基于STEP-NC的大型数控机床主要零件切削数据库的实例编码

陈维克，范微微，李忠群

（湖南工业大学机械工程学院，湖南株洲412007）

基于STEP-NC的大型数控机床主要零件切削数据库的实例编码

陈维克，范微微，李忠群

（湖南工业大学机械工程学院，湖南株洲412007）

针对大型数控机床主要零件切削数据库，提出了基于STEP-NC的实例编码方案，给出了编码属性和编码顺序，并且通过实例编码示例，验证了基于STEP-NC的大型数控机床主要零件切削数据库实例编码的可行性。

STEP-NC；大型数控机床；切削数据库；实例编码

0 引言

实例编码是实现实例推理需要研究的主要问题之一，实例推理的执行速度与实例编码息息相关，实例编码方式的选择将直接影响实例推理的实用性[1-2]。合适的实例编码方式，对于基于国家科技重大专项子课题“汉川机床采用国产数控系统加工大型机床零件应用示范工程”的数控机床主要零件切削数据库系统的开发，以及基于实例推理的切削数据库智能化的实现具有重要意义。

STEP-NC是一个新型NC编程数据接口国际标准，其定义的 AP238 应用协议直接面向零件的制造特征（如平面、孔、腔等）进行编程，且提供统一的标准数据模型，来规范计算机辅助设计（computer aided design, CAD）、计算机辅助制造（computer aided manufacturing, CAM）、计算机辅助工艺过程设计（computer aide process planning, CAPP）与计算机数字控制机床（computer numerical control, CNC）之间的传递和数据交换，从而实现制造业上下游之间的无缝连接，加速了计算机集成制造系统的开发[3-5]。基于STEP-NC的数控加工程序工艺描述部分包括了所有工步的详细参数，如刀具、特征、机床和加工方法等[6]。本文将STEP-NC技术运用于大型数控机床主要零件切削数据库的实例编码上，研究该编码方式在基于实例推理的切削数据库中的可行性，以期为实例推理寻找适合的编码方式。

1 大型数控机床主要零件切削数据库

1.1 切削数据库中的大型数控机床零件

机床主机是数控机床的主体，是在数控机床上自动完成各种切削加工的机械部分，它包括床身、底座、滑座、立柱、工作台、主轴箱、刀架及自动换刀装置等机械部件[7-8]。这些零部件的材料、加工方式、工艺特征等各不相同。本文根据数控机床上主要零件（主轴箱、立柱、滑座、工作台）的外在特征，分类定义了各零件的特征量，以便于零件的查找、归类。表1为定义的大型数控机床主要零件的加工特征和特征参量。

表1 大型数控机床主要零件的加工特征和特征参量Table1The machining-features and feature-parameters of the large NC machine main parts

1.2 大型数控机床主要零件切削数据库的组成

图1为切削数据库实体-联系（entity relationship, E-R）图。该切削数据库中，每个实体都有其对应的属性参量，如图2～3即为相应实体的E-R图。

图1 切削数据库E-R图Fig.1E-R diagram for cutting database

图2 加工要求E-R图Fig.2E-R diagram for processing requirements

图3 工件材料E-R图Fig.3E-R diagram for the workpiece material

大型数控机床主要零件切削数据库包括以下实体：零件、工件材料、加工要求、加工方法、刀具、机床、切削参数和切削液。当用户在数控机床主要零件切削数据库的输入界面给出零件、加工要求及工件材料的信息后，该数据库将运用实例推理技术，匹配得到相应的零件加工方案，加工方案包括刀具、机床、切削液、加工方法及切削参数的信息，在输出界面给出。

2 面向大型机床主要零件的STEPNC数据模型

STEP-NC定义了一种面向特征的数据模型作为CNC的输入，即STEP-NC数据模型[6]。STEP-NC数据模型中包含了加工工件的所有任务，其基本原理是基于制造特征进行编程。STEP-NC数据模型由一系列加工任务组成，描述工件从毛坯到最终成品零件的所有操作，内容涉及工件三维几何信息、刀具信息、制造特征及工艺信息[5]。STEP-NC数据模型还可从工件属性、刀具路径属性中提取工件几何特征量、制造特征量和刀具几何信息，并将其反馈到加工规划部门[6]。

本文根据某汉川机床厂具体加工工艺及图纸信息，结合研究课题中的大型机床主要零件的特征，给出了如图4所示的面向大型机床主要零件的STEPNC数据模型。

图4 大型机床主要零件的STEP-NC数据模型Fig.4STEP-NC data model of the large machine main parts

该数据模型直观地体现了大型机床主要零件的具体零件特征（腔、槽、孔、平面），在整体加工过程中的加工要求以及受零件特征间接影响的加工操作，每个加工操作都涉及刀具、机床、切削液、切削参数、加工方法等信息。

3 STEP-NC实例编码

实例编码是为了实现实例的快速检索，如何全面、合理地选取编码属性是实例编码的关键。本文在原始STEP-NC数据模型的基础上，针对大型机床主要零件，并结合企业实际情况，建立了如图4所示的大型机床主要零件的STEP-NC数据模型。根据面向大型机床主要零件的STEP-NC数据模型，选取切削数据库中主要实体（包括工件材料、零件、加工要求、加工方法、机床、刀具、切削用量、切削液）对应的各属性构成实例编码的内容，提出了基于STEP-NC的实例编码方案。

3.1 实例编码的属性内容及编码顺序

在需要编码的实例属性中，各属性均采用数字编码方式，即1位可有10种选择，2位即有102种选择。表2为各实体的属性及每种属性的编码位数。由表2可知，每个实例编码由25位代码组成，且每个实例的编码顺序如图5所示。

表2 各实体属性及其编码位数Table2Each entity attribute and its coding digit

图5 实例编码顺序Fig.5Example coding sequence

各实体属性的具体内容编码如下。

材料类别：0—灰铸铁，1—其他铸铁；

材料牌号：0—HT150，1—HT200，2—HT225，3—HT250，4—HT275，5—HT300，6—HT350；

材料硬度：0—125～205，1—150～230，2—170～240，3—180～250，4—190～260，5—190～220，6—200～275， 7—220～290；

最小抗拉强度：0—150，1—200，2—225，3—250，4—275，5—300，6—350；

加工部位：0—顶面，1—底面，2—左侧面，3—右侧面，4—正面，5—背面；

加工特征：0—腔，1—T型槽，2—平面，3—孔；

几何特征参量：0—侧面，1—底面，2—表面，3—孔内壁，4—孔外壁；

尺寸特征参量：0—长度，1—宽度，2—深度，3—槽口宽，4—槽底宽，5—槽底高，6—外圆直径，7—内圆直径；

加工精度：0—低精度（IT13～IT11），1—中低精度（IT10～IT9），2—中高精度（IT8～IT7），3—高精度（IT6～IT5），4—特精密精度（IT4～IT2）；

表面粗糙度：0—第一类（25, 12.5），1—第二类（6.3, 3.2），2—第三类（1.6, 0.8），3—第四类（0.4, 0.2），3—第四类（＜0.2）；

加工尺寸：见表3；

热处理状态：0—退火，1—正火，2—淬火，3—回火，4—调质；

加工方法：0—铣削，1—车削，2—钻销，3—磨削，4—镗削，5—铰销；

机床型号：见表4；

主轴转速：0—50～500，1—501～1 000，2—1 001～2 000，3—2 001～3 000，4—＞3 000；

刀具材料：0—碳素工具钢，1—合金工具钢，2—高速钢，3—硬质合金，4—陶瓷，5—（聚晶）金刚石，6—（聚晶）立方氮化硼；

刀具名称：见表5；

切削速度：0—低（0～50），1—中（51～100），2—高（＞100）；

切削深度：0—小（0.2～1），1—中（2～10），2—大（＞10）；

进给速度：0—0～100，1—101～999，2—1 000～1500；

切削液：0—水溶液，1—乳化液，2—切削油，3—不使用。

表3 加工尺寸编码Table3Processing size coding

表4 机床型号编码Table4Machine type coding

表5 刀具名称编码Table5Tool name coding

3.2 实例编码示例

图6为某型号立式加工中心的立柱，机加工工艺主要是完成此零件各平面的铣削以及零件上各孔的加工，现以该立柱零件为例，立柱背面定位，按线找正，编码立柱的底孔A和导轨面B。由厂商提供的零件图纸、加工参数及刀具清单可知，立柱的工件材料材质为HT300，硬度为HB190～HB220。

图6 某立柱的三维模型Fig.6A post 3D model

式中：是圆周率，取3.14；D为刀具直径，mm；n为主轴转速，r/min。

例1：加工导轨面B时，B位于正面，加工特征为平面，使用HGMC1225R/III铣床，选用63精铣方肩铣刀，要求导轨面表面粗糙度为1.6，待铣导轨面长1525mm，宽51mm，主轴转速为500r/min，进给速度为300mm/min，由式（1）可得切削速度Vc=98.91m/min。

导轨面B尺寸特征参量为长度时，实例编码为：0 5 5 5 4 2 2 0 2 2 09 3 0 04 0 3 006 1 2 2 3；

导轨面B尺寸特征参量为宽度时，实例编码为：0 5 5 5 4 2 2 1 2 2 03 3 0 04 0 3 006 1 2 2 3。

例2：加工底孔A，使用Z3080钻床，以26钻头在底面钻8个26通孔，表面粗糙度为12.5，孔深为50mm，主轴转速为280r/min，进给速度为85mm/min，代入式（1），则Vc=22.8592m/min。

底孔A尺寸特征参量为深度时，实例编码为：0 5 5 5 1 3 3 2 0 0 02 3 2 08 0 2 020 0 2 0 1；

底孔A尺寸特征参量为内圆直径时，实例编码为：0 5 5 5 1 3 3 7 0 0 02 3 2 08 0 2 020 0 2 0 1。

上述示例采用基于STEP-NC的实例编码方案，完成了对实际零件的编码并给出了编码值。根据该编码方案对大型机床基础零件进行编码，编码内容可以涵盖零件的各加工属性，在切削数据库中即可用零件对应的编码值完整地表示该零件，验证了基于STEP-NC的编码方案可以较好地应用于大型机床主要零件切削数据库中。

4 结语

本文在传统STEP-NC数据模型的基础上，针对大型机床主要零件，并结合企业的实际加工工艺，给出了针对大型机床主要零件的STEP-NC数据模型，确定了需编码的属性，提出了基于STEP-NC的实例编码方案。同时，描述了该编码方案的属性内容、位数及编码顺序，并举例给出了的几组实例编码，验证了基于STEP-NC的编码方式适用于切削数据库实例推理，而且对实现实例的快速检索、加快实例推理的执行速度等均具有重要意义。

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（责任编辑：徐海燕）

The Example Code of Large NC Machine Main Parts Cutting Database Based on STEP-NC

Chen Weike，Fan Weiwei，Li Zhongqun
（School of Mechanical Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Aimed at the large NC machine main parts cutting database, the example coding scheme based on STEP-NC was proposed. The encoding attributes and encoding sequence were presented. And through the example code cases, the feasibility of the STEP-NC-based example coding of large NC machine main parts cutting database was verified.

STEP-NC；large NC machine; cutting database；example code

TP311.13；TG659

A

1673-9833(2014)06-0027-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.06.006

2014-09-18

国家自然科学基金资助项目（51375160），国家科技重大专项基金资助项目（2012ZX04011-011）

陈维克（1964-），男，浙江东阳人，湖南工业大学教授，博士，主要从事数字化制造和传感网络方面的教学与研究，E-mail：chenweike@21cn.com

范微微（1990-），女，安徽蚌埠人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为切削数据库，E-mail：fanweiwei2013@126.com