基于知识库的数控加工快速编程关键技术研究

佛新岗

(西安航空职业技术学院， 航空制造工程学院， 陕西， 西安 710089)

0 引言

伴随着制造业的快速发展，数控加工已广泛应用于航空、航天、造船、化工、电子等行业。加工的产品也由最初的简单线条结构升级到具有复杂曲面的综合件，这就要求工艺编程人员能够借助于各种CAD/CAM软件编程实现产品的操作。工艺编程人员需要根据自己的实践经验，依据加工工件的材质及要求合理选择加工刀具的材质、合理选择主轴转速、进给速度、背吃刀量等切削参数、合理设计加工工序等内容，但这种情况编程效率因人而异，编程质量很难保证。对于企业而言，生产的产品虽多种多样，但加工特征是有限的，若把每一种加工特征所用的刀具、加工技术参数等内容保存至特定的数据库中，根据加工特征选择调用、自动匹配相应工艺内容，这既能缩短产品的研发周期，又能保证产品的加工质量。文献[1-10]主要针对知识库的构成、原理及简单应用进行了研究。其中，文献[4]、文献[5]研究了基于UG的电极自动编程系统，该系统创建了一个广义知识库，包含自动编程所需要的加工案例库、刀具库、工艺参数库和操作参数库等，具有查询、增减、修改和维护等功能。系统还针对不同特征的电极零件，创建了加工该电极所需的数控铣加工工序的编程模板，具有一定的研究借鉴意义。但文中仅限于对电极加工的工艺研究，对于通用零件加工快速编程技术研究较少，因而具有一定的局限性。本文以ESPRIT软件为平台，重点研究基于加工特征的数控加工知识库的开发及应用，系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

1 知识库关键技术研发

1.1 加工特征技术

在ESPRIT中，特征服务有以下几个要求。特征需要描述加工的工件形状，ESPRIT使用标准加工术语，例如型腔、孔、轮廓、端面等等，使用这种方式，一套特征可以描述整个工件的形状。特征也包括控制在何处切除材料的加工属性，这些属性包括切削深度、拔模角、切削方向、进刀和退刀点、引入和引出点等。

特征可以从几何线框、实体模型、实体面、曲面或者NURB曲线中创建。

(1) 从实体模型创建特征

实体模型是创建特征的理想选择，因为它们有关于工件形状和体积的完整三维信息。ESPRIT允许选择整个实体模型或者实体模型上的单个子元素，例如端面、环面和边界。

允许输入实体模型、实体面、实体环面或者实体边界的特征如表1所示。

表1 接受实体模型作为输入的特征汇总

(2) 从几何线框创建特征

允许从2D/3D几何线框、NURB曲线或者曲面创建的特征，如表2所示。

表2 接受几何作为输入的特征汇总

1.2 知识库技术

加工工艺包含一系列可一次性应用的加工操作，可根据需要包含尽可能多的不同操作。例如，可创建包括锪孔、钻孔和攻丝步骤的钻孔工艺和包括平底镗孔和钻孔步骤的其他钻孔工艺。加工工艺的配置完全由用户自定义，仅有的限制是所有操作必须在相同加工模式内，如铣削，车削或线切割。

工艺知识库最快且最简单的应用是设置工厂用刀具、切削方式、基于切削系数预定义的切削转速和进给率以及在操作和技术页面其他的预定义默认设置。当在知识库中设置好工厂数据后，企业里任何工艺人员都可以访问当前ESPRIT进程内的该数据，所有加工操作都使用相同的数据，可以巧妙降低创建加工操作时人工误操作的风险。

ESPRIT中工艺知识库的设置如图2～图5所示。图2中设置企业所使用的铣刀和车刀，可以在任何技术页面中打开刀具管理器以便选择刀具；图3中自定义铣削、车削、车铣复合加工和线切割操作的默认设置，如果在ESPRIT文档中选择默认技术组，当打开技术页面时自动加载已定义设置；图4中根据企业生产产品加工模型特征设置对应的加工工艺方案，包括特征类型、加工刀具、切削参数、加工策略等参数，常规加工方案有孔加工(预钻、钻孔、扩孔、铰孔、镗孔等)、型腔加工、平面加工、螺纹加工等；图5中设置加工用刀具切削标准、切削材料类型、切削方式、刀具材料等各种标准，然后基于上述标准设置转速和进给率。使用系统提供的计算类型或使用内嵌转速/进给率计算器计算各种不同刀具直径和切削深度对应的转速和进给率,并以数据图的方式直观表示转速/进给率值域，且可以直接在图形中调整数据。

图2 刀具设置

图3 缺省工艺设置

图4 专用工艺设置

图5 切削参数设置

工艺管理器可以针对加工特征包含尽可能多不同的切削操作，甚至各种不同类型的操作(轮廓加工、型腔加工、钻孔等)。全部工艺都可应用于特征且可保存为将来使用，可创建包含一系列复杂操作的加工工艺，也可创建相对简单的加工工艺以节省时间。

在ESPRIT中，可在工艺知识库中创建和保存加工工艺或使用工艺管理器直接在ESPRIT中创建，使用工艺知识库的优势在于可以使用自动特征识别功能。使用工艺知识库编程和传统工艺对比如表3所示。

表3 加工工艺比较

在工艺知识库中可以设置用户自定义工件类型和与其关联的默认加工工艺。默认加工工艺设置使ESPRIT中的加工操作创建完全自动化。

2 应用案例

某航空产品配件如图6所示，毛坯材料为6061铝块，加工刀具材质为硬质合金，主要加工工艺包括面铣削、型腔铣削、钻孔加工。

图6 某航空产品配件

在ESPRIT中选择创建特征工具创建如图7所示的孔特征、型腔特征、岛屿特征。

图7 加工特征设置

在编制刀轨之前应先进行知识库基本设置，否则知识库的基本数据链接不到工艺管理器中，设置包括部件类型、主轴转速、加工材料类型、加工材料条件、Z轴进给系数百分比、缺省技术组等内容，如图8所示。

图8 加工特征设置

选中相应的加工特征之后，在ESPRIT中选择工艺管理器功能图标，弹出的工艺管理器对话框如图9所示。在对应的特征设置栏中显示相应的特征类型、工艺名称，在工艺步骤设置栏中显示直接生成的对应加工工艺，相关设置数据均来源于前期知识库中相应的设置，直接确认即可生成相应加工特征刀轨，结果如图10所示。添加机床模型，仿真加工结果如图11所示。

图9 工艺管理器

图10 加工刀路

图11 仿真结果

产品按照传统加工工艺与知识库加工工艺加工后，局部加工效果如图12所示，对比可以看出传统工艺加工表面比较粗糙，采取知识库加工工艺加工表面比较光滑。

(a) 传统加工工艺

3 总结

知识库技术的快速发展为实际智能化加工提供了保障，通过建立产品加工工艺知识库，能有效地实现通用产品的智能化、快速化编程。

构建加工特征案例库是实现产品快速智能化编程的关键，通过案例的调用，采用继承和完善的方法可快速获取所需的规范工艺及程序。

知识库具有案例库、刀具库、工艺参数库和操作参数库等多个基于知识工程的知识库，并且可以进行更新、维护等操作。智能化的自动编程过程极大地减少了人工干预，从而降低了编程过程的差错率，有效地提高了编程的效率和质量，具有广泛的推广前景。