（机械制造及其自动化专业论文）基于特征的刀具路径的生成.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 随着科学技术的迅速发展，数控领域的制造技术也有了质的飞跃。从原 来的基于点、线、面的低级加工向基于特征的更高级别的加工方法发展。 s t e p - n c 作为一种新型的数控加工的标准，在这点上与基于特征的加工方法 上有着相似的地方。如果能将两者很好的结合起来，对提高数控加工效率和 操作的便宜性方面无疑是有着重要意义的。因此，如何把基于特征的加工方 法和s t e p - n c 标准结合起来，成为目前数控加工方法研究方面的重点。 本文针对如何联系基于特征的加工与s t e p n c 标准做了初步尝试。具 体研究了以下内容： 首先，在获取s t e p - n c 标准中的数据信息后，将信息的数据格式进行 分类。工艺参数信息以a c c e s s 数据库格式进行保存，几何信息以文本格式 进行保存，最后通过数据库编程技术实现对数据信息的提取。 其次，采用基于特征的加工方法，给出了一些典型加工特征的刀具轨迹。 并重点对带岛屿型腔结构的刀具路径的优化提出了修正的新算法。新算法可 以减少加工过程中抬刀次数。同时，为了保证理论计算的刀具路径可用于加 工，加入刀具路径后置处理准则，对刀具轨迹进行偏置处理得到更加优化的 刀具路径。为了应对可能出现的加工刀具不匹配的情况，对刀具的自动匹配 也做了初步研究。以粗加工为标准，最大刀具直径为参考，给出选取最大刀 具加工直径的算法。 最后，对于数控文件的生成，参考目前应用比较广泛的大型三维软件生 成数控文件的方式，给出基于编程方法的数据对比算法。该算法通过对每次 加工信息的比较来生成指定格式的数控文件。 关键词：刀具路径；s t e p - n c ；数控加工 哈尔滨下程人学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c e ，m a n u f a c t u r et e c h n o l o g ya l s oh a d 狃 e s s e n t i a li m p r o v e m e n ti nt h en u m e r i c a lc o n t r o lf i e l d t h em a c h i n i n gw a yw a s d e v e l o p e dt ot h ea d v a n c e da n dn e ww a yf r o mt h eo l dm a c h i n i n gs t y l e ，w h i c hw a s b a s e do nt h ep o i n t ，l i n e ，p l a n e s t e p n ca san e ws t a n d a r di nn cm a c h i n i n g f i e l d s ，h a dv a r i o u ss i m i l a rf a c e t sw i t ht h em e t h o db a s e do nf e a t u r e ，i fw ec o u l d u n i t et h e s et w of a c e t sw e l l ，i tw o u l dh a v ead e e pm e a n i n gf o re n h a n c i n g m a c h i n i n ge f f i c i e n c ya n do p e r a t i n ge a s i l y f o rt h i sr e a s o n ，h o wt oc o m b i n e s t e p - n cw i t ht h em e t h o db a s e do i lf e a t u r e ，h a db e e na l li m p o r t a n ta s p e c ti nt h e n cm a c h i n i n gr e s e a r c hf i e l d s m ym a j o rw o r kw a sf o c u s e do nt h ep o i n t ，w h i c hh o wt oc o m b i n et h e f e a t u r e m e t h o dw i t hs t e p - n c ，f o rt h i sr e a s o n ，ih a dd o n es o m e ，t h ed e t a i l e d c o n t e n t sw e r ei n c l u d e dt h ef o l l o w i n g ： f i r s t l y , a f t e rg e t t i n g t h ei n f o r m a t i o nf r o ms t e p - n c c l a s s i f y i n gt h e i n f o r m a t i o na c c o r d i n gt ot h ed a t af o r m a t t e c h n i c a li n f o r m a t i o nw a ss a v e da st h e f o r m a to fa c c e s sd a t a b a s e g e o m e t r i c a li n f o r m a t i o nw a ss a v e da st h ef o r m a to f t e x t t h e n ，t h r o u g ht h ed a t a b a s ep r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y , c o m p l e t e dt h et a s ko f p i c k i n g u pt h ed a t ai n f o r m a t i o n ； s e c o n d l y , t h ef e a t u r e m e t h o dw a sa d o p t e dt o d e s c r i b es o m et o o l - p a t h so f t y p i c a lf e a t u r e ，e m p h a s i z e do nt h ep o c k e tw i t ht h ei s l a n df e a t u r e ，i m p r o v et h e a r i t h m e t i co nt h et o o l p a t hp r o g r a m m i n g ，o p t i m i z e dt h et o o l p a t h i tc o u l dr e d u c e t h et i m e so fr a i s i n gt h et o o ld u r i n gt h em a c h i n i n g a tt h es a m et i m e ，f o rt h e t 0 0 1 p a t hw h i c hw a sc a l c u l a t e dc o u l dw o r ki nt h em a c h i n i n g ，j o i n i n gi nt h er u l e o fp o s tp r o c e s s i n gr u l eo ft h et o o l p a t ht oo f f s e tt h et o o l p a t h ，t h e n ，ab e t t e r t o o l - p a t hc o u l db ea c q u i r e d f o rr e p l y i n g t h es i t u a t i o nw h i c ht o o l sd i dn o t m a t c h i n gw i t ht h eo n et h a tw a sa p p o i n t e d t h ea u t o m a t c h i n go ft o o lw a sa l s oa 哈尔滨t 程大学硕+ 学何论文 f a c e ti nt l er e s e a r c h t o o kt h ew i d em a c h i n i n ga st h es t a n d a r d 1 a r g e s td i a m e t e ra s t h er e f e r e n c e ，g a v eo u ta na r i t h m e t i co f g e t t i n gt h el a r g e s tt o o ld i a m e t e r ； a tl a s t ，f o rc r e a t i n gt h en cf i l e s r e f e r e n c e dt h em o d eo ft h r e e d i m e n s i o n a l s o f t w a r ew h i c hw a su s e dw i d e l y , t ob u i l dt h en cf i l e s g i v ea na r i t h m e t i cw h i c h t h r o u g hc o n t r a s tt h ed a t a ，b u i l d i n gt h en o r m a lf o r m a tn c f i l e s k e y w o r d s ：t o o l - p a t h ；s t e p n c ；n cm a c h i n i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：z 夕谚年月， 日 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 伴随着数控机床的产生，数控技术的发展非常迅速，由于计算机技术的 广泛应用，数控系统由原先的硬连接数控发展成为今天的计算机数控( c n c ) 。 尽管计算机技术已经应用于c n c 系统中，但是，现代化的加工生产却对其 提出了更高的要求。系统之间不兼容、编程困难、智能化程度低等诸多问题 已经开始成为现代化生产以及数控技术本身的发展的障碍。与此同时，人们 逐渐意识到数控系统一直采用的g m 代码( i s 0 6 9 8 3 ) 已不能适应现代化加工 生产的需要。这种基于直线和圆弧的低级加工方式限制了c n c 系统的开放 性和智能化发展，同时也使得c n c 与c a x 技术之间形成了瓶颈，严重阻碍 了机械制造业的发展。 为此，国际上正在研究和制定一种新的数控系统编程数据接口规范即 i s 0 1 4 6 4 9 ( s e t p - n c ) ，其目的是建立一种可以通用于各种系统中的中性机制， 能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，将 各个工业领域产品信息进行标准化。s t e p - n c 的出现将无疑是数控技术领域 的一次突破性的改革，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的 影响。 自从上世纪5 0 年代初，数控技术经历了五个阶段的大发展，无论在硬件 和软件结构上，还是在功能、速度、精度及可靠性等方面，当今的数控加工 技术都达到了相当高的水平。譬如，在五轴联动的加工中心，对一个复杂的 零件只需一次装夹就可精确地完成加工任务。但是，随着现代制造技术不断 发展的需要，对数控加工技术的研究和开发提出了新的要求。除了在传统的 数控体系结构的基础上，继续追求高精度、高速度、高可靠性、高自动化、 智能化等外，目前，数控技术正由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放 式实时动态全封闭式闭环控制模式发展瞄j 1 。 尽管数控加工技术在硬件、软件等方面取得了很大的成就，但是在当前 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的数控领域里，从数控加工的基本概念和理论上来看，现代数控技术仍然沿 用其最初的传统控制模式，其特点是：刀具轨迹计算和刀具轨迹控制相分离 的控制模式。实际上，传统数控加工的过程是分两步完成：第一步计算刀具轨 迹，这是由数控编程系统离线完成的，刀具轨迹以刀具位置文件( c u t t e r l o c a t i o nf i l e ，c f l ) 格式输出；第二步是切削过程的数字控制，它是在c n c 系 统内实时处理完成的，刀具中心轨迹控制指令为输入，控制切削刀具按指令的 运行规律移动，完成切削，在整个切削过程中，刀具移动轨迹是不可改变的。 这种传统的数控编程接口是i s 0 6 9 8 3 。 g m 代码具有很大的局限性，它仅局限于定义刀具运动轨迹和简单的开 关操作，这导致数据在c a d c a m 系统和c n c 系统间传递过程中大量数据 有用信息丢失。概括起来，g m 代码有如下的主要缺点： ( 1 ) 使用g m 代码编写的数控程序仅包括了c a d c a m 系统中的一部 分信息，一些信息在传递和交换中丢失了，如零件的几何形状、零件材料、 公差和精度信息等等，这使得c n c 仅仅是一个执行机构而没有自主性和智 能性； ( 2 ) 只能完成一些简单的直线和圆弧插补，不能提供更复杂的加工功 能，例如样条插补功能； ( 3 ) g 从代码和它的扩展部分在不同数控机床和计算机辅助系统( c a x ) 之间不能进行双向数据交换，制造过程中下游的信息不能反馈给上游，难以 实现c a d c a m 和c n c 系统之间的信息集成； ( 4 ) 机床上不能实现实时刀具自动路径生成、碰撞检验、图形加工可视 化和复杂n c 程序修改等功能； ( 5 ) 由于厂商和最终用户开发的许多扩展功能未能标准化，因此n c 程序 在不同的数控系统之间不具备互换性h 1 。 1 2 刀具路径生成方法的国内外研究现状 刀具路径是刀具切削点沿工件表面移动所应遵循的路径，是生成刀具运 动轨迹的基础。刀具路径规划解决如何根据数控系统的输入信息，如被加工 零件的几何信息、工艺信息等，求解刀具路径表达式，并确定其有关参数。 2 哈尔滨_ 程人学硕十学位论文 多坐标数控) j it - 刀具轨迹计算是数控编程的基础和关键，近年来，国内外许 多学者和工程技术人员对此进行了大量的研究工作，针对不同的加工对象提 出了许多实用的计算方法，并得到了广泛的应用。 1 2 1 国内的研究现状 一种较好的刀具轨迹生成方法，不仅应满足计算速度快，占用计算机内 存少的要求，更重要的要满足切削行间距分布均匀、加工误差小且分布均匀、 走刀步长分布合理、加工效率高等要求p 1 。目前，国内比较成熟的刀具轨迹 计算方法有以下几种： ( 1 ) 参数线法适用于曲面区域加工编程； ( 2 ) 截面线法( 平行截面或回转截面) 适用于曲面区域、组合曲面及曲面 腔槽的加工编程； ( 3 ) 交线加工算法适用于曲面交线区域及曲面过渡区域的加工编程； ( 4 ) 曲面腔槽加工算法适用于曲面腔槽的加工编程； ( 5 ) 曲面通道加工算法适用于曲面通道的加工编程峥1 。 由于虚拟轴机床上不存在沿固定方向导向的导轨，数控加工所需的刀具 运动轴x 、y 、z 、a 、b 、c 等并不真正存在，不能对其进行直接控制，而 直接可控的为支撑主轴单元的驱动杆的位置，即该机床的实际运动轴。因此， 要对刀具运动进行精确控制，需通过虚轴空间到实轴的映射并借助对各驱动 杆的联动控制来实现。而这种虚、实轴空间的映射关系为一种复杂的非线性 关系，并且实轴空间的运动存在深度祸合，因而使得虚拟轴机床的联动控制 比常规数控机床中的多轴联动控制复杂。 无论刀具路径是由哪一种方法产生的，最后刀具路径都是通过一系列的 直线逼近的。曲线的直线段逼近是通过逼近误差控制步长来实现的，而相邻 的两条路径的行间距由残留高度来控制。由于自由曲面的复杂性，所以刀具 轨迹优化一直是数控编程研究的一个热点。无论刀具路径是由哪一种方法产 生的，最后刀具路径都是通过一系列的直线逼近的。曲线的直线段逼近是通 过逼近误差控制步长来实现的，而相邻的两条路径的行间距由残留高度来控 制。由于自由曲面的复杂性，所以刀具轨迹优化一直是数控编程研究的一个 热点川。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对于走刀模式的选择，以前通常是凭借技术工程人员的经验来选择，目 前常用的走刀模式包括：平行走刀( 行切) 、等高外形走刀、曲面流线型走刀， 射线状走刀、螺旋走刀、残料清角。自由曲面数控加工中广泛应用的刀具轨 迹拓扑结构有行切走刀模式、环切走刀模式以及螺旋走刀模式。在进行自由 曲面的数控l j - r 时如何确定一种合理的走刀模式，始终是人们不断探讨的热 点。目前大型的商用c a d c a m 软件如u g 软件是这一技术发展得比较成功 的软件之一，它起源于美国麦道飞机公司，以c a d c a m c a e 一体化而著称， 目前己广泛应用于航空、航天、汽车、通用机械等领域。其c a m 模块尤其 出色，在同类软件中处于绝对领先地位，它提供了一种交互式的编程工具， 可计算生成精确可靠的刀具加工轨迹，是一个功能强大的计算机辅助制造模 块。目前，这一技术已成功应用于模具及零件的制造过程，为企业带来了极 高的加工质量及可观的经济效益。很多加工制造类的企业都很以来这些3 d 的c a d c a m 系统来完成设计和加工制造任务降1 。但他们都存在共同的缺点 时，人为参与因素比较严重，自适应性和柔韧性比较差，针对它的缺点我们 试图去研究一种刀具轨迹规划系统，通过减少人为的干预，实现真正的自动 化。 1 2 2 国外的研究现状 国外对于刀具路径规划的研究要早于我们，他们基本已经开始了基于特 征的刀具路径的研究工作。其基于特征的设计方法目前已成为实体加工方面 的核心技术【9 1 。特征加工使数控编程人员不在对那些低层次的几何信息( 如： 点、线、面、实体) 进行操作，而转变为直接对符合工程技术人员习惯的特征 进行数控编程，大大提高了编程效率。 w r m a i l 和j m c l e o d 在他们的研究中给出了一个基于特征的n c 代码生 成子系统，这个系统的工作原理是：零件的每个加工过程都可以看成对组成该 零件的形状特征组进行j j n - r 的总和。那么对整个形状特征或形状特征组分别 加工后即完成了零件的加工。而每一形状特征或形状特征组的n c 代码可自 动生成。目前开发的系统只适用于2 5 d 零件的加工。l e ea n dc h a n g 开发了 一种用虚拟边界的方法自动产生凸自由曲面特征刀具轨迹的系统。这个系统 的工作原理是：在凸自由曲面内嵌入一个最小的长方块，这样凸自由曲面特征 4 哈尔滨t 程人学硕士学何论文 就被转换成一个凹特征。最小的长方块与最终产品模型的合并就构成了被称 为虚拟模型的一种间接产品模型。刀具轨迹的生成方法分成三步完成：( 1 ) 切 削多面体特征；( 2 ) 切削自由曲面特征；( 3 ) 切削相交特征。 j o n g j u i l g 研究了基于特征的非切削刀具轨迹生成问题。文章把基于 特征的加工轨迹分成轮廓加工和内区域加工两类，并定义了这两类加工的切 削方向，通过减少切削刀具轨迹达到整体优化刀具轨迹的目的。文章主要针 对几种基本特征( 孔、内凹、台阶、槽) ，讨论了这些基本特征的典型走刀路 径、刀具选择和加工顺序等，并通过i p ( i n t e rp r o g r a m m i n g ) 技术避免重复走刀， 以优化非切削刀具轨迹。另外，j o n g y u n j o n g 还在他的博士论文中研究了制 造特征提取和基于特征的刀具及刀具路型1 0 1 。 1 3 课题的研究的主要内容 本文主要在从s t e p n c 标准下的a p 2 3 8 文件中提取到几何信息和工艺 信息的前提下，来制定几何信息和工艺信息的数据文件的格式，方便后面进 行各种特征的刀位点的计算和加工文件的生成。另外，对几种典型的加工特 征( 孔、平面、型腔) 进行了刀位点的计算，并生成其刀具路径轨迹。尤其对 带岛屿型腔特征的刀具路径算法进行了改进并生成了更为优化的刀具路径轨 迹。最后，依据数控加工文件中各个特征字的标准格式，提出了一种可行的 生成数控加工文件的编程方法。具体的研究内容如下： ( 1 ) 对提取出来的信息进行信息分类，采取类似于a p 2 3 8 文件中对特征 的描述方式对提取的信息进行数据格式定义； ( 2 ) 给出几种特征( 孔，平面，型腔) 的刀位文件的计算方法，重点针对 目前型腔加工中带岛屿型腔结构的刀具路径规划方法进行了改进研究，并在 已有的成型的加工算法的基础上，给出了一个改进的可行的型腔结构的算 法： ( 3 ) 为了去除算法计算出的刀具轨迹中可能存在的干涉轨迹，制定针对 本算法的后置处理准则来完善加工刀具轨迹。同时，为了应对不存在指定刀 具的问题给出刀具匹配的算法； ( 4 ) 总结各种数控代码生成方法，参考目前应用比较广泛的大型 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c a d c a m 软件中数控模块里的自动生成代码的方式，结合本课题中的数据 格式的特点，给出一种可实现的编程方法来实现数控代码的生成。 6 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 第2 章数据格式定义 本章将对如何将新型标准与基于特征的刀具路径生成方法相联系进行研 究。研究的前提是在获得提取到的加工信息后，通过定义其数据格式来实现 对加工信息的操作。旨在通过定义的数据格式，来联系标准中的信息与加工 中需要的信息。 2 1 数据文件格式制定的参考依据 由于s t e p - n c 标准下的a p 2 3 8 文件所包含的各种信息无法直接用来进 行操作，对于a p 2 3 8 文件的信息提取以及对提取到的信息制定一定的规范就 成为完成联系s t e p n c 标准和基于特征的加工方法的一个纽带。由于本次 论文是在获得从a p 2 3 8 文件中提取到信息的前提下进行的，所以，这里对提 取到的各种信息进行分类和格式制定，以实现后面的加工操作。同时，为了 保证制定的格式的通用性，这里按照a p 2 3 8 文件中对于几何实体的描述和工 步信息的定义方式来制定相似的数据文件格式，以使后续研究中对于如何将 s t e p - n c 标准中的数据与特征加工中需要的信息进行统一更加简化。 由图2 1 所示a p 2 3 8 文件中的几何信息是保存在a p 2 0 3 和a p 2 1 4 文件 中的【1 。i s 0 1 0 3 0 3 2 3 8 ( a p 2 3 8 ) 是s t e p - n c 的应用解释模型挖3 1 。所以制 图2 1a p 2 3 8 文件的组成 定几何信息的数据格式要参考a p 2 0 3 和a p 2 1 4 中的定义模式。而一些工艺 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 信息主要保存在a p 2 2 4 文件中，所以，工艺信息的定义模式要参考a p 2 2 4 中的定义模式。 在a p 2 0 3 中对于几何信息的定义，主要是通过环中包含线，线中包含点 的定义方式，同时，还要对直线的方向进行向量描述。考虑到以上关于几何 信息的定义标准。对于提取的几何信息，按照类似的方法进行定义。例如， 对于封闭结构采用轮廓环的定义来描述，而轮廓环下的直线则通过两点坐标 和直线的方向向量来进行表示。这样，就会使制定的数据格式和文件中的几 何信息格式具有相似性，便于两种信息之间的转化。 2 2 信息的数据格式定义 2 2 1 数据格式分类 为了方便生成刀具路径文件，这里把从a p 2 3 8 文件中提取出来的各种信 息进行分类，大体可以分为两类： 几何信息：主要记录加工工件上的各种特征相对于工件坐标系的坐标值， 以及表示直线的方向向量； 加工信息：主要包含a p 2 3 8 文件中已经规划好的工步信息、工艺信息、 机床信息和相应各种加工特征所采用的刀具型号信息。 这罩之所以要将所提取的信息进行如上的分类，主要是考虑到在已经生 成好的a p 2 3 8 文件中，已经对加工工步信息做了制定。加工工步中包括特征 的分解和选取以及最后的特征的排序4 1 。加工过程应当按照加工工步的要求 来进行加工，因此，n i 信息必须按照从a p 2 3 8 中提取的工步信息和工艺信 息来执行。而几何信息，主要是针对加工过程中生成加工刀位点而言的，因 此，将几何信息单独提取出来有利于单独与算法结合生成最后的特征刀位文 件。 2 2 2 定义数据文件格式 由于从a p 2 3 8 文件中提取出来的几何信息主要是各个特征上的点的坐 标值和方向向量，而且在加工过程中都是以工件坐标系为基准，因此，提取 的几何信息都是以工件坐标系的原点作为参考来记录各个点的坐标值。考虑 8 哈尔滨t 挥人学硕十学何论文 到以上这些因素，为了更方便的生成特征的刀位文件，几何信息以文本文件 的格式来输出，文本文件中以点和方向向量来对特征中的直线和圆弧进行描 述。这里结合实例工件示意图2 2 来说明各种信息的定义。 2 2 2 1 型腔的几何信息文件格式 1 公共信息定义 d ：刀具的直径；任何刀位点的计算都需要结合所选用的刀具来配合计 算，为了计算型腔的刀位轨迹，在信息提取阶段就将工步里设定的刀具的直 径值读取出来作为几何信息的一部分； n ：构成特征的直线和圆弧的个数；提取这个参数的目的是为了在读取 文本文件信息时便于设置循环的次数； i n ：轮廓环的个数；关于轮廓环的定义在后面将会有具体的定义，这里 定义轮廓环的个数是为了方便后面对轮廓环进行判断； y m a x ：特征平面内纵坐标最大值；单独提取特征平面内的这个最大纵 坐标值是为了控制所有操作都能在特征平面的有效范围内进行； 2 直线描述信息的基本格式 编号，第一点x 坐标，第一点y 坐标，第二点x 坐标，第二点y 坐标，方 向x ，方向y ，直径； 编号：就是对各个直线和圆弧进行的自动编号； 坐标表示的定义：这里分别用了第一点x 坐标；第一点y 坐标；第二点 x 坐标；第二点y 坐标；是将一条直线按照起始点( 第一点) 和结束点( 第二 点) 来进行描述的： 向量表示定义：这里用了方向x 和方向y ；特征中的直线和圆弧都是 有方向的，在这里为了方便表示直线的方向，将向量分解为水平和垂直两个 方向的向量；当直线为水平时，方向x 值为1 ；当直线为垂直时，方向y 为 1 ，当为斜线时，x ，y 都有具体的值，这里还要提到方向的表示方法，定义 直线沿顺时针方向为正向量，直线沿逆时针方向为负向量；圆弧的方向判断 和直线的一样，顺时针对应正向量逆时针对应负向量；这样可以和加工g 代 码中的顺、逆圆加工相对应； 圆心坐标定义：为了使定义的数据结构尽量简单，把圆心坐标定义整合 9 哈尔滨工稃大学硕十学位论文 到直线定义的结尾，这样当读取的是直线信息时，对应结尾的圆心坐标值为 o ；而当读取到的是圆弧信息时，对应直线坐标值为零，这样就可以区分读取 到的是直线还是圆弧特征了： 3 轮廓环的信息描述 轮廓环的定义：我们把特征平面内的一个完整的封闭的特征( 直线或圆弧) 集合称之为轮廓环；。 轮廓环信息描述的基本格式： 编号，起始特征，结束特征； 编号：这里为了和直线和圆弧特征区别，在特征标识前加上“h ”以示 区别； 起始特征：这里主要是用来记录一个轮廓环由哪些特征直线或者是特征 圆弧组成，起始特征记录的就是该轮廓坏的第一个直线或圆弧特征； 图2 2 加工工件数据图示 结束特征：和起始特征相对应，结束特征记录的就是轮廓环的最后一个 直线或圆弧特征；因为圆弧特征都是作为一个环特征来定义的，所以在记录 圆弧特征的起始和结束特征时，他们的值是相同的。图2 3 所示就是完全按 1 0 照上面所述进行定义的。 幽2 3 型腔数据文件格式 2222 孔特征的几何信息文件格式 由于孔特征本身是各种加工特征中被普遍应用而且定义简单的特征之 一，所以在这里也将孔特征的几何信息进行简单的定义。 孔特征信息定义的基本格式： 编号，圆心x 坐标，圆心y 坐标，孔直径，孔深f z ) ，刀具编号 编号：这里根据加工工步中定义好的加工顺序来给孔特征进行编号； 圆心坐标：出于孔加工需要的参数较少而且不需要定义方向，所以这旱 只提取其圆心坐标就可以实现孔加工操作； 孔直径：加工孔的直径大小： 孔深( z ) ：孔的加工深度主要指其在与加工坐标平面相垂直的z 平面的坐 标值； 刀具编号：由于孔加工过程中会根据被加工孔特征的变化而出现频繁的 换刀过程，因此，为了简化后面数控加工文件的生成，在几何信息中针对不 同的孔特征直接提取其对应的加工刀具的编号； 啥尔滨工程大学硕士学位论文 如上图2 2 中所示，加工工件上工有5 个孔分别是型腔方台上的四个孔 和圆柱突台上的一个孔，按照定义的信息格式写成文本文件的格式如下图2 4 所示： 文件编辑固格式魍) 查看凹帮助凹 圈2 4 孔信息的数据格式 图2 4 给出了工件实例上的孔的信息定义，对孔特征进行加工时按照此 数据格式来进行加工。 22 23 平面特征的几何信息文件格式 平面特征是加工过程中最基本的加工方法，一般用在完成从毛坯件到加 工工件的粗加工和最后工件平面的精加工过程中，这里用来完成型腔加工过 程中的开始粗铣过程，其刀位文件的计算方法可仿效型腔加工的方法来进行 计算，因此，其数据文件的定义也可参照型腔数据文件的格式来进行描述。 平面特征的几何信息表示格式如下： 公共信息段： 粗精铣标识； 刀具直径； 粗精铣标识：由于平面铣削过程包含粗铣和精铣两种加工方法，所以， 这里加入此标识来让程序能够识别加工的性质，针对提取的标识不同采取的 加工步长会相应的有所改变： 1 粗铣步长计算公式：l = 0 5 d ； 2 精铣步长计算公式：l = 0 7 5 d ； 刀具直径( d ) ：提取此参数用来进行步长的计算； 会! m m 瑚娜鹭嚣即巩叫叩 盱儿砷凹” 哈尔滨工程大学硕士学位论文 直线特征描述段： 编号，第一点x ，第一点y ，第二点x ，第二点y ，向量x ，向量y 编号：和型腔加工中编号用途一致； 第一点：同样采取坐标加向量的表示方法来描述各条线段，此为起始点 坐标： 第二点：此为线段的结束点： 向量：同样采取顺时针为正向量，逆时针为负向量的原则来定义直线方 向同样以图2 2 中的加工示例来定义平面粗铣的数据格式，如图2 5 所示： 立件。蝙辑 格式查看帮助 1 6 3 口 1 ，0 ，0 ，4 0 ，日，1 ，0 2 ，j - 0 0 。4 0 。3 0 ，0 ，1 3 ，l 0 3 0 ，0 ，3 日，一1 ，0 4 ，0 0 ，0 ，3 0 ，0 ，一1 凹2 5 平面特征的数据格式 2 3 定义a c c e s s 数据文件及信息提取 这里只对几种比较简单的加工特征进行工艺信息的分类和定义。特征按 照上一节中的几何信息的定义分为：平面特征，型腔特征和孔特征。 每个特征下的工艺参数主要分为如下几个模块： 特征参数：主要包括了各个加工特征的所采用的刀具信息，工艺参数， 和配合加工过程的机床功能设置； 加工刀具：主要包含了，针对某个特征所选用的刀具的各种参数设置； 工艺参数：主要包含加工过程中的各种刀具的转速和进给速度； 机床功能：记录一些简单的机床辅助功能信息； 进退刀策略：包含一些常用的下刀策略供操作者选用； 由于工艺信息的重复利用率很高，而且提取的工艺信息的数据格式将直 哈尔滨工程大学硕士学位论文 接和程序相连接，因此，将所有的工艺信息部分定义成a c c e s s 数据库的格 式来和程序相连接将各种工艺信息以数据表的格式保存并进行相应的提取， 具体的数据表格式如图2 6 所示： 筹刮善“是曩黑爱曩愚愚愚曩胃_ 曩易 a 帆 ” 】 i 镕*1 0 0 1 蛐 a 目 2 掣! 靛w 2 0 o ol 三竺蔓一# ：搦：搿戮： 竺“1 口h 葡五r i 黝岛秘蠕鞫锺磷蠢嘲j 图2 6 工艺参数数据表 具体的工艺信息的提取工作主要依靠v c 下的m f c 编程框架来，应用数 据库编程技术和对话框编程技术来实现”5 ”1 。下面给出方法的结构框图如图 2 7 所示： 图27 信息提取结构框图 主要的实现方式和采用的方法介绍如下： 整个工艺信息提取模块分为两大块，分别是特征模块和辅助信息模块。 特征模块主要是依据a p 2 3 8 文件中加工工步的信息，其以特征为单元进行工 序排定的，所以在提取工艺信息的时候也要按照这种以特征为单位的提取方 哈尔滨工程大学硕士学位论文 法，分为平面特征，型腔特征和孔特征。辅助信息模块主要是在选定了提取 的特征基础上对加工中需要的工艺和机床辅助信息进行提取来配合特征提 取。接下来将给出部分图示对信息提取模块进行说明。 如图2 8 所示在选中平面信息提取模块后，可以通过机床功能的辅助信 ( 曲平面特征( b ) 机床功能( c ) 进退刀策略 图2 8 平面特征的提取模块 息提取模块进行机床辅助信息的设置，在选定好机床功能后还可以进行加工 刀具的下刀策略，通过这些操作完成对平面特征加工信息的提取。 图2 9 所示为型腔结构的工艺信息提取示意图，区别于平面特征只需要 知道轴向切削余量，型腔结构还需要知道侧面和地面加工余量来完成加工， 同样，型腔加工也需要辅助加工信息，这是所有加工特征都需要的，为了方 便辅助信息模块的提取，将各种加工特征所需的辅助信息进行统一制定，这 样可以简化数据文件的结构。当需要加工比较复杂的型腔结构时，由于型腔 结构内的岛屿数量增多，会多次提取对特征加工的辅助信息，通过制定统一 格式的辅助信息，可以大大减少特征数据表的个数，使加工能够在统一的标 准下进行。 ；器嚣。”。” d 亭q p g # 障旷 自p 鐾面m1 5 譬5 2f ( a ) 型腔特征( b ) 机床功能 ( c ) 进退刀策略 图2 9 型腔信息提取模块 图2 1 0 为孔特征的信息提取模块，和前两种特征类似，孔特征也是由基 本加工信息和辅助工艺信息两部分组成。 ( a ) 孔特征机床功能( c ) 进退刀蘸略 图21 0 孔特征的信息提取模块 如图2 1 1 所示为刀具信息提取模块，对刀具信息的提取主要针对如下几 立件凹精拉童看o 。帽肋蚴工艺信息提取 dc 毒qr 、i ，o 冒 名称屠面瑶豆r - m “”r 目r 一 刀具材料犀荫科一 * 匦r 一 日 # 阿一 刀 刀 直径匝广一 竺! 竺!i m争2 图21 l 刀具信息提取模块 个参数：刀具直径、刀具材料、刀具全长、刀具齿数和切削刃的长度。由于， 只是一个加工模型，这里仅取这些常用的刀具参数作为提取对象。另外，加 工过程中最容易出现的一个问题就是刀具的匹配问题，在制定加工工艺阶段， 刀具的选取和加工方案的制定完全是在一种理想化的条件下进行，不存在刀 具库中刀具不全或者刀具损坏的情况，为了解决加工方案与实际加工中存在 的这种矛盾，需要一个刀具匹配模块在刀库中刀具和方案指定刀具存在差异 的时候，进行协调来完成整个加工过程。 如图21 2 所示为刀具的匹配模块，刀具匹配模块的作用主要是在提取到 的刀具直径与刀库中的刀具不一致时，通过模块内部已经建好的所有刀具的 刀具信息来和指定的刀具信息进行对比，从中选取一个和指定刀具参数近似 的刀具来完成整个加工过程。这里可以通过人为选取刀具参数的方法来实现， 后面将会提出一种自动对提取的刀具信息与刀库信息进行对比按照最小直径 法自动实现刀具匹配过程的算法。 最后，是加工的工艺参数信息，工艺参数信息主要包括：进给率、切削 兰至鎏王耋銮耋耋圭茎竺鲨三 一 图2 1 2 刀具匹配模块 速度、主轴转速和每齿进给率。这些信息主要提取来用做最后的数控代码生 成阶段的代码参数，如一些辅助代码s , f 等。具体模式如图21 3 所示： | 璺f21 3 工艺参数信息提取模块 以上就是工艺信息模块的提取过程，主要结合加工过程中可能用到的一 些基本参数进行了针对性提取，目的是为了建立一个可行的数据提取方案为 后续更加完善的信息提取工作提供借鉴。 哈尔滨工程人学硕十学位论文 2 4 本章小结 本章首先对a p 2 3 8 文件中的数据描述格式进行了介绍，并对标准中提取 到的信息进行了信息分类，分为几何信息和工艺信息。并将几何信息的数据 格式按照类似与标准中描述特征的方式进行数据格式的定义。将工艺信息以 数据表的格式进行输出。最后应用数据库编程技术对几何信息和工艺信息进 行数据提取。 1 9 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 第3 章加工特征的刀具路径生成方法 本章将针对加工中的几种主要特征( 孔、平面、型腔) 进行相应的刀位文 件的计算。其中，由于孔特征和平面特征( 包含无岛屿型腔特征) 加工的刀具 路径比较简单只给出刀位文件生成方法。重点对带岛屿型腔结构的刀具路径 规划进行了研究，给出了一种改进的新算法来解决如何减少加工过程中抬刀 次数的问题。 3 1 孔及平面( 含型腔) 特征的刀位文件生成 3 1 1 孔特征的刀位文件生成 孔特征作为加工特征中最为简单的加工特征之一，其刀位文件的生成也 相对简单，因此这里首先介绍孔特征的刀位文件的生成。 孔特征的几种加工方式如图3 1 所示： 毳貔凌 方式一 方式二 方式三 ( a ) 孔特征( b ) 孔特征加工方式 图3 1 孔的几种加工方式 图3 1 中所示为孔特征的几种常见的加工方式，加工方式一主要针对的 是孔的粗加工”。在不需要一定精度的前提下，直接找到加工圆心所在的坐 标直接钻孔加工即可。加工方式二是当孔的深度很长超出一次加工的深度范 围时，采用反复走刀来实现加工。加工方式三主要针对的是精度要求比较高 _i i， 哈尔滨工程大学硕十学位论文 的孔特征，采用全程的反复运动来实现高精度的孔特征的加工。这里计算孔 特征刀位文件时忽略掉对精度的要求，只要求能完成孔特征的加工即可。刀 位计算的数值来源主要是上面定义的孔特征的几何信息的文本文件。 首先定义几个计算中用到的参数：h ：孔深度；l ：单位步长；n ：进给次数； 这里1 1 = 1 1 1 ；计算的1 1 值作为计算的孔特征的刀位点的个数，分别定义数组 f i r s t x ，f i r s t y 来保存加工的第一个刀位点，l a s t x ，l a s t y h 来存取下一个 加工刀位点通过计算求得的刀位点的个数1 1 来实现循环输出孔特征的所有刀 位点，并以数组格式输出： ( f i r s t x 1 ，f i r s t y 1 ) ； ( l a s t x 1 l ，l a s t y 1 ) ； ( l a s t x 2 ，l a s t y 2 ) ； 。( l a s t x n ，l a s t y n ) 通过对上面定义的数组的输出，便完成了孔特征的刀位点的计算，下面 给出该算法的流程图如图3 2 所示： 图3 2 孔特征刀位文件生成算法 2 1 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 3 1 2 平面特征的刀位文件生成 平面特征是铣削特征中最普遍的一种加工特征，主要完成的加工任务是 完成具有一定加工深度的整个工件的平面铣削，根据加工目的的不同可以分 为：毛坯件的粗铣加工和成型件的精铣加工u 蚴1 。平面特征的加工方式如图 3 3 所示： ( a ) 单向加工( b ) 双向加工 图3 3 平面型腔的加工模式 图3 3 所示为两种比较常用的平面特征的加工模式口。a 为单向加工，既 每次从一边加工到另一边后都有一个迅速的回刀过程然后从下一点再次完成 一次加工，这样加工的好处是可以使加工过的平面比较齐整，但是，需要在 每次加工过程中都伴随一次回刀过程，大大影响加工效率，因此，本课题将 采用b 图所示的双向加工方法来实现平面特征的加工。另外，由于不带岛屿 的型腔特征的铣削过程和平面特征的铣削过程类似只是加工次数要多些口4 1 。 因此，把无岛屿的型腔特征考虑成特殊的平面特征来对待并选取其加工方式， 无岛屿的型腔特征主要的加工方式如图3 4 所示： ( a ) 轮廓法( b ) 双向法 图3 4 无岛屿型腔特征的加_ = r = 方式 图3 4 所示为两种比较常用的无岛屿型腔特征的加工方法口2 1 。第一种方 法是轮廓加工法，既按照型腔的轮廓外形，采用沿型腔轮廓运动并逐步向中 心缩小的方法来完成型腔加工的。这样的加工方法可以十分准确的完成型腔 轮廓的加工，但是在型腔结构的中心区域会由于加工刀具半径的不同出现重 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 复加工的加工痕迹，影响加工表面的质量。第二种方法类似于平面特征中的 双向加工方法，这种加工方法可以很好的完成加工任务并且不会有重复的加 工痕迹产生，可以保证很好的加工质量。由于要将无岛屿型腔特征整合到平 面特征加工中，所以两种特征的加工如果采用相同的加工方式会使特征刀位 点的计算大大简化，所以在这里平面特征和无岛屿型腔特征都采用双向加工 方法来计算加工刀位点。 刀位点计算的数据来源和孔特征相同，都来自于前面定义的平面特征信 息的文本文件。数据文件的第一个数据是加工类型标识：1 代表采用粗加工， 2 代表采用精加工；对应于粗加工和精加工两种不同模式下加工方式的是两 种步长的计算公式： 粗加工：i = 0 5 d ； 精加工：1 = 0 7 5 d ； 这里d 是刀具直径，在计算完了力n - r _ 的步长后便可以确定两条加工轨迹 之间的距离，通过数据文件中对最大坐标值的提取可以计