快速數(shù)控編程系統(tǒng)的制造特征構建研究*

李鐵鋼，付春林，于天彪，王宛山

(1.東北大學機械工程與自動化學院，沈陽 110004;2.沈陽工程學院機械工程系，沈陽 110136)

快速數(shù)控編程系統(tǒng)的制造特征構建研究*

李鐵鋼1，2，付春林1，于天彪1，王宛山1

(1.東北大學機械工程與自動化學院，沈陽 110004;2.沈陽工程學院機械工程系，沈陽 110136)

針對快速數(shù)控編程系統(tǒng)中不同CAD模型的特征識別和構建，論述了基于STEP文件的特征識別技術及其實現(xiàn)過程:首先利用詞法分析器解析STEP中性文件，按照STEP的文件拓撲結構生成屬性鄰接圖(AAG);在總結典型結構件拓撲特征基礎上，結合數(shù)控編程切削邏輯，以切削級為基礎進行特征識別和特征構建;最后以XML形式構造制造特征森林以供CAM系統(tǒng)使用。實例證明了文中方法的有效性，提高了結構件數(shù)控編程的效率和質量。

特征識別;制造特征構建;AAG;STEP;切削邏輯

0 引言

制造特征構造是實現(xiàn)計算機輔助設計(CAD，Computer Aided Design)、計算機輔助工藝設計(CAPP，Computer Aided Process Planning)和計算機輔助制造(CAM，Computer Aided Manufacturing)集成的關鍵技術，是構造以特征加工為基礎的快速數(shù)控編程系統(tǒng)的核心［1］。制造特征構建以產(chǎn)品的三維實體模型出發(fā)自動提取幾何信息和拓撲信息，通過結合工藝制造信息，實現(xiàn)在設計域中對加工方法所能加工的形狀的描述。特征提取和識別的方法總體上分為體積分解法和模式匹配法兩大類［2-6］。體積分解方法是將零件實體分解成基本單元并進行重構組合;模式匹配法是將零件實體與預先定義的模式特征匹配，典型的方法有基于規(guī)則的方法、基于圖的方法和基于痕跡的方法。這些方法的缺點在于它們都是注重零件的幾何實體表達，忽略了零件的制造過程和表面粗糙度、尺寸公差、形位公差等工藝信息，對零件的特征構建產(chǎn)生的多義解釋過多，不能進行正確的取舍，導致算法的復雜性增加。

本文提出的制造特征構建的核心思想是以設計模型的屬性鄰接圖(AAG，Attributed Adjacency Graph)出發(fā)，以切削邏輯為基礎，構建制造特征模型并生成特征數(shù)據(jù)庫，此數(shù)據(jù)庫可供下游 CAPP和CAM模塊使用以提高快速編程能力。

1 關鍵技術及實現(xiàn)方法

1.1 基于STEP的設計特征提取

產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標準(STEP，STandard for the Exchange of Product model data)可用來表達產(chǎn)品的復雜信息，同時采用應用協(xié)議(AP，Application Protocol)保證語義的一致性［7］。AP203中性文件的應用較為成熟，現(xiàn)今主流CAD系統(tǒng)可輸出AP203協(xié)議中性文件用來進行信息交換。AP203文件包括幾何設計數(shù)據(jù)信息和拓撲信息，其采用B-Rep法和參數(shù)表示法的混合表示法表示模型。以廣泛采用的UG NX6.0軟件輸出的AP203文件為例，分析其結構得到實體的數(shù)據(jù)結構表達如圖1所示［8］。

圖1 AP203的實體數(shù)據(jù)結構

零件的拓撲表征定義為，G={N，C，A}，其中N是所有節(jié)點的集合，對于零件的每個面元素nj都有一個節(jié)點與其對應;C是弧的集合，對于零件的兩個相鄰表面都有唯一的弧ck與其對應;A是弧的屬性，表示弧的凸凹關系性，按照弧的兩面的外法矢量的夾角將弧分為凹弧、凸弧、相切凹弧、相切凸弧、中性弧5大類，對應的屬性值分別為 -1、1、-2、2、0。凹弧表示兩面夾角小于180°，凸弧表示兩面夾角大于180°，相切弧和中性弧夾角等于180°。典型槽腔結構件及其AAG圖如圖2所示。

圖2 槽腔特征的AAG

1.2 加工邏輯特征識別

飛機結構件是飛機主要承力構件，結構復雜、精度高、加工周期長、成本高、數(shù)控程序編制復雜，嚴重制約生產(chǎn)效率。從幾何模型上看主要包括框、壁板、梁、接頭、肋等典型件，如圖3所示，將典型結構件加工部位歸納為外型輪廓、型腔、筋、孔、槽口、細節(jié)特征(倒角、倒圓)等六類典型特征。

圖3 結構件特征

針對結構件特點和數(shù)控編程的方式，從加工邏輯上看，飛機結構件屬于平面類零件，加工時具有明顯的方向性，以零件的腹板面和筋條等主要表面定位，利用數(shù)控五坐標聯(lián)動加工中心銑削加工，加工時沿Z向切削加工，將相同的Z向加工走刀路線稱為一個切削級。在數(shù)控編程過程中遵循基準先行、先上后下、由外向內、先粗后精、先面后孔、先整體后局部的切削模式。由此可將數(shù)字模型中與XOY平面平行或近似平行(與XOY平面的二面角小于設定閾值)的表面稱為切削級面。

表1 典型特征幾何拓撲描述

基于逆加工邏輯識別特征，首先識別外型輪廓，而后識別孔、細節(jié)特征中的倒角和倒圓、槽口、筋、槽腔。從特征集合拓撲結構上看，孔特征按照是否封閉分為通孔和盲孔兩種;按照孔的特征面形式分為圓柱孔、螺紋孔、錐度孔、臺階孔等;孔的邊緣通常具有倒角或倒圓。

特征識別的關鍵問題是特征的相交和多重解釋，當兩個或多個特征發(fā)生交叉時，一些面被分割，形成多個不完整特征。利用哈希表將分裂特征和可重新組合特征合并，例如對孔特征，孔哈希表的主鍵為孔底圓的中心坐標和孔軸線矢量;層面按法向為主鍵列于平面哈希表中。

對法向量向內的圓柱面和圓錐面，如孔內表面無凸邊，則初步判斷為孔。對非完整柱面，則判斷AAG的鄰接邊值是否為-2，如為-2，則非孔特征。

將識別出的孔特征按主鍵值放入哈希表中形成孔位置結構表以利于后處理。在哈希表中對有一個表項的孔，判斷是通孔還是盲孔，孔邊是否有倒角或倒圓等細節(jié)特征。對哈希表中有多個表項的孔，沿加工方向將孔柱面依次排序，如果孔面具有鄰接的上下表面，則這些孔為階梯孔;如果孔面的上下表面不相同，則孔原始特征被分裂，需要補充孔的特征。當兩個孔表面均為柱面時計兩段孔面為通孔，且記錄孔軸向空余距離;當一個為柱面，另一個為錐面時，同時延長兩個表面相交形成完整的孔特征。

1.3 制造特征構建

以數(shù)控加工工藝和程序編制為基礎，以典型結構件和典型結構加工為素材，構建零件的加工特征，避免了特征的多義解釋，使特征識別與生產(chǎn)實際緊密結合。

數(shù)控工藝決策是依據(jù)特征的幾何信息和決策推理規(guī)則進行，依據(jù)識別出來的制造特征從工藝規(guī)則庫中查找適合的加工方法，從刀具庫中查找合適的刀具，通過算法選擇合適的刀具、切削用量、特征加工順序等［9］，元槽腔的特征信息模型如圖4所示。

圖4 制造特征信息模型

特征識別算法如下:

(1)前處理。結構件為大型復雜零件，由于建模的標準不統(tǒng)一，導致零件模型存在大量冗余的模型元素，首先進行實體信息整理，刪除多余元素以保證后續(xù)工作進行。將實體集合模型轉化為STEP AP203標準中性交換文件。

(2)建立AAG。通過詞法分析器構建零件的屬性面邊圖，進而構建零件的內存工作模式［10-11］。

(3)零件的特征識別。首先遍歷零件數(shù)據(jù)，建立零件輪廓的最小包圍盒，將零件的主要面積表面作為零件的主要定位表面，其法向為程序編制坐標系的Z軸正方向。將與Z軸矢量所成角度小于一定閾值的表面(平面，有界平曲面)作為切削級層面，通過遍歷得到切削級表，進而獲得元槽腔特征。將元槽腔進行組合，以切削級之間的關聯(lián)關系作為組合條件，如果元槽腔的側面與待組合的基槽腔切削級面成凸連接，則實現(xiàn)組合，待組合槽填加到特征的初始部分。從AAG中按切削級概念，獲得基元特征集合，進行特征組合形成最后制造特征森林。

(4)特征的交互識別。自動特征識別可以識別大多數(shù)特征，但由于算法的不完善和制造工藝的復雜性及特殊需求，需要進行交互特征識別，包括修改不合理特征、創(chuàng)建遺漏特征、填加元素公差特征、填加材料特征等。

(5)零件的制造特征構建。利用工藝規(guī)則庫、刀具庫、機床庫構建面向制造工藝的制造特征，特征以XML文件形式提供給CAM模塊使用［12］。特征識別算法流程圖如圖5所示。

圖5 制造特征構建流程圖

2 應用實例

基于所提算法在UG NX6.0軟件平臺上用UG OPEN API、UG grip和VC++實現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)，選擇典型的幾類結構件測試，如表2所示，取得了較好的效果。經(jīng)過自動特征測試和較少的交互特征識別，能夠很好的識別出制造特征，進而輸出到 CAPP和CAM模塊進行快速數(shù)控編程。

表2 典型結構件特征識別實例

3 結束語

通過特征識別技術，直接從CAD數(shù)據(jù)提取信息，結合結構件制造工藝要求構造制造特征模型，進而進行CAM加工，實現(xiàn)了結構件快速編程目的。

本文通過研究結構件STEP數(shù)據(jù)信息讀寫和基于AAG的制造特征識別和制造特征模型構建方法，給出了具體的實現(xiàn)過程，為快速數(shù)控編程系統(tǒng)的設計提供了技術基礎。

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Research on Reconstruction of Machining Feature for Rapid NC Programming System

LI Tie-gang，F(xiàn)U Chun-lin，YU Tian-biao，WANG Wan-shan
(1.School of Mechanical Engineering＆ Automation，Northeastern University，Shenyang 110004，China;2.Dept.of Mechanical Engineering，Shenyang Institute of Engineering，Shenyang 110136，China)

Aiming at recognition and reconstruction of features from different 3D CAD models，this paper presented the implementation process of feature recognition.Firstly，an attributed adjacency graph(AAG)created of geometry and topology in STEP file by lexical analysis.According to the analyses on machining features of structural parts in terms of the NC programming cutting logical，the machining feature will be recognized and reconstructed.The machining feature are provided by XML，which can be used by CAM system.Case study validates the proposed method，which improves efficiency and quality of NC programming of structural part.

feature recognition;machining feature reconstruction;AAG;STEP;cutting logical

TP391.73

A

1001-2265(2012)02-0005-04

2011-07-18;

2011-08-22

國家自然科學基金資助項目(50975043)

李鐵鋼(1973—)，男，沈陽人，高級工程師，東北大學機械工程與自動化學院，(E-mail)ltgchina@126.com;王宛山(1946—)，男，沈陽人，東北大學教授博士生導師。

(編輯 李秀敏)