基于工艺特征识别技术的数控自动编程方法研究课件

1、主要内容 1. 研究的目的、意义 5.基于工艺特征的零件数控自动编程技术研究 3.提取STEP文件信息的方法研究 4.工艺特征提取与识别 6.系统的设计与实现 7.总结与展望 2.研究内容与创新点一、 研究的目的、意义（一）主要技术概述1、基于特征的数控自动编程技术 数控自动编程是利用计算机和相应的编程软件编制数控加工程序的过程。自动编程系统发展到今天，己经出现了品种繁多，功能各异的编程系统。虽然现在有多种数控自动编程系统 ,但仍然具有以下问题：（1）只能从CAD系统获取产品的低层几何信息，无法自动捕捉产品的几何形状信息和产品高层的功能和语义信息；（2）整个数控编程过程必须在经验丰富的工程师的

2、参与下，通过图形交互操作来完成，自动化程度和编程速率低下。因此如何有效提高数控编程的质量与效率，成为了目前亟待解决的问题。要解决这些问题，从技术层面上来看，就是要实现CAD /CAPP/CAM的集成。一、 研究的目的、意义2、特征识别技术特征识别是从零件的模型中获取相关特征信息，用于后续的工程应用。如图所示：特征识别方法主要分为两大类：一类是基于边界匹配的特征识别方法，另一类是基于立体分解的特征识别方法。特征识别的前提是特征信息提取，目前从几何造型中提取特征信息的方法主要有两类：（1）显式提取法：适用于已知特征属性的基础上；（2）隐式提取法：应用于实体属性未知的环境，从实体的存储方式入手(如文

3、档、图片等)，从文件提取实体特征。特征识别示意图一、 研究的目的、意义（二）研究的目的和意义目前，国内外出现了很多基于特征的数控自动编程系统。国外优秀的特征自动编程系统如下： CAMWORKS、Tecnomatix 、 STEP-NC 、 FeatureCAM 国内的一些研究人员，如：廖友军、李刚、刘峰、兰红波等也开发了类似于FeatureCAM的基于特征技术的制造加工系统，但都是建立在二维和2.5维图形文件的特征识别基础上，且识别出的特征都是零件的底层特征，完整的基于三维的工艺特征识别的自动编程系统还很少。综上所述，目前的特征识别系统都是针对零件底层特征，未能识别具有加工工艺信息的特征。所以

4、在标准数据交换的基础上，研究面向产品工艺特征的自动识别方法，建立基于工艺特征识别技术的数控自动编程系统，对提高加工效率有着极其深远的意义。二、研究内容与创新点（一）研究内容本课题研究的主要内容包括：分析研究STEP中性文件，从中提取信息；建立特征工艺库、识别CAD三维图形文件；建立数据库形式的标准工艺库；研究开发自动化编程系统，具体研究内容如下：（1）研究STEP文件的实体构成方法。（2）研究从STEP中性文件提取数据信息的方法。包括研究和设计词法分析器。（3）研究基于属性邻接图的模型加工特征的自动识别方法。包括：建立零件的属性邻接图；建立工艺特征库。（4）根据加工工艺以及形状特征，为模具电极

5、定义工艺特征。（5）建立加工工艺数据库，并在加工工艺与工艺特征之间建立映射关系。（6）在上述理论研究的基础上，结合建立好的数据库，研究开发基于工艺特征的数控自动编程系统。二、研究内容与创新点（二）创新点1、针对模具电极加工领域，提出了：通过STEP中性文件来读取电极信息，根据电极加工工艺与形状特征，为电极定义了工艺特征。并运用属性邻接图的方法，识别出电极的工艺特征。2、建立工艺特征与加工策略的映射关系，并建立具有学习功能的加工工艺库。根据工艺特征自动选择加工策略，生成NC程序，实现CAD/CAPP/CAM的无缝结合 。 三、STEP文件实体信息研究（一）产品数据交换标准STEP1、STEP标准

6、的体系结构 STEP标准组成部分三、STEP文件实体信息研究2、STEP中性文件结构 STEP中性文件结构三、STEP文件实体信息研究（二）STEP AP203信息模型研究1、边界表示法数据结构AP203采用的扩展边界表示法（Boundary/Representation，简称B-Rep），是以物体边界为基础，定义和描述几何体的方法。边界表示法建立了有效的数据结构，将描述形体的信息分层记录，描述形体的信息包括几何信息（Geometry）和拓扑信息（Topology），他们是独立却有相连的关系。在AP203的扩展边界表示法中，在体、面、边、顶点的概念中又添加了环(Loop)和壳(Shell)的概

7、念。三、STEP文件实体信息研究根据B-Rep表示方法得到的基本的实体数据结构如右图所示。其中，椭圆中的信息属于拓扑信息，矩形中的信息属于几何信息。实体表达数据结构树三、STEP文件实体信息研究2、几何信息描述几何描述是以参数曲线和曲面为基础，将解析曲线和曲面表示为参数形式，用NURBS曲线和曲面描述。 STEP文件的几何结构如图所示：STEP文件几何信息描述三、STEP文件实体信息研究3、拓扑信息描述拓扑元素是以分层方式定义的，每个拓扑元素有它自己的一套约束，上层元素的约束直接影响到下层元素。较低层的约束是由此低层到高层元素拓扑链的每个元素的约束的总和。STEP文件的拓扑结构如图所示：STE

8、P文件拓扑信息描述四、 工艺特征信息提取与识别（一）基于STEP文件的特征信息提取1、词法分析（1）数据段信息提取数据段信息提取的步骤如右图所示： 数据段信息提取的步骤四、 工艺特征信息提取与识别（2）词法分析设计在提取数据信息的时候，以 “，”、“=”、“#”、“”、“（”、“）”、“.”等符号作为分割符来读取Arr（）数组元素内的字符串，读取出实体信息以后，将字符转化为所需要的数据，从而得到诸如实体号、实体各属性值、组成该实体的实体号等信息，存入相应的数组中。以分析高级面Advanced_face所在的行“#24 = ADVANCED_FACE ( NONE, ( #140 ), #139

9、, .F. ) ;”为例，说明词法分析的具体流程。如右图所示。Advanced_face词法分析具体流程四、 工艺特征信息提取与识别2、提取信息的工作格式以及信息存储 前面已经提到，提取STEP文件信息是从CLOSED_SHELL所在的行入手，逐次读取ADVANCED_FACE、FACE_BOUND、SURFACE等信息。以ORIENTED_EDGE的读取为例，说明在VB中提取信息的工作格式。 提取STEP信息工作格式四、 工艺特征信息提取与识别（二）工艺特征的定义及分类依据特征识别的前提是要对特征进行分类，具有相似属性的特征，要用可以唯一确定该类特征的表达方法来描述。针对模具电极加工领域，C

10、AD/CAPP/CAM集成的关键不仅在于零件的几何特征描述，还在于工艺与制造特征的表达，零件各个底层特征之间的相互关系表达也是非常重要的部分。因此，要能够识别具有工艺信息的零件特征，就必须将零件的加工工艺与形状特征相结合，形成工艺特征。四、 工艺特征信息提取与识别1、零件形状特征表达形状特征用于描述一定工程意义的几何形状，包含了产品的几何和拓扑信息，是其它特征的载体 。根据形状特征在构造零件中所起的作用不同，可将零件的形状特征分为主特征辅助特征两类。主特征用在零件的基本几何形体上(如基准面以上不同的拉伸体)；辅助特征用于对主特征的局部解释(如拉伸体上的槽或者孔洞)。如下图所示：形状特征组成结构

11、四、 工艺特征信息提取与识别2、模具电极数控编程加工特点数控代码编程员使用PowerMill进行模具电极数控加工编程的一般步骤是：输入模具模型定义加工毛坯定义刀具定义相关加工参数确定刀具路径策略产生NC代码。 针对模具电极本身而言，80%的电极都是相对简单类型的电极，这些电极的加工工艺，从粗加工到最后的精加工，用到的参数是相同或者类似的，而编程人员需要重复地输入这些参数，耗费大量的时间与精力。研究表明，模具电极按照其形状特征以及数控编程工艺的相似性，能够进行分类编程计算，差别仅仅在于部分编程参数。 四、 工艺特征信息提取与识别3、加工工艺分析在模具电极的加工中，几何形状相似、结构特征相似、毛坯

12、相似、加工工序相似、加工策略相似、加工刀具相似等，都会使得加工工艺也相似。这就要用到成组技术来进行分类。 两种形状特征相似的零件四、 工艺特征信息提取与识别4、工艺特征定义通过对模具电极的数控编程特点和加工工艺分析，结合电极的形状特征，根据成组技术的原理，以平顶直侧、斜顶直侧、喇叭孔工艺特征为例，按照下表的分类依据，定义工艺特征：工艺特证名分类依据备注形状特征加工工序加工策略及刀具示例图片平顶直侧顶面为直平面，侧面为直平面，且顶面与侧面垂直粗加工顶平面二次粗加工基准平面精加工直身等高精加工粗加工：平直区域清除模型；精加工：等高精加工。刀具一般为端铣刀部分加工参数不同：包括加工余量、刀具直径、刀

13、具进给速度、加工轴向径向余量、后处理器、机床等级等，需设置。斜顶直侧顶面为斜平面或者曲面，侧面为直平面，顶面与侧面不垂直。粗加工顶平面二次粗加工基准平面精加工基准外形精加工直身等高精加工斜面精加工粗加工：偏置区域清除模型；精加工：最佳等高精加工。刀具一般为端铣刀喇叭孔顶面多喇叭类孔粗加工顶平面二次粗加工基准平面精加工基准外形精加工弧面精加工钻孔粗加工孔弧面精加工直身等高精加工粗加工：偏置区域清除模型；精加工：最佳等高精加工。刀具一般为端铣刀、球头刀三、 工艺特征信息提取与识别（三）基于属性邻接图的工艺特征识别方法 根据B-rep的几何结构和拓扑结构，以及第一章中提到的特征识别方法，本文使用图匹

14、配方法来实现工艺特征识别，而图匹配方法中最典型的就是属性邻接图的方法。1、基准面、侧面、顶面的定义 (a) (b) (c)工艺特征分别为平顶直侧、平顶斜侧、斜顶直侧的电极 (a) (b)工艺特征为平顶斜侧的零件及其零件组成线框图四、 工艺特征信息提取与识别2、工艺特征识别流程根据工艺特征的分类依据，以及基准面、侧面、顶面的定义，可以得出，识别工艺特征，实质就是识别出这三种面以及与这三种面相关的面之间的几何关系。工艺特征识别的流程如右图所示：工艺特征识别流程四、 工艺特征信息提取与识别3、零件属性邻接图 属性邻接图是目前广泛应用的特征识别方法,可表示用B-Rep法描述的零件的拓扑几何关系。在属性

15、邻接图中,顶点表示模型中的面,顶点之间的弧表示两相交面的共有边,用顶点和弧的附加属性表来表示拓扑几何属性，属性由边的凹凸性来决定。四、 工艺特征信息提取与识别边的凹凸性判定是特征识别的基础，零件的棱边大多数为平面线段，主要包括直线和圆弧两种。边的凹凸性判定流程边的凹凸性判断流程图四、 工艺特征信息提取与识别（1）直线边的凹凸性判定棱边的凹凸性与相交平面的外法向矢量以及边棱边e的方向矢量有关。如图所示：邻接面F1、F2的外法向矢量分别为n1、n2。取任一平面为基准面，在这里取F1为基准面。F1上各边构成封闭环，该封闭环包含棱边e。环的绕向根据右手螺旋法则由平面的法矢量n1 确定, 棱边e 的矢量

16、方向ne与环的绕向一致,。则矢量n=nen2,n与n1之间的夹角为。当|90时，e为凸边。 边为直线边的凹凸性判定四、 工艺特征信息提取与识别(2)圆弧边的凹凸性判定 当棱边为平面曲线时, 边的凸凹性判定方法与直线边的判定方法相似,。以棱边为圆弧为例进行说明。如图所示：图中，F1为圆柱面，F2为平面，n2为F2平面的法方向矢量。F1、F2相交于平面曲线e。任取e上一点P，P点的切矢量为ne，方向由平面F2的法矢量的右手螺旋定则判定。过P点的圆柱面F1的切平面的法向矢量为n1。则矢量n=nen2，n与n1之间的夹角为。当|90时，e为凸边。 边为圆弧边的凹凸性判定四、 工艺特征信息提取与识别4、

17、模具电极的属性邻接图表示 边的凹凸性判定完成后，则可以将零件用属性邻接图表示出来。如图所示：图 (a)为平顶直侧清角特征的形状特征，属性邻接图表示为图 (b)。 F2与F3、F4 、F1三个面之间的邻接关系都为凹邻接，F4与F1、F2、F3三个面之间的邻接关系都为凹邻接，图如 (c)中。面F5、F6、F7、F8与面F9为凸邻接，面F5、F6、F7、F8与面F10为凹邻接。如图(d)。 (a) (b) (c) (d)模具电极属性邻接图四、 工艺特征信息提取与识别（四）基于组合推理的工艺特征识别规则建立 本文所研究的工艺特征，是由多个形状特征与加工工艺组合形成的，其中，形状特征中就包含多个信息，因

18、此，单一的推理并不能得到工艺特征，这就需要将多个已知条件组合，再进行推理。可用s1 。s2 。s3。snsk来形式化描述，其中sn(n=1,2,3)代表已知的条件，sk表示推理得到的结果。工艺特征识别推理结构图五、基于工艺特征的零件数控自动编程技术研究（一）PowerMILL宏文件“学习”功能PowerMill中的宏文件（Mac）是一个记录内部命令的有序集合。优秀工程师使用“宏录制”的功能记录下对整个模具电极的编程操作，此过程相当于记录下优秀工程师的编程技术，是一种“学习机制”的体现。在“.mac”宏文件中，模具电极及的编程工艺有很多的参数是灵活可变的，而用来记录的只是当时工程师进行编程设置的

19、参数，当面对新的模具电极时，这些参数必须被新的参数替换。 “.mac”宏文件格式本身是无法让PowerMILL自动去查找、修改，而如果将“.mac”宏文件格式转化为数据库文件（.mdb格式）进行保存时，应用数据库的查询、修改功能就很容易的实现这些操作。五、基于工艺特征的零件数控自动编程技术研究（二）工艺特征到加工工艺的映射 为了能够实现根据工艺特征进行数控自动编程，需要将工艺特征与加工工艺进行映射。映射的关系有一对一和多对一两种。 映射过程如图所示：工艺特征与加工工艺映射过程五、基于工艺特征的零件数控自动编程技术研究（三）工艺特征库与加工工艺库的构建1、工艺特征库平顶弧侧工艺特征对比结果五、基

20、于工艺特征的零件数控自动编程技术研究2、加工工艺库结合PowerMILL宏文件的特点，采用数据库来管理宏文件，不但可以保证宏文件的完整性，同时可以很方便的对宏文件进行查询、修改及保存。其具体的实现方法是：通过数据库生成“宏指令”的加工工序，提取加工工序过程中重要的参数，生成数据库字段，通过工序编号链接相关加工工艺。 五、基于工艺特征的零件数控自动编程技术研究（四）宏文件计算功能的实现当系统从数据库中逐一读取PowerMILL命令，对需要添加或改变参数的命令作修改后，就将命令添加到一个临时的宏文件里。当把所有命令重新写到临时宏文件时，宏文件生成完成，可以在PowerMILL中运行。宏文件生成流程

21、图（即计算功能流程图）如图所示。 计算功能实现流程图（宏文件生成流程图）六、系统的设计与实现（一）系统的设计1、系统的功能分析本文所研究的数控自动编程系统，利用PowerMILL的宏录制功能，针对不同模具电极的工艺特征，建立相应的加工工艺，制成加工工艺库。当编制同类零件模型时，只需要调用加工工艺库中的数据，就可以自动进行操作。因此，本系统需要有如下功能：（1）STEP文件的读取（2）STEP文件信息提取及工艺特征识别（3）系统的“学习”功能以及加工工艺与工艺特征的映射（4）编程计算功能六、系统的设计与实现2、系统的开发框架系统框架六、系统的设计与实现（二）系统结构设计 基于工艺特征识别的数控自

22、动编程系统，由工艺特征识别模块和数控自动编程模块两大部分组成。整个系统采用模块化方法组织为一体，各个模块功能相互独立，又通过数据流彼此连接，修改其中一个模块，不会影响其他模块以及整个系统，有利于系统程序的开发与维护。系统总体结构图如图所示。系统总体结构六、系统的设计与实现1、特征识别模块工艺特征识别模块包括STEP文件信息提取模块、信息重组模块、工艺特征识别模块三部分组成。识别的流程如图所示：特征识别流程六、系统的设计与实现2、数控自动编程模块 数控自动编程模块包括加工工艺学习模块、刀具路径计算模块、后处理模块三部分组成。具体流程如图所示。系统自动编程模块示意图六、系统的设计与实现（三）系统流

23、程系统的整个操作流程如右图所示：系统流程图六、系统的设计与实现（四） 实例验证以1.STEP文件作为范例进行说明系统的功能系统界面显示菜单栏工具栏STEP源文件显示区初始设置区火花位设置区重组后信息工艺特征以及毛坯尺寸已选择电极类型加工工艺及刀具显示区六、系统的设计与实现输入名为“1”的STEP格式文件进入系统。在界面中可以看到文件的源码。输入STEP文件以及1.STEP文件在系统中的源码六、系统的设计与实现信息提取的结果以及重组后的信息信息提取结果重组以后信息六、系统的设计与实现识别出的工艺特征以及手动添加工艺提示六、系统的设计与实现系统添加加工工艺界面（即“学习”界面）六、系统的设计与实现文件信息界面显示六、系统的设计与实现加工界面中的边界计算加工界面中刀具路径策略 六、系统的设计与实现用户输出设置以及产