于遗传算法的工步优化排序方法［J］. 计算机集成制造系统，2005，11(2):242－246.

［7］刘伟，王太勇. 基于遗传算法的工艺路线生成及优化［J］. 农业机械学报，2009，40(8):203－208.

［8］武美萍，翟建军，廖文和. 数控加工切削参数优化研究［J］. 中国机械工程，2004，15(3):235－237.

［9］刘海江，黄炜.基于粒子群算法的数控加工切削参数优化［J］.同济大学学报(自然科学版)，2008，36(6):803－806.

［10］赵韩，冯宝林，董晓慧，等. 基于改进的BP 神经网络对切削参数的优化选择［J］. 机床与液压，2008，36(5):213－215.

［11］周浩，杜长龙，杨善国. 基于改进遗传算法的数控加工切削用量优化［J］. 机床与液压，2011，39(9):57－59.