（机械设计及理论专业论文）基于二维视图的加工中心自动编程系统的研究.pdf

摘要 本文在a m o c a d 视图的基础上，针对加工中心，开发了面向箱体类零件孔加工的自动编 程系统，对乖蛹二维工程图的标注信息获取特征真实尺寸建立办口工特征、自动工艺现划和自动 生成数控代码等方面做了探索性的工作。 本文分析了箱体类二维工程图的特点，研究了标注与表示特征的图形元素之间的联系，致 力于获取加工特征的真实尺寸建立特征。采用了求解尺寸链的方法获得特征的定位尺寸。并运 用一种新的边搜索标注建立多叉树边对搜索到的标注检查的方法对尺寸链的未知环进行求解。 在工艺规划过程中，本文首先采用决策表的方式确定单个特征的工艺方案，然后再对整个 烈牛的所有工步进行综合排布。在整体工步排序过程中，研究了装夹内工步的排序问题。装夹 内工步属于t s p 问题，本文采用遗传算法进行计算。 本文定义了工艺数据文件的格式。用户可以对工件进行 工工艺规划后写成此缔格式的文 件，系统读入后自动产生数控代码。 在后置处理部分，本文采用替换代码模板中变量的方式实现代码生成。并将数控代码模板 的一个工步循环分为工步初始化部分、工步加工内容和工步加工结柬陕复初始状态三个部分， 使得产生的代码更加准确和简洁。 本文利用v b 开发平台研发了实用软件，最后给出了系统应用实例。 关键词：加工特征：真实尺寸：工步排序：代码生成：尺寸链 a b s t r a c t b a s e d0 i la m o c a d ，an c a u t o m a t i c 即鲫砷堍帮s 劬f o r b o x p a n si sd e v e l o p e a , w h i c h i s 删a tt h em a c h i n i n g 眦t h e 鼎讪咖w o r k o n 倒l 蚀gl t a e l a b e li n f o r m a t i o no ft h e 2 - d i m e n s i o n d r a w i _ i l g w e l lt 0s e t u p l h e m a c h i n i n gc h a v d c t e i s ，a u t o m a t i cp r o c e s sp l a n a n d g e n e r a t i n g t h e n cc o d e a u t o m 甜c a l l y i sd o n e t h ec l 】a 工a c ：t e r so f 2 - d 地垧n 鲡m d r a w i n g 趾ea m l y z ld e e p f o r r e s e a r c h i n gt h e 枷o n s b i p h 婀v 啪 t h eg r a p he l e m e n t sa n dt h e d i m e a l s i o n s t h e n , i n 妇t 0 蓼t l i n g t h er e a ld i m e n s i o mo f m e m a c h i n i n g c b a r a c t e l s , t h ei n f o r m a t i o no ft h el a b e l si su s e dt 0s e tu pt h ec h 趾a c 锄t h eg h l t r a c t l 璐l o c a d o n d i m e n s i o n sa r eo b t a i n e dt h r o u g hc a l c u l a t i n gt h ed i m l 蔓l s i o nj b 赶b y s e l t i n gu pt h ed i n e n s i o nc h a i n a n d c h e c k i n g t h ed i m e m i o ns y n c h r o n o u s l y , t h e 池0 f t b eu n k n o w n l o o p i so b t a i n e d d u r i n g n l ec o u 国e o f p r o c e s sp l a n n i n 舀t t a ep r o c e s sp l a n n i n go f s i n g l ee h 黜- - t e ri sg e tf l r s d y , u s i n g t h es l r a t e g yt a b l e t h m , o r d e r st h e s t e p so f t b e w h o l e p a r tt h eo r d e r i n go f t h es t e p si no n es t a b i l i z i n g g r i pi sr e s e a r c h e d , w h i c h i sat s p p r o b l e m a n dt h e 删ca l g o f i t h m i su s e dt 0s o l v ei t t h ef o r m a to f t h e p r o c e s s d a 吐e 五ki sd e f i n o d a t t e r t h ea r t i f i c i a lp r o c e s s p l a n s t h i s k i n do f 出旺a 五k i s u s e d t o g e n e r a t e s n c c o d 髓a u t o m a t i c a l l y h 1 也e p o 啦芦o c 嘲虹坞p a 坞t h e n cc o d e s i s g e n e r a t e d l t l r o u g h 懿e h n n g i n g t h e v a r i a b l e s m t h e c o d e m n p l a t e t h es i n g l es t e pc y c l e m n ce o c l e t e m p l a t ei s 嘶d e d i n t ot h r e ep a r t s ：t h es t e pi n i f i a l i z a t l o 乌t h e m a c h i n i n g a n d f i n i s h i r l 培t h es t e p b y t b i s w a y , t h e n c c a d 馏o u 啡a r e p r e c i s e a n d c l l i e t h em e s i sd e v e l o p st h ea p p f i c a t i o ns o 出瑚r e 曲gv i s u a lb a s l ed e w l o t m a e n tt o o i s a n da n e x a m p l e i s g i v e n t o 出o w t h e f e a s i b 嘶a n d v a l i d 毋o f t h es y s t e m k e yw o r d s ：r o a c h i n i n gc h a r a c t e r ，t r u ed i r 豫n s i o n ，s t e po r d o r i n g ，c o d eg e n e r a t i o n d ir n e n s i o ne h a i n 基于二维视图的加工中心自动编程系统的研究 1 绪论 1 1 课题的提出及意义 在现代制造业中，为了提高产品的技术性能，提高其在使用中的可靠性，适应小批 量、多品种、更新换代快等特点，引入了数控加工技术。因而，数控机床及其中一员的 加工中心作为一种高效自动化设备受到人们越来越广泛的关注。 数控机床是按照事先编制好的加工程序自动地对工件进行加工的高效自动化设各。 理想的加工程序不仅应保证加工出符合图样要求的合格工件，同时应能使数控机床的功 能得到合理的应用与充分的发挥，以便数控机床能安全可靠及高效的工作。 数控零件加工程序的编制是采用数控机床进行加工的一个重要步骤，编程的效率和 质量对缩短制造周期，保证加工质量有着重要的意义。国内外数控加工的实践证明，数 控机床的停机大约有2 0 3 0 是由于数控编程不及时造成的。可见，数控编程的效 率直接影响数控技术的发展和应用，进而影响生产效率的提高。而手工编制数控加工程 序( 简称n c 程序) 不但枯燥、乏味而且非常繁琐、易出错、指令难记忆，除此之外，对 于复杂的零件手工编程显然不适用。 解决这一问题的办法就是对零件进行数控自动编程。因而，开发效率高、质量好的 自动编程系统是数控机床诞生以来人们一直追求的习标。 数控自动编程在我国随着数控技术应用的日益扩大已有了很大进步。实际上在应用 c a m 之前必须还要有c a p p ( 这里我们将其归入到c a m ) ，一般大型的c a d 软件如 p r o e ，i - d e a s ，u g i i 等均集成c a m ，这种c a m 系统称为一体化的c a d c a m 系统， 以内部统一的数据格式直接从c a d 系统获取产品的几何模型，利用其图形实体数据生 成数控加工代码，通过通信接口传输到数控机床系统；当然也有专门的c a m 软件，如 m a r t e r c a m ，c i m a t r o n ，h y p e r m i l l ，p o w e r s o l u t i o n s 和w o r k n c 等。这种c a m 系统称 为独立的c a m 系统，主要通过中性文件获取产品几何模型，就是利用c a d 设计结果， 控制机床动作，实现制造业的“无纸加工”。另外应用最广泛的三维c a d 软件，如 s o l i d w o r k s 、a u t o d e s k 公司的m e c h a n i c a ld e s k t o p 等，亦有一些第三方开发的c a m 模 块，可与c a d 软件无缝集成，完成数控加工代码生成。然而，这些软件相对来说价格 十分昂贵，例如在国内应用较多的工作站级的软件，p r o e 2 0 0 0 i ，u g v l 6 ，i - d e a s 8 0 价格均在十万或数十万元以上，购买时按要求模块不同，价格甚至更高。对于大型企业 来说这可能不是问题，但是对于中小企业来说可能就是不小的支出，势必增加成本，降 低经济效益。因此开发一些价格相对低廉的数控自动编程软件是必要的。 就我国目前的c a d c a m 技术现状而言，仅有极少数企业具有上述的高档 c a d c a m 软件，绝大多数企业与设计院的c a d 平台仍然是a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 绘图软件。虽然三维设计技术已很成熟，但受国内企业的经济实力和技术实力，特别是 人员素质的制约，尚未被作为普通工具来使用，二维设计在很长的一段时间内仍然是 基于二维视图啻勺加i f 心自动编程系统的研究 c a d 技术应用的主流，而a u t o c a d 在二维设计软件中处于一统天下的地位。如能宜接 由a u t o c a d 二维图形中描述零件的图形实体直接生成数控加工代码，而不需要人工编 程或者仅需少量入工干预，那么就可以避免入工编程繁琐易出错的缺点，明显提高编程 效率和编程质量，提高数控机床的利用率，降低废品率。 基于以上原因和现状，本文开发了一个基于a u t o c a d 2 0 0 0 ，采用会话式编程和图 形编程结合的方式，集加工特征识别、工艺规划、n c 代码自动生成于一体的加工中心 自动编程系统。 1 2 自动编程的研究现状及发展趋势 1 。2 1 概述 自动编程( a u t o m a t i cp r o g r a m i n g ) 的实际含义是计算机辅助编程( c o m p u t e ra i d e d p r o g r a m i n g ) 。最初的自动编程系统a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt 0 0 1 ) 是由美国麻 省理工学院、i b m 公司和美国空军合作在5 0 年代末期完成的，随着计算机技术、数控 机床的发展和工业界对零件加工的要求越来越高，对自动编程系统的要求也日益增加。 1 2 2 自动编程的研究现状 自动编程系统发展到今天，已经出现了晶种繁多、功能各异的编程系统。从国际范 围来说，使用较为普遍的系统可分为三类：( 1 ) 数控语言编程系统；( 2 ) 会话式编程系统； f 3 ) 数控图形编程系统【l j l 2 j 。 l ，z 2 1 数控语言编程系统 数控语言编程系统是最早研制的，也是目前应用最广泛的自动编程系统。它是用数 控语言来编写对零件进行加工的源程序。与其它类型的自动编程系统相比，它是迄今为 止应用最多、功能最强、通用性最广、技术最成熟的系统。 第一个数控语言编程系统a p t 是随着第一台n c 铣床的闻世于1 9 5 5 年由美国麻省 理工学院研制成功的m 。在随后的生产应用中，a p t 几经改进与完善。到8 0 年代已发 展为a p t - i v s s ，它具有编制雕塑曲面加工程序的功能t a p t 语言语汇丰富，定义的类型多。它用几何定义语句来描述被加工对象的形状， 用刀具运动语句来描述机床加工工件时的运动状态，用后置处理语句来描述对机床功能 的控制。a p t 语言配有1 0 0 0 多种后置处理程序，在各国工业界得到了广泛应用。之后， 根据加工零件的不同特点和用户的不同要求，参考a p t 语言的思路，各国先后研究了 许多各具特点的编程系统，如美国的a d a p t 、a u t o s p o t ；荚国的2 c 、2 c l 、2 p c ； 德国的e x a p t - i ( 点位) 、e x a p t - 2 ( 车削) 、e x a p t - 3 ( 铣削) i 法国的h f a p t - c ( 点位、 轮廓) ；日本的f a p t 、h a p t 等数控自动编程系统。 我国自5 0 年代以来，开始研制数控机床，6 0 年代中期开始了数控自动编程方面的 研究工作。7 0 年代已经研制出了s k c 、z c x 、z b c - l 、c k y 等具有平面轮廓铣削，车 2 基于= 维视图的加工中心自动编程系统的研究 削加工等功能的数控自动编程系统，后又研制出具有解决复杂曲面编程功能的数控编程 系统c a m 2 5 1 等多功能的语言系统。随着计算机技术的发展，微型机数控自动编程系 统以其较高的性能价格比迅速发展起来。近年来推出了h z a p t 、e a p t 、s a p t 等微型 机数控自动编程系统。 数控语言编程系统的缺点主要是： ( 1 ) 编程人员要学习和掌握数控语言； ( 2 ) 需要将被加工零件的信息转换为文字信息，而文字信息远不如图形信息直 观，而且在这种转换中容易产生一些人为的错误； ( 3 ) 数控语言编程目前还是采用批处理形式，即用数控语言编写的零件源程序， 输给计算机后一次处理，在处理过程中编程人员不能对其运行状态进行干 预，也不能对其运行结果进行调整。因此零件源程序的编写、编辑、修改等 还不够方便和直观。 这些缺点阻碍了编程效率和质量的进一步提高。 1 2 。2 2 会话式编程系统州 为了克服数控语言编程系统的一些缺点，在其基础上发展了会话式编程系统。 会话式编程系统在工作时采用菜单方式引导编程人员回答问题，填写菜单描述被加 工对象的几何形状、刀具的运动状态及对机床的必要操作。有的系统还设置了工件材料、 加工种类、刀具数据、加工定义、生成n c 数据、检验n c 数据等菜单选项，近年来发 展的会话式编程系统还都带有图形显示。这样在编程人员输入工件的几何信息的同时， 计算机立即以图形方式显示出来。 日本的f a p t ，美国的n c p t s 和n c p p x 等都是属于会话式编程系统。 与数控语言编程系统相比，会话式编程系统的优点是：无需编程人员学习掌握数控 语言，整个编程工作的编辑和修改更直观方便，从而迸一步提高效率和质量。但是，会 话式编程系统也有缺点，主要是输入零件信息时也要有一个将图纸信息进行转换的过 程。这种转换由编程人员完成易产生人为错误。 i 2 2 3 数控图形编程系统 数控图形编程系统是利用图形输入装置，如键盘、鼠标器等向计算机输入被加工零 件的图形。因为零件图就是输入，无需再对图形信息进行转换，所以这种方法最大限度 地减少了人为错误，最大限度地提高了编程效率和质量，被称为效率最高的编程方法。 更重要的是，由于图形编程系统是从加工零件图来生成n c 加工指令单，由于c a d 的结果是图形，故可利用c a d 系统进行工件的设计，然后经过c a p p 生成数控机床上 使用的工序卡，即可生成n c 指令单。因此，图形编程是c a d c a m 集成化的必然要 求，是自动编程系统的发展方向。 目前国内外图形自动编程软件的种类很多，其软件功能，面向用户的接口方式也各 有所不同。赵后良和张俊提供了一条采用特征识别技术实现图形交互式数控机床自动编 程的简便途径 6 1 。该系统从c a d 系统零件描述中直接识别和提取零件加工的特征信息； 根据零件特点有效地组织成零件的信息模型，从而生成数控加工程序。 s s c a d a m c a d c a m 集成化系统使用“形体组合法”实现零件描述和信息输入，在 a u t o c a d 的d x f 文件基础上形成零件的数据结构，然后以零件数据结构文件为基础生 成刀位数据文件，最后生成数控程序，并动态模拟数控加工过程p 】。由王建军、赵汝嘉 基于二维视图的加工中心自动编程系统的研究 开发的轴类零件数控自动编程系统采用基于加工特征的形面要素描述输入法输入零件 几何信息，并生成图形数据文件，然后输入与加工有关的工艺信息，通过加工决策形成 加工工艺信息文件，根据这两种信息决定加工过程并进行加工动态模拟，最后生成加工 程序博】。该系统采用菜单形式进行操作，而王剑，郁极开发的n c t p 系统主要特点是： 依照工序的顺序将每个工序的加工刀心轨迹分别绘制在不同的“层上”，在每一层利用 “t e x t ”、“d t e x t ”等命令分别定义有关的工艺参数生成d x f 文件，通过解释d x f 文件，识别几何信息及工艺参数 9 。系统可以根据每层定义的加工类型自动描述所需 要的加工循环，并设定循环中各段的进给速度，生成刀位数据文件，经后置处理生成 n c 程序，并进行刀具加工轨迹的仿真。 图形交互自动编程系统是一种全新的编程方法，与手工编程及a p t 语言编程比较 有以下几个特点： ( 1 ) 这种编程方法不象手工编程那样需要复杂的数学计算，计算出各节点的坐标数 据也不象数控编程语言去编写描述零件几何形状、加工走刀过程及后处理源程序，而 是在计算机上直接面向零件的几何图形( - - 维的或者三维的) 。其编程的结果也以图形 的方式显示在计算机上。该方法具有简便、直观、准确、便于检查的优点。 佗1 通常图形自动编程软件和相应的c a d 软件有机的联在一起成为一体化软件系 统，既可用来进行计算机辅助设计，又可以直接调用设计好的零件图形进行交互编程， 对实现c a d 、c a m 一体化极为有利。 ( 3 ) 这种编程方法简单易学，在编程过程中可以随时发现问题进行修改。 ( 4 ) 编程过程中，图形数据的提取、节点数据的计算、程序的编制及输出都是由计 算机自动进行的，因此编程的速度快、效率高、准确性好。 f 5 1 此类软件都是在通用计算机上运行的，不需要专用的编程机，所以非常便于普 及，推广。 基于上述特点，可以说图形自动编程是一种先进的自动编程技术。是自动编程软件 的发展方向，因此本系统也采用此方法对a u t o c a d 2 0 0 0 进行二次开发。完成箱体类 零件加工中心自动编程系统。 1 。2 3 自动编程的发展前景 随着计算机技术及信息处理的发展，在c a d c a m 一体化概念的基础上，逐步 形成了计算机集成制造系统( c l m s ) 2 乏并行工程( c e ) 的概念。目前，为了适应c i m s 及 c e 发展的需要，数控编程系统正向通用化、集成化和智能化方向发展。 ( 1 ) 数控自动编程系统的集成化 n c 编程与c a d 系统的连接和集成是n c 自动编程的一个非常重要的发展方向，即 在c a d 系统提供的零件信息基础上直接进行编程。目前，n c 编程与c a d 的连接有 多种途径和可能性。第一种途径是根据零件图样进行n c 编程，也就是中间的转换和连 接是靠人实现的。第二种途径是将n c 编程系统作为c a d 系统中的一个组成部分，即 c a d 软件中的个模块，系统可对零件设计和加工中的信息自动进行集成处理，如商 品化的c a d 软件i - d e a s 、u g - 1 1 等都有一个n c 编程模块，能对系统设计出的零件进 4 基于二维视图的加工中心自动编程系统的研究 行n c 自动编程。第三种途径是通过c a d 系统直接产生一个针对特定n c 语言的专用 零件源程序，由于这种方法通用性差，实际中应用很少。目前应用最多的途径是将c a d 的数据通过标准接口的方式传递给n c 编程系统，如通过i g e s 或s t e p 标准，也有的 是通过c a p p ，实现c a d c a p p c a m 的集成。这种方法要求采用特征建模系统作为 c a d c a p p c a m 集成环境下统一的零件信息模型，并在此基础上建立特征n c 程序 库，开发基于特征的n c 自动编程系统。它通过接口文件读取c a p p 系统输出的工艺信 息文件，经过特征识别和处理，从特征n c 程序库中调用相应的n c 指令，自动生成 n c 机床所需格式的n c 代码程序。这是一种很有实用价值的实现c a d c a p p c a m 集成的新方法。 ( 2 ) 数控自动编程系统的智能化 数控编程系统的智能化是指将“智能”加入数控自动编程系统中，并将人的判断及 决策交给机器来完成。因此采用人工智能方法建立各类知识库专家系统，把人的决策作 用变为各种问题的求解过程。基于这样的思想，在数控自动编程系统中加入知识体系的 内容，可以加强计算机对自动编程系统的控制，对一些一般算法无能为力的地方，可用 专家系统的方法解决。更进一步减少人工的干预，真正做到全部自动化。 ( 3 ) 数控自动编程系统的通用化 尽管不同的数控机床其功能不同，指令系统不同，但大部分的指令，如走刀、坐标 等都统一或内容相似，所不同的地方是辅助功能和机床的控制指令。因此，大部分的后 置处理程序代码是可以重用的。完全可以通过模块化的设计来实现后置处理程序的通用 化。 ( 4 ) 研究和发展小型专用的自动编程系统 a p t 系统是一种发展最早、功能最为齐全并应用最为广泛的n c 自动编程系统。据 统计美国4 4 的n c 编程是利用a p t 实现的。但a p t 系统庞大，因丽对软件人员及计 算机设备的要求也很高，它需要使用大容量的大型计算机。这对中、小企业是很不适用 的，因此反而促进了小型专用n c 编程系统的发展。尤其随着微机的出现和发展，国内 外都相继开发了适用于各种微机的n c 自动编程系统。这种专用自动编程系统的着眼点 不是放在功能齐全上，而是放在如何简化程序和提高效率上，因此这类系统容易掌握， 便于使用，且成本较低。 ( 5 ) 发展交互式的n c 自动编程系统 随着自动编程技术的发展，对自动编程系统的功能和应用的方便性也提出了更高的 要求。尤其是在处理零件源程序的过程中，希望操作者能对计算机进行控制就象与计 算机进行对话一样。 交互式自动编程系统的特点是：操作者可随时、随意修改零件源程序；随时停止或 开始处理过程；随时打印零件加工程序单或某一项中间结果；随意给出n c 机床的脉冲 当量等后置处理参数。例如日本富士通公司的f a p t ，荷兰的m i t u r n 等系统都是交 互式的n c 自动编程系统。 ( 6 ) 语音n c 自动编程 采用语音n c 自动编程时，操作者不必写出程序，也不需要按严格的格式打印出程 序，操作者只需对着话筒讲出所需指令即可。这些指令是按不同操作员的音调、方言预 先存储在计算机内，因而系统能够正确识别操作员的语音，并将识别的每个指令按顺序 基于二维视图的加工中心自动编程系统的研究 显示出来，以便核对。采用语音自动编程的主要优点是：便于操作，减少编程时间，消 除打字错误，从而可提高编程的效率。只是目前语音识别的准确率还有待提高，也限制 了语音n c 自动编程的发展。 1 3 加工中心的自动编程 以上讲述了自动编程的研究现状及发展前景，下面简要介绍一下加工中心的基本概 念、主要优点以及加工中心自动编程方面的研究现状和发展趋势。 加工中心与普通的数控机床不同，是带有刀库和自动换刀装置的一种多工序数控机 床。由于工件经一次装夹后，能对两个以上的表面自动完成铣、钻、镗、铰等多种工序 的加工，并且可在加工过程中完成自动换刀。更为明确的说法是：加工中心就是自动换 刀并且工作台可旋转的数控镗铣床。这就把加工中心与自动换刀数控车床或车削中心区 别开来。 1 9 5 8 年第一台加工中心问世“”，它将铣、钻、镗、铰、攻丝等多工序加工集于一 身，适应于加工多品种和大批量的工件，增加了自动换刀、自动换工件、自动监测等机 床功能，使自动化程度和加工效率上了一个新台阶，使无人化( 或长时间无人操作) 加工 成为现实。a n t 中心已。成为柔性制造系统、计算机集成制造系统和自动化工厂的基本单 元。 我国的加工中心从7 0 年代开始，已有很大发展，但技术、品种和数量上都还远不 能适应我国经济技术发展的需要。我国的加工中心品种有：中捷友谊厂s o l o n 3 - 1 ，北 京机床研究所的j c s - 0 1 8 ，常州机床厂的m c i l 8 ，大连机床厂的t h 6 2 6 3 ，大河机床厂的 t h 6 3 5 0 ，北京第一机床厂的x h k 7 5 6 - 2 等等。 加工中，0 主要有以下几方面优点： ( 1 ) 提高加工质量工件一次装夹，即可实现多工序集中加工，大大减少多次装夹 所带来的误差。 ( 2 ) 减少加工准备时闻 ( 3 ) 减少在制品数量避免了弘往的加工方法加工工序较多而每一道工序都需要对 应的通用机床，在生产线上停留的产品较多的情况。 ( 4 ) 减少刀具费把分散设置在各通用机床上的刀具，集中在加工中心刀库上，有 可能用最少量的刀具，实现公共有效利用，这样既提高刀具利用率，又减少了刀具数量。 ( 5 ) 最少的直接和闯接劳务费 ( 6 ) 设备利用率高加工中心设备利用率为通用机床的几倍。另外，由于工序集中， 容易适应多品种、中小批量生产，满足了现代产品的多样化需求。 正因为加工中心有这些有点，编写加工中心程序受到广泛的重视，其发展过程如下： ( 1 ) 手工编程 最早的n c 程序依靠手工编制，直接采用机床指令代码，通过加工中心上自带的小 型操作系统进行录入，操作十分不方便不存在所谓的后置处理问题。进而出现了依靠 打孔纸带进行录入的方法，也很容易造成错误。目前，大多数加工中心都可以通过r s 2 3 2 c 通讯接口与计算机联接，因此编程可以在普通电脑上进行。但是，大量的人工输入和反 6 基于二维视图的加工中心自动编程系统的研究 复的修改调试工作同样困扰着程序维护人员。 ( 2 ) 数控铣的自动编程 自从成熟的数控铣床c a m 软件“”进入市场后，其特有的既快又准的计算能力使得自 动编程正逐渐取代手工编程目前c a m 软件多采用类计算机高级语言( 如a p t 语言等) 来 编制刀位文件，这并不为机床所识别，故c a m 软件必须将便于人识别的类计算机高级语 言转换成便于机床识别的指令代码，即所谓的后处理过程。后处理系统是c a m 软件中的 一个模块，大到功能齐全的软件，小到精巧实用的m a s t e r c a m 软件，一般都采用 通用后置处理系统。该系统提供人机交互的方式，可针对不同类型的数控系统制定符合 系统要求的数控系统特性文件，转换出符合数控系统指令集及格式的n c 程序，从而使 得c a m 软件具有一定的柔性，能够满足不同用户的需要。不同软件对后置处理系统表达 不尽相同，内容则基本一致。 编制好数控系统特性文件必须综合两方面的知识： 第一，熟悉数控系统的指令集、指令格式和数值输出格式，并且确定好n c 程序格 式； 第二，能熟练应用c a m 软件各个模块，熟悉刀位文件的表达格式在前置处理器中的 相应定义项。这样才能有意识地对数控系统特性文件各项进行逐一修正，以期达到事半 功倍的效果。 目前市面上支持数控铣床自动编程的商品化软件有如下几种： c a x a m e “是北京北航海尔软件公司开发的针对数控铣、加工中心的c a d c a m 软件， 操作方便性好，是当前国内最好的c a m 软件之一。目前国内的一些数控铣床、加工中心 制造厂家( 如宝鸡机床厂、北京仪表机床厂等) 已经选用c a x a m e 作为其生产的数控铣床 的配套编程软件。 c a x a m e 的运行环境是中西文w i n d o w s ，它可以完成零件几何建模、加工代码生成、 联机通信等功能，集图纸设计和代码编程于一体。具有集成的曲面造型、实体造型功能， 加工形式多样，能满足数控铣编程的需要。c a x a m e 可直接读取e x b 格式文件、d w g 格 式文件、d x f 格式文件以及i g e s 格式、d a t 格式等各种类型的文件，使得所有c a d 软件 建立的集合模型都能直接读入c a x a - m e 。这样不管用户的数据以何种格式存储，均可利 用c a x a - m e 完成加工编程，生成加工代码。 m a s t e r c a m “7 1 是美国c n c 公司的c a m 软件，功能上与c a x a - m e 基本相同，但曲面加 工方面稍逊于c a x a - m e 。目前在国内有较多的用户。从8 0 版开始，m a s t e r c a m 将数控 铣加工编程单独以m i l l 模块形式运行。 另外，u g 、p r o - g “”的图形软件也支持数控铣床的自动编程，它们的大致实现过程 如下： 绘n - - 维草图； 拉伸三维实体； 添加三维特征； 获取加工要素； 设定机床信息； 生成n c 代码。 虽然国内有不少企业早已拥有加工中心设备和各种不同的数控铣床c a m 软件，但由 7 基于二雏视图的加工中心自动编程系统韵研究 于对加工中心机床和软件功能缺乏深入了解，致使无法发挥高质量设备的巨大作用，造 成资源的极大浪费。 ( 3 ) 加工中心的自动编程 虽然数控铣床的自动编程有如此显著发展，但是加工中心的自动编程还有待于进一 步的研究。加工中心与数控铣床之间有一定的相似之处，比如都采取刀具旋转工件固定， 都有x 、y 、z 方向的平移运动，但是它们之间的不同点给加工中心的自动编程造成了相 当大的难度，其中主要原因在于加工中心的工作台转位、大容量的刀库、被加工工件的 复杂程度等因素所造成的麻烦。 栗全庆、周锦国、刘军“”在1 9 9 6 年研制出l g a p s ( l u o g o n gg r a p h i c s a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m i n gs y s t e m ) ，该系统采用手工录入的方式将二维工程图录入 计算机，然后剥用一些工步排定方面的约束进行自动排序，最后生成n e 代码。但是， 该软件没有得到广泛推广，原因是前期的图形数据录入量较大，没有利用好现有二维图 形的有用信息；对于后期工艺派定过程中的约束信息直接写在了程序中，由于不同的工 厂、设备、刀具等参数均有很大差别，因此该软件的移植效率较低。 李宗斌“”在1 9 9 5 年提出采用加工中心加工工件时对孔系加工工艺路线的优化模 型，并且结合实例对工艺路线的选择进行了评价，由于当时的计算机水平有限，因此没 有给出具体求解方法。 刘敏等在1 9 9 9 年采用模拟退火和遗传算法解决加工中心上的工步优化问题。加 工中心上的工步优化问题属于n p 问题，目前只有近似解法，还未出现精确解法。该文 章中给出了一个简单零件的优化结果，但是工步仅有十几步，只证明了该方法的可行性， 并没有效果和效率上进行同类比较。 本文在加工中心自动编程过程中将各工步类型存储于数据库中，并对各个类型的工 步设定加工优先级，这就保证了工序排布的合理性，不至于出现先镗孔后钻孔的错误工 艺排布。对于工步排定优先级的设定和各工步类型并没有在程序中写死，而是存于数据 库中，并且允许操作者根据工厂和零件的实际情况进行定制，满足了软件可移植性的需 求。另外在工序选择的过程中引入专家系统的思想，将各工厂常用的工序组合与其所能 满足的精度要求进行匹配，建立知识库，辅助工艺人员编排工艺。允许编程人员首先对 工厂的现有加工中心刀具进行统计，一次性输入系统，以备编程时选用。最后，对于平 面走刀轨迹规划问题，采用了工序优先规则，同时采用遗传算法解决装夹内工步的排序 问题。 有一些基于二维图形的数控编程系统通过直接读取图形元素本身的几何数据来确 定加工特征的实际尺寸，这种方法有以下缺点： ( 1 ) 实体本身的几何信息并不一定和要表达的零件信息相符，得到的结果不一定正 确。即使考虑了把比例考虑在内，由于实际作图的不准确性，得出结果与工程 图表达信息不符在所难免； ( 2 ) 由于人工的失误使得工程图中存在这样那样的偏差，比如该相交的地方实际上 并没有相交，这就不可避免使得识别的结果产生错误； ( 3 ) 实际中的工程图由于作图的原因有可能有重合的实体或多个实体连接，比如： 图上的一条直线实际上可能由两条重合或重叠的直线组成，也有可能由几条直 线连接而成，这就使得在识别过程中首先进行判断和繁琐的运算才能得到结 8 基于= 维视图的加工中心自动编程系统的研究 粜。 这种方法实际上抛弃了工程图中有用的标注信息，本意是想简化特征识别，但实际 上由于工程图绘制过程的人工失误而产生了更多的麻烦。若要采用这种方法识别特征， 那么系统对工程图的要求将会大大提高，对已完成的大量图纸在识别前必须进行人工纠 错。这其实就降低了系统的效率和实用性。 本文采用的方法是结合图中的标注信息与表示特征的几何元素，经过匹配和尺寸链 的计算获得加工特征的真实尺寸( 尺寸标注内容) 。这就要求首先对尺寸标注信息进行 准确的识别。尺寸标注信息的正确识别是孔特征几何特征信息准确与否的关键因素。 综上所述鉴于以上对数控自动编程和加工中心自动编程这两方面国内外发展现状 的分析，以及二维工程图现阶段大规稹使用这一背景下本文基于二维工程图，首先进 行加工特征的建立和识别，进而借鉴现有的数控铣床和加工中心自动编程的一些思路， 力图建立一个实用的会话式和图形编程结合的加工中心的自动编程系统。 14 本文的主要内容 本文立足于现有的二维c a d 视图，在程序分析和人工干预的配合下实现加工特征 的创建与识别，获得特征的真实尺寸信息，然后产生单个特征的工艺方案，再经综合排 布得到工艺数据文件，在此基础上转化成数控代码，力图开发一种针对箱体类零件，能 直接读取工厂已有二维工程图，经过一定程度上的人工干预，自动生成数控代码的自动 编程系统。以下是本文的主要内容： ( 1 ) 建立了孔类特征的模型，作为工艺规划部分的输入。 ( 2 ) 通过割柝箱体类零件的匿形文件，结合图中的标注信息与表示特征的图形元 素，经过匹配和尺寸链的计算获得加工特征的真实尺寸，获得零件上加工要 素的真实几何信息，进行零件加工特征信息的创建和识别。提出了一种新的 尺寸链计算方法。 ( 3 ) 利用己刨建和识别的加工特征及必要的加工信息，首先通过工艺决策获德加 工要素的工艺方案，然后对零件上的所有加工要素进行综合排布。排布采用 工序优先规则，同时采用遗传算法解决装夹内工步的排序问题。排布结果存 入数据库，也可以工艺数据文件的形式存储和输出。 ( 4 ) 根据生成的工艺数据文件，在数控代码模板的基础上，经过逻辑分析自动生 成数控加工程序，并力求n c 程序的准确。 9 基于二维视图的船工中心音动编程系统的研究 2 孔特征的识别和工艺信息的获取 在自动编程系统中最困难的任务之一就是创建c a d c a p p 之间的连接。c a d c a p p 间没有恰当的接口，就不可能有效的进行工艺规划。特征是解决这个问题的一个关键途 径。零件的特征可以是一个很广泛的概念，几乎所有的零件特有信息都可归为零件特征， 本文中的特征专指孔类特征，所以在本节下面的文字中将只叙述通孑l 、盲孔、螺纹孔等 孔类特征相关内容。 在特征表达方面，三维c a d 系统具有得天独厚的优势，因为其包含有现成的特征 信息，而二维图侧重于零件的点、线、面和拓扑信息的描述，系统不能直接从二维c a d 系统中直接获得加工特征的几何信息和工艺信息，而本文又是基于二维视图的自动编程 系统，因此本系统最重要的一步就是首先进行特征的建立和识别，这也是下游工作成功 与否的关键。 。 本文的工作是在已完成的二维箱体类视图基础上提取工程图包含的c a p p 部分需要 的零件信息( 孔类特征信息) 。由于a u t o c a d 的广泛应用，所以本系统主要针对a u t o c a d 格式的工程图。要识别a u t o c a dt 程图，首先必须对a u t o c a d 、a c t i v e xa u t o m a t i o n 和 d x f 有一个了解。 2 1 关于a c t i v e xa u t o m a t i o t 3 和d x f 2 i 1a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术n 1 1 a c t i v e xa u t o m a t i o n 是m i c r o s o r 基于c o m ( 组件对象模型) 体系结构开发的一项 技术，是a u t o c a d 的新型编程接口。用户可以用它来自定义a u t o c a d ，与其他应 用程序共享图形数据。通过a u t o m a t i o n ，a u t o c a d 提供了由a u t o c a d 对象模型描述的 可编程对象。这些可编程对象可由其他应用程序创建、编辑和操纵。a u t o c a d 提供了 多种a c t i v e xa u t o m a t i o n 对象。按对象层次可以分为应用程序对象、文档对象、对象 集合、图形及非图形对象、属性及实用对象等。用户可以采用各种面向对象的编程语言 如：v i s u a lb a s i c 、d e l p h i 、c + + 等，对a c t i v e xa u t o m a t i o n 对象的方法和属性进行 引用，从而达到对a u t o c a d 进行编程的目的。 a u t o c a d 将内部的可编程的a u t o m a t i o n 对象以层次结构组织起来( 见图2 - 9 ) t 顶层 对象是应用程序( a p p l i c a t i o n ) 对象，代表启动的a u t o c a d 应用程序的一个实例，通过 a p p l i c a t i o n 对象可以定位到其他对象。第二层是文档( d o c u m e n t ) 和系统配置 ( p r e f e r e n c e ) 对象，d o c u m e n t 对象代表当前在a u t o c a d 应用程序窗口中打开并操作的 一个a u t o c a d 图形文件。p r e f e r e n c e 对象对应于p r e f e r e n c e 对话框，包含a u t o c a d 当 前的配置信息。第三层是d o c u m e n t 对象下的集合对象，如模型空间( m o d e l s p a c e ) 、图 纸空间( p a p e r s p a c e ) 等。 a u t o c a d 图形中的对象，f l p d o c u m e n t 对象的从属对象分为图形对象和非图形对象。 1 0 基于二维视图的加工中心自动编程系统的研究 图形对象，在a u t o c a d 中又称为实体，代表组成图形的可见对象：非图形对象是图形中的 不可见对象，如l a y e r 、l i n e t y p e 和d i m s t y l e 等。将这些图形对象和非图形对象按类型分 别组织在一起就构成各自类型的集合对象。通过集合对象可以访问该集合中某个具体的 对象。第4 层就是具体的各种类型的对象。在对象层次结构中，所有图形对象都是作为 模型空间和图纸空间集合对象的从属对象。非图形对象都包含在以各自的类型名称命名 的集合对象中。既然模型空间和图纸空间集合对象包含当前打开的图形文件中所有已创 建的图形对象，图形文件坐标空间的缺省设置是m o d e l s p a e e ，因此，一般情况下，通过 m o d e l s p a c e 集合对象，就可以访问当前图形中的所有实体。 在a u t o c a d 2 0 0 0 的a c t i v e xa u t o m a t i o n 中，所有的图形对象( 即图形实体) 都存 储在d o c u m e n t 对象的子对象m o d e l s p a c e 中。m o d e l s p a c e 是一个对象集， 其中存储 了各种图形对象，使用这些图形对象的属性和方法可读取和修改图形信息a 图2 1a u t o c a d 对象模型结构 f i g u r e2 - 1 a u t o c a d o b j e c tm o d e l 基于二维视图的加工中心自动编程系统的研究 2 i 2d x f 文件简介 a u t o c a d 作为一个完整的绘图编辑器，可以独立使用，并能完成用户的很多设计工 作，但要完成零部件从设计到制造的全过程的工作，仍然力不从心。如零件设计完后要 做有限元分析，要制定工艺规程，要生成n c 代码，这些工作a u t o c a d 都不能胜任。这 些必须借助其它应用软件，而所用