快速数控编程系统的制造特征构建研究

第 2期 2 0 1 2年 2月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul a r M a c h i ne To o l Au t o mat i c M a nu f a c t ur i ng Te c h ni q ue NO 2 Fe b 2 0 1 2 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 2 0 2 0 0 0 5 0 4 快速数控编程系统的制造特征构建研究 李铁钢 一 付春 林 于天彪 王 宛山 1 东北大学 机械工程与 自动化学院 沈阳 1 1 0 0 0 4 2 沈阳工程学院 机械工程 系 沈阳 1 1 0 1 3 6 摘 要 针 对快 速数 控编 程 系统 中不 同 C A D模 型 的特 征 识 别 和构 建 论 述 了基 于 S T E P文 件 的特 征 识 别技 术及 其 实现过 程 首先 利 用词 法分析 器解 析 S T E P中性 文件 按 照 S T E P的 文件 拓 扑 结 构 生成 属 性邻 接 图 A A G 在 总 结典型 结构 件拓 扑特 征基 础上 结 合数控 编 程切 削逻 辑 以切 削级 为 基础 进 行 特征 识 别和特 征 构建 最后 以 X ML形 式构 造制 造特征 森 林 以供 C A M 系统 使 用 实例 证 明 了文 中方 法 的有 效性 提 高 了结构件 数控 编程 的效 率和 质量 关键 词 特征 识 别 制 造特征 构 建 A A G S T E P 切 削逻辑 中图分 类号 T P 3 9 1 7 3 文献 标识 码 A Re s e ar c h o n Re c o ns t r u c t i o n o f M a c hi ni n g Fe a t u r e f or Rap i d NC Pr o g r a mm i n g Sy s t e m L I Ti e g a ng FU Ch u n l i n YU Ti a n b i a o W ANG W a n s h a n 1 S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g A u t o m a t i o n N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4 C h i n a 2 D e p t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S h e n y a n g I n s t i t u t e o f E n g i n e e r i n g S h e n y a n g 1 1 0 1 3 6 C h i n a Abs t r a c t Ai mi n g a t r e c o gn i t i o n a n d r e c o n s t r u c t i On of f e a t u r e s f r o m d i f f e r e n t 3 D CAD mo d e l s t h i s p a p e r p r e s e n t e d t h e i mp l e me n t a t i o n p r o c e s s o f f e a t u r e r e c o g n i t i o n F i r s t l y a n a t t r i b u t e d a d j a c e n c y g r a p h AAG c r e a t e d o f g e o me t r y a n d t o p o l o g y i n S TE P fil e b y l e x i c a l a n a l y s i s Ac c o r d i n g t o t h e a n a l y s e s o n ma c h i n i n g f e a t u r e s o f s t r u c t u r a l p a r t s i n t e r ms o f t h e NC pr o g r a mmi n g c u t t i n g l og i c a l t h e ma c h i n i n g f e a t ur e wi l l b e r e c o g n i z e d a nd r e c o n s t r u c t e d Th e ma c hi n i n g f e a t u r e a r e p r o v i d e d b y XM L whi c h c a n b e u s e d b y CAM s ys t e m Ca s e s t u d y v a l i d a t e s t he p r o po s e d me t ho d wh i c h i mp r o v e s e ffi c i e n c y a n d q ua l i t y o f NC p r og r a mmi n g o f s t r u c t u r a l pa r t Ke y wor ds f e a t u r e r e c o g n i t i o n ma c h i n i n g f e a t u r e r e c o ns t r u c t i o n AAG S TEP c u t t i ng l og i c a l 0 引 言 制造 特 征 构 造 是 实 现 计 算 机 辅 助 设 计 C A D C o mp u t e r A i d e d D e s i g n 计 算 机 辅 助 工 艺 设 计 C A P P C o m p u t e r A i d e d P r o c e s s P l a n n i n g 和计算机辅 助 制 造 C A M C o mp u t e r A i d e d M a n u f a c t u r i n g 集成 的 关 键 技术 是 构 造 以特 征 加 工 为 基 础 的 快 速 数 控 编 程 系统 的核 心 制 造 特征 构 建 以 产 品 的三 维 实体 模 型 出发 自动 提 取 几 何 信 息 和 拓 扑 信 息 通 过 结 合 工艺制造信 息 实现在设计域 中对加工方法所能加 工 的形 状 的描述 特 征 提 取 和识 别 的方 法 总体 上 分 为 体积 分 解 法 和模 式 匹 配 法 两 大 类 体 积 分 解 方法是将零 件实体 分解成基 本单元 并 进行重 构组 合 模式匹配法是将零件实体 与预先定 义的模式特 征 匹配 典 型 的方 法 有 基 于规 则 的 方法 基 于 图 的方 法 和基 于痕迹 的方 法 这些 方 法 的 缺点 在 于 它 们都 是注 重零 件 的几 何 实 体 表 达 忽 略 了零 件 的制 造 过 程和表 面粗糙度 尺寸公差 形位公差等工艺信息 对零 件 的特 征 构 建 产 生 的 多义 解 释 过 多 不 能 进 行 正确 的取 舍 导致算 法 的复 杂性增 加 本文 提 出 的制 造 特征 构 建 的 核心 思 想 是 以设计 模 型 的 属 性 邻 接 图 A A G A t t r i b u t e d A d j a c e n c y G r a p h 出发 以切削逻辑为基础 构建制造特征模 型 并生成 特 征数 据 库 此 数 据 库 可供 下 游 C A P P和 C A M 模块 使用 以提 高快 速 编程能 力 1 关键技术及 实现 方法 1 1基 于 S T E P的设 计特 征提 取 产品模型数据交换标准 S T E P S T a n d a r d f o r t h e 收稿 日期 2 0 1 1 0 7 1 8 修 回日期 2 0 1 1 0 8 2 2 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 0 9 7 5 0 4 3 作者简介 李铁钢 1 9 7 3 一 男 沈阳人 高级工程师 东北大学机械工程 与 自动化学 院 E m a i l h g c h i n a 1 2 6 c o m 王宛 山 1 9 4 6 一 男 沈阳人 东北大学教授博士生导师 6 组 合机床 与 自动化 加工技 术 第 2期 E x c h a n g e o f P r o d u c t m o d e l d a t a 可用来 表达 产 品的复 杂信息 同时采用应用协议 A P A p p l i c a t i o n P r o t o c o 1 保证语义的一致性 A P 2 0 3中性文件的应用较为 成熟 现今 主流 C A D 系统 可 输 出 A P 2 0 3协 议 中性 文 件用来进行信息交换 A P 2 0 3文件包括几何设计数 据信息和拓扑信息 其采用 B R e p法和参数表示法 的混合表示法表示模型 以广泛采用的 U G N X 6 0 软 件输 出的 A P 2 0 3文件 为例 分 析其 结 构 得 到 实体 的数据结构表达如图 1所示 B R E P高级形状表示 形状表示 l l几何形状表示 塞 堡 里 墼睦 丞 豆 匿 t r 面葫丌 面 外环 I 亘 l I 墨 查些亘I l 垡 边环l 二二 二 l 有向边 l 二二 W 陌 r 丽 图 1 AP 2 0 3的 买体 数 据结 构 零件 的拓扑表征定义为 G c A 其 中 是所有节点的集合 对于零件的每个 面元素 n 都有 一 个节点与其对应 C是弧的集合 对于零件 的两个 相邻表面都有唯一 的弧 c 与其对应 A是弧 的属性 表示 弧的 凸凹 关 系 性 按 照 弧 的 两 面 的外 法 矢 量 的 夹角将弧分为凹弧 凸弧 相切凹弧 相切凸弧 中性 弧5大类 对应的属性值分别为 一1 1 一2 2 0 凹弧 表示 两 面 夹 角 小 于 1 8 0 凸 弧 表 示 两 面 夹 角 大 于 1 8 0 相切弧和中性弧夹角等于 1 8 0 典型槽腔结构 件及 其 A A G图如 图 2所 示 b A A G图 图 2 槽腔特征 的 AA G 1 2 加 工逻辑 特征 识别 飞机结 构件 是 飞机 主 要 承力 构件 结 构 复杂 精 度高 加工 周期 长 成 本 高 数控 程 序编 制 复 杂 严 重 制约生产效率 从几何模型上看主要包 括框 壁 板 梁 接头 肋等典型件 如图 3所示 将典型结构件加 工部位归纳为外型轮廓 型腔 筋 孔 槽 口 细节特 征 倒角 倒圆 等六类典型特征 外轮廓 槽 口 腔 d 筋 e 槽 口 图 3 结构 件 特 征 零 件加 工是 从毛坯 S上通 过一 系列加 工 操作 来去除材料体积形成产品P的过程 用数学模型表示 n 为 P M 特征识别是结构件快速数控编程系 统 中的重 要环 节 特 征 从 不 同 的角 度 出发 有 不 同 的 定义和解 释 将制造特征分为形状特 征 精度特征 材料 特征 和辅 助 特 征 特 征 形 状 指 零 件 上 相 互 关 联 的具有 一 定 集 合 形 状 和 拓 扑 关 系 的表 面 组 成 的 形 体 是一系列基本切削操作 的集合 是特征识别技术 中的重点 特征识别本 质是对模 型使 用的加工方法 的形状描述 此描述涉及整个工艺系统 包括机床模 型 加 工方 法模 型 工 艺模 型 刀 具模 型 和 夹 具模 型 针对航 空 结构 件 以加工 制造 逻 辑 为 出发 点 根据 零 件形 状和 制造资 源对 特征进 行分 类 针对 结 构件 特 点 和 数 控 编 程 的 方 式 从 加 工 逻 辑 上看 飞机 结构 件 属 于平 面类 零 件 加 工时 具 有 明 显 的方 向性 以零 件 的腹 板 面 和筋 条 等 主要 表 面 定 位 利用 数 控五 坐标 联 动加 工 中心 铣 削加 工 加 工 时 沿 z向切 削加工 将相 同 的 z向加工 走 刀路线 称 为一 个切削级 在数控编程过程 中遵循基准先行 先上后 下 由外 向内 先粗后精 先面后孑 L 先整体后局部 的 切削模式 由此可将数字模型中与 X OY平面平行或 近似平行 与 XO Y平 面的二面角小于设定 阈值 的 表 面称 为切 削级 面 通常结 构 件 以槽 腔 为 主要 特 征 其 它 特 征 附 属 于槽 腔或 基 于槽 腔扩 展 槽 腔 由底 面 侧 面 和顶 面 组 成 将 槽腔 看 作 由具 有 至 少 一 个 公 共 侧 面 的 若 干 个 子槽 腔嵌 套 构成 将 这 种基 本 的槽 腔 称 为元 槽 腔 元 2 0 1 2年 2月 李铁钢 等 快速 数控编 程 系统 的制 造特 征构 建研 究 7 槽腔的底面为切削级面 记为 其 中i 为元槽腔的序 号 第 i 层 侧 面记 为 F U 若无侧 面 则记 为 第 J J i 层顶面记为 F U 若无顶面 则记为 则元槽 腔为可表示为切削级 面 侧面 顶面的集合 P u F u F 由此将槽腔结构表 示为 P U P i 1 2 n 类 似按 此 法 表 示 的 典 型 特 征 几 何 拓 扑 描 述如 表 1所示 表 1 典 型 特 征 几 何 拓 扑 描 述 特征名称 特征定义 特征定 义 具 有底 面 和 侧 面 侧 繇 槽腔 面为封闭或半封闭的 一种结构 G u 0 f u 己 外 型 由曲面 和平 面构成 的 鹭 轮 廓 零 件 最 大 外 缘 F U U G U F U U 槽 腔加 工 完 成 后 槽 筋 腔侧壁 顶面 需要 加工 的结构 垂直或与 Z坐标 轴成 的二面 角小 于一 定 阈 槽 口 值 的具 有上 下两 切削 级平面 的开 口结构 G U U 细节 在孔边 筋 槽 口的凸 特征 边 的倒角 倒 圆 G U 具有 向内指 向轴线 的 孔 回转表面 G U U 基 于逆 加工 逻辑 识别 特征 首先 识别 外 型 轮廓 而后识 别孔 细节 特征 中 的倒 角 和倒 圆 槽 口 筋 槽 腔 从特 征集 合 拓 扑 结 构 上 看 孔 特 征 按 照 是 否 封 闭分为通孔和盲孔两种 按 照孑 L 的特征面形式 分为 圆柱 孔 螺 纹 孔 锥 度 孔 台阶孔 等 孔 的边 缘 通 常 具 有 倒 角或倒 圆 特征识 别 的 关 键 问 题 是 特 征 的 相 交 和 多 重 解 释 当 两个 或 多个 特 征 发 生 交叉 时 一 些 面 被 分 割 形 成 多个 不完 整特 征 利用 哈 希 表将 分 裂 特 征 和 可 n P o c k e t0 0 0 0 1 由 几何 拓扑 i i 口 蓍 i 由一 层2 i 侧 面 一 盛及 公 差 i 器 放 公 庄 特征方位点 x ff g I 槽最大深度 4 0 ra m 最小转角半径 6 ra m 图 4制造 特 征 信 息模 型 特 征识 别算 法 如下 1 前 处理 结 构件 为大 型 复 杂零 件 由于 建模 的标准不统 一 导致零件模 型存在大量冗余 的模 型 元素 首先进行实体信息整理 删除多余元素以保证 后续工作进行 将实体集合模型转化为 S T E P A P 2 0 3 标 准 中性交 换文 件 2 建立 A A G 通过 词 法 分 析 器 构 建零 件 的属 性 面边 图 进而 构建 零件 的 内存工 作模 式 m 8 组合 机床 与 自动化加 工技 术 第 2期 3 零件的特征识别 首先遍历零件数据 建立 零件轮廓的最小包 围盒 将零件 的主要面积表 面作 为零件的主要定 位表 面 其法 向为程序编制坐标 系 的 z轴正方向 将与 z轴矢量所成角度小于一定 阈 值 的表面 平面 有界 平 曲面 作 为切 削级 层 面 通过 遍历得到切削级表 进 而获得元槽 腔特征 将元槽 腔进行组合 以切削级之间 的关联关系作为组合条 件 如果元槽 腔的侧面与待组合 的基槽腔切削级 面 成凸连接 则实现组合 待组合槽填加到特征的初始 部分 从 A A G 中 按 切 削 级 概 念 获 得 基 元 特 征 集 合 进行特征组合形成最后制造特征森林 4 特 征 的交 互 识别 自动 特 征识 别 可 以识 别 大多数特征 但 由于算法 的不完善 和制造工艺 的复 杂性及特殊需求 需要进行交互特征识别 包括修改 不合理特征 创建遗漏特征 填加元素公差特征 填 加材料特征等 5 零件的制造特征构建 利用工艺规则库 刀 具库 机床库构建面向制造工艺的制造特征 特征以 X ML文件形式提供给 C A M模块使用 特征识别 算法流程图如图 5所示 图 5制 造 特 征 构 建流 程 图 2 应 用 实 例 基于所提算法在 U G N X 6 0软件平 台上用 U G O P E N A P I U G g r i p和 V C 实现 系 统 开 发 选择 典 型 的几类 结构 件测 试 如 表 2所 示 取 得 了较 好 的 效 果 经过 自动 特 征 测 试 和 较 少 的 交 互 特 征 识 别 能 够很 好 的 识 别 出 制 造 特 征 进 而 输 出 到 C A P P和 C A M 模块 进行 快速 数控 编程 表 2典型结构件特征识别实例 自动识别 自动识 交互识 零 件简图 正确率 别时间 别时间 l 0 O 1分 1 0秒 4分钟 麓 1 0 0 0 5秒 2分钟 蕾 9 8 2分 5分钟 研 3 结束语 通 过 特征识别 技 术 直 接从 C A D数据提 取信 息 结合结构件制造工艺要求构造制造特 征模 型 进而 进行 C A M加工 实现了结构件快速编程 目的 本 文通 过研 究 结 构 件 S T E P数 据 信 息 读 写 和 基 于 A A G的制 造特 征识 别 和制 造 特 征模 型 构建 方 法 给出了具体 的实现过程 为快速数控编程 系统 的设 计提供 了技 术基 础 参考文献 1 鲁勇 李迎光 基 于再 扩展属 性面 边图 的复杂 结构 件特 征识 别技术 J 机械设计与制造 2 0 0 9 5 2 3 6 2 3 8 2 S h a h J J A n d e r s o n D A d i s c o u r s e o n g e o m e t r i c f e a t u r e r e c o g n i t i o n f r o m C A D m o d e l s J J o u r n a l o f C o m p u t i n g a n d I n f o r ma t i o n S c i e n c e i n En g i n e e r i n g 2 0 0 1 1 3 4 1 5 1 3 L i Y G F a n g T L C h e n g S J e t a 1 R e s e a r c h o n f e a t u r e b a s e d r a p i d p r o g r a m m i n g f o r a i r c r a f t N C p a r t s J A p p l i e d Me c h a n i c s a n d Ma t e r i a l s 2 0 0 8 1 0 1 2 6 8 2 6 8 7 4 B o j a n B a b i c N e n a d N e s i c Z o r a n Mi l j k o v i c A r e v i e w o f a u t o ma t e d f e a t ur e r e c o g n i t i o n wi t h r u l e b a s e d p a t t e r n r e c o g ni t i o n J C o m p u t e r s i n I n d u s t r y 2 0 0 8 5 9 3 2 1 3 3 7 5 R T u t t l e G L i t t l e J C o r n e y e t a 1 F e a t u r e r e c o g n i t i o n f o r N C p a r t p r o g r a mm i n g J C o m p u t e r s i n I n d u s t ry 1 9 9 8 3 5 2 7 5 2 89 6 K i s h o r e L S u b r a t a C T C C h a n g F a b r i c a t i o n a n d s a g g i n g be h a v i o r o f t h r e e l a y e r A1 S i A1 Mn Zn A1 Si c l a d s he e t s f o r a u t o m o t i v e h e a t e x c h a n g e r J J o u r n a l o f I n t e l l i g e n t Ma n u f a c t u r i n g 1 99 7 8 2 03 21 4 7 S a l e h M A m a i t i k S E n g i n K i l i c A n i n t e l l i g e n t p r o c e s s p l a nn i ng s y s t e m for pr i s ma t i c pa rts u s i ng S TEP f e a t ur e s J I n t J A d v Ma n u f T e c h n o l 2 0 0 7 3 1 9 7