基于Unigraphics软件的复杂壳体制造特征自动识别技术*

□ 韩晓光 □ 翟婷婷 □ 付移风 □ 南小侠

中国航发西安动力控制科技有限公司 西安 710077

1 研究背景

工艺知识是企业的宝贵财富,也是企业核心竞争力的组成部分。高效积累、再利用工艺知识,是企业发展的需要和目标[1]。近年来,随着市场对小批量、多品种产品的需求日益增加,企业工艺设计的重点从原来的单品种、大批量产品向多品种、小批量产品转变,这就要求企业具有快速的产品开发能力。对产品进行快速工艺设计是产品开发的关键,企业迫切需要一种先进的工艺知识管理方法来支撑工艺设计。目前的工艺知识管理方法是对工艺知识按照知识类别进行分类组织和管理,工艺知识查询过程烦琐,查询结果单一,不能有效支持工艺方案设计[2]。同时,在编制数控程序时,程序的优劣往往取决于工艺人员的经验,工艺人员的编程经验无法得到共享,不同的工艺人员所编制的数控程序差异性较大[3]。

笔者对刀具库、切削参数库及制造特征库的建立方法进行研究,重点对制造特征的识别流程、特征自动识别步骤,以及制造知识库的调用等相关方法进行分析,进而提出一种基于Unigraphics软件的复杂壳体制造特征自动识别技术。

2 制造知识库

由于制造企业之间,甚至是同一家企业的不同车间之间对工艺知识的需求有很大差异,因此单一种类的工艺知识管理模式很难满足企业车间对工艺设计知识的需求,这是因为在工艺设计的过程中,对知识的需求是多种类的,既需要制造资源方面的知识,也需要加工方法及工艺参数等方面的知识[4]。

建立制造知识库,包括建立制造资源知识库、工艺知识库及制造特征库三部分。制造知识库框架如图1所示。

▲图1 制造知识库框架

2.1 刀具库

刀具库从属于制造资源知识库下的工艺装备部分。在数控编程过程中,数控刀具的选择主要调用刀具库。通过对生产现场数控加工刀具数据进行收集、归类和整理,依据Unigraphics刀具数据库中刀具记录结构的命名规则,对不同类型的刀具采用标准化、规范化的定义和描述,在Tool_database.dat文件中完成刀具库的建立,如图2所示。

▲图2 刀具库

2.2 工艺参数库

依据Unigraphics切削数据库中工艺参数记录结构的命名规则,统计现场加工过程中使用的切削数据,在Tool_machining.data文件中创建较优的工艺参数库,如图3所示。

2.3 制造特征库

对企业的复杂壳体产品进行特征分析,对复杂壳体的几何特征进行归纳分类。采用STEP特征分类方法创建属于企业内部的几何特征库,将制造特征分为基本特征、复合特征和特征列阵三大类,每个大类又可细分具体的特征单元。

▲图3 工艺参数库

对HOLE特征和POCKET特征做如下说明:HOLE特征没有底部,且可以从两边加工;POCKET特征有底部,且只能从单边加工;STEP后的数字描述的是HOLE特征和POCKET特征的阶数,直径相同的特征数应重复计数。

HOLE特征和POCKET特征命名如图4所示。

在建立制造特征库时,需要进行特征分解、工艺知识分类、特征定制。

(1) 特征分解。所谓特征分解,可以定义为已知输出特征(设计图特征)和输入特征(毛坯),求解过程特征(中间工序)、相关操作及操作资源的过程,这是一个逆向推理的过程。以螺纹孔特征为例,特征分解过程见表1。

(2) 工艺知识分类。工艺设计过程中,对工艺知识的需求有一定特殊性,表现为知识的范围较广,既包括制造资源、加工方法等显性知识,也包括工艺决策等存在于设计人员大脑中的隐性知识。针对工艺设计过程对工艺知识的特殊需求,提出一种基于复杂壳体制造特征的工艺知识表达模型,如图5所示。通过将制造特征和与特征工艺相关的知识进行关联,使每一个制造特征都有相对应的一系列工艺知识。

▲图4 HOLE特征和POCKET特征命名

表1 螺纹孔特征分解过程

▲图5 工艺知识表达模型

知识分类直接面向工艺设计过程,其中,制造资源知识主要包括工艺设计过程中需要的工装方面的知识和加工设备方面的知识[5];工艺方法知识主要包括加工制造特征所采用的各种加工方法,根据特征的几何形状、材料和不同的精度要求,采用不同的加工方法;工艺参数知识是加工制造特征过程中根据不同的特征信息选择的特征加工参数;工艺决策知识由经验性规则、过程性算法及对工艺决策过程进行控制的知识等组成[6]。

(3) 特征定制。特征定制指将制造特征的工艺设计过程转换为Unigraphics可识别的数据[7]。特征定制对话框如图6所示。

▲图6 特征定制对话框

以图6中标记对对话框内容进行说明:①为制造知识库层次关系;②为操作名称;③为输出特征,即本工序加工完成后复杂壳体的结构特征;④为操作类型,如钻、铣、铰等;⑤为输入特征,即本工序加工前复杂壳体的结构特征;⑥为操作优先级,数值越大,优先级越高;⑦为操作资源,即加工所用刀具,如中心钻、麻花钻、铰刀等;⑧为约束条件、常量、材料、设备等定制信息,用于定义操作准则、刀具属性、操作属性、输入特征、输出特征等。

3 制造特征自动识别

3.1 识别流程

Unigraphics加工知识编辑器运行流程如图7所示。工艺人员可以使用加工知识编辑器来管理制造特征库和工艺知识库,工艺人员的经验知识可以得到有效积累、分享[8]。对于计算机辅助制造而言,在进行特征自动识别过程中,会在后台调用制造特征库,得到加工特征,并在创建工艺的过程中,调用工艺知识库、刀具库和模板,按照优先级自动进行工艺决策,最后生成计算机辅助制造操作[9]。

3.2 识别方法推理过程

在进行工艺决策的过程中,需要综合考虑加工精度、设备情况、工艺情况、成本因素等,最后得到最佳的加工路线[10]。以STEP1HOLE通孔特征为例,对制造特征自动识别方法推理过程进行介绍。STEP1HOLE 特征如图8所示,尺寸为φ12 mmH7,识别方法如图9所示。

▲图7 加工知识编辑器运行流程

▲图8 STEP1HOLE特征

▲图9 制造特征自动识别方法推理过程

(1) 在加工知识编辑器中加载工艺知识文件,打开铣削、钻削规则库,选中所有规则。已知输出特征为STEP1HOLEφ12 mmH7,打开输出过滤器,得到候选规则列表。候选规则列表经过过滤的操作,最后都会得到STEP1HOLE特征,工艺规则会按照赋值由低到高排列,赋值越高,说明规则成本越低、加工越方便,同时加工精度也越低。系统会依照赋值从高到低选择合适规则。标志代表规则被拒绝,列表中赋值最高的是规则Drill_S1H,但它首先被系统所拒绝。原因是刀具麻花钻的精度无法达到所要求的H7。

(2) 赋值次高的规则是Drill_in_center_ S1H,由于加工精度无法满足要求,也被系统拒绝。

(3) 经过多轮判定,由于Ream_S1H 规则中的所有条件都为真,因此系统选择了Ream_S1H 规则。这一规则会被应用于STEP1HOLEφ12 mmH7特征的加工,作为最后一道工序。

(4) Ream_S1H的输入特征为STEP1HOLE,会被作为中间工序特征,即下一步的输出特征。相似的推理过程再次被执行,候选列表中的规则按照赋值由高到低的顺序排列,直至有规则执行通过为止。需要注意的是,中间工序特征没有精度要求。规则的定义具有全面性,不仅包含加工的精度,而且包含工艺的考量、刀具的因素和输出特征的属性等。例如,在此步推理中,Drill_S1H规则没有被执行,因为Drill_ S1H规则要求在毛坯状态下加工成形。此步推理中,Drill_in_center_S1H 成功被选定,成为继Ream_S1H 之后第二条工艺规则。

(5) 依次类推,Drill_in_center_S1H 的输入特征为POCKET_ROUND_TAPERED,系统将其列为输出特征,在候选规则列表中进行匹配,最后得到Spot_Drill规则。Spot_Drill的输入特征为Blank,即毛坯,因此推理过程结束。

通过以上推理过程,系统得到了合适的工艺链,如图10所示。系统会依据工艺链在Unigraphics操作导航器中添加操作Spot_Drill、Drill、Ream。

▲图10 工艺链

4 制造知识库调用

4.1 调用流程

建立制造知识库的目的就是可以在后续工作中直接调用,不再进行烦琐的工作,在减少工作量的同时降低出错的概率。

制造知识库的调用流程如图11所示。

▲图11 制造知识库调用流程

4.2 主要步骤

制造知识库调用的主要步骤如下:

(1) 加载复杂壳体数模,数模必须具有公差、粗糙度等参数信息,否则特征库无法与模型特征进行匹配,如果没有参数,则定义相关参数;

(2) 在加工环境下,选择加工知识编辑器,对复杂壳体进行特征识别,构造复杂壳体的特征模型,得到复杂壳体加工特征;

(3) 创建过程特征,在创建过程中,类型可以选择基于规则,也可以选择基于模板;选择基于规则时,应选择相应的知识库;选择基于模板时,应选择相应的模板类型;

(4) 计算刀轨,并进行刀轨模拟,确认刀轨的正确性。

5 结束语

通过对基于Unigraphics软件的复杂壳体制造特征自动识别技术进行深入研究[11-12],建立了刀具库、工艺参数库等基础数据库。应用工艺知识表达模型,在积累工艺知识的同时,为工艺人员的经验分享提供了可行途径。通过对特征识别过程中工艺决策的详细研究,实现了制造特征库的定制。通过调用制造知识库,可以有效缩短编程时间,在提高编程效率的同时,有效提升数控程序的一致性和复杂壳体的加工质量。