基于加工特征的刀具選擇

董玉梅，閆 曄，趙勤德

（1. 北京聯(lián)合大學(xué) 生物化學(xué)工程學(xué)院，北京 100023；2. 北京聯(lián)合大學(xué) 信息學(xué)院，北京 100101；3. 廣州市工貿(mào)技師學(xué)院，廣州 510425）

0 引言

在機(jī)加工車間現(xiàn)場(chǎng)，刀具選擇和加工編程是完成零件加工任務(wù)最關(guān)鍵的兩個(gè)要素，在工藝試驗(yàn)或培訓(xùn)數(shù)控機(jī)床操作工時(shí)，傳統(tǒng)方法是使用試切法——根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)選擇刀片或刀具，選擇幾組不同的加工參數(shù)進(jìn)行試切加工，最后通過辨別加工質(zhì)量和效率來決定刀具的選用。這種方法完全是基于人工經(jīng)驗(yàn)，費(fèi)時(shí)耗財(cái)。隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品或零件可以在正式加工前就進(jìn)行數(shù)字化定義，其中包括對(duì)零件模型的加工特征自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，根據(jù)加工特征的語義可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)匹配合理的刀具和加工條件，從而可以高效的實(shí)現(xiàn)數(shù)控刀具的智能化選擇。所以，目前出現(xiàn)的加工特征自動(dòng)識(shí)別技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用已成為智能制造的熱點(diǎn)技術(shù)。

1 加工特征的獲取

特征被研究者們視為是—個(gè)比較理想的產(chǎn)品信息模型表示方法，成為CAD/CAM集成的紐帶，特征模型的主要優(yōu)點(diǎn)是：

1) 以實(shí)體模型為主的幾何造型方法主要著眼于產(chǎn)品零件的幾何描述；而特征模型則主要看眼于產(chǎn)品零件的設(shè)計(jì)與制造過程的完整信息描述，是產(chǎn)品模型的重要基礎(chǔ)。

2) 特征的引用直接體現(xiàn)了設(shè)計(jì)意圖，而且便于設(shè)計(jì)圖樣的修改，使產(chǎn)品零件的設(shè)計(jì)工作在更高的層次上進(jìn)行，設(shè)計(jì)人員可以將更多的精力用于創(chuàng)造性構(gòu)思，而非幾何構(gòu)造操作。從而提高設(shè)計(jì)效率。

3) 特征模型有助于加強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)分析、制造工藝計(jì)劃、加工工序設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)等制造環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系，更好地將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖貫穿到各個(gè)后續(xù)制造環(huán)節(jié)并且及時(shí)得到后者的意見反饋，在很大程度上使各個(gè)環(huán)節(jié)并行展開，即有利于并行工程的實(shí)施。

4) 特征模型能夠直接應(yīng)用于產(chǎn)品零件的設(shè)計(jì)與制造全過程，是開發(fā)新一代的基于統(tǒng)一產(chǎn)品模型的CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。

從制造角度來看，像加工工藝規(guī)劃、裝配規(guī)劃、檢測(cè)計(jì)劃、零件的數(shù)控加工編程等制造活動(dòng)，均可能潛在地基于零件的某種特征表示。從研究方法來看，特征模型技術(shù)的研究主要包括特征識(shí)別和特征設(shè)計(jì)。特征識(shí)別利用幾何造型系統(tǒng)所提供的實(shí)體模型，對(duì)幾何模型進(jìn)行解釋，自動(dòng)識(shí)別制造工藝計(jì)劃所要求的特定的零件“幾何信息模式”，即加工特征，直接應(yīng)用于產(chǎn)品零件的制造工藝設(shè)計(jì)。主要的特征識(shí)別方法有基于圖的特征識(shí)別、基于規(guī)則的特征識(shí)別、基于語義匹配的特征識(shí)別等。特征設(shè)計(jì)則試圖從設(shè)計(jì)者的意圖出發(fā)，通過一組預(yù)先定義好的具有一定工程意義的設(shè)計(jì)特征，引導(dǎo)設(shè)計(jì)者去進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

文獻(xiàn)[1]定義了制造特征，制造特征是對(duì)特定的制造活動(dòng)或應(yīng)用有映射意義的對(duì)象。制造特征包括設(shè)計(jì)特征、加工特征、裝配特征、測(cè)量特征。其中的加工特征用一種很自然的表示方式[2]（如腔、槽、凸凹槽、孔等形狀和大?。⒓庸ゎI(lǐng)域相關(guān)的知識(shí)和對(duì)象的表示方法聯(lián)系在一起。加工特征是零件層次上加工信息的集合，它不僅具有按一定拓?fù)潢P(guān)系組成的特定幾何形狀，而且反映特定的工藝語義，適宜在對(duì)零件分析和加工中使用。它兼有形狀和功能兩種屬性，從它的名稱和語義足以聯(lián)想其特定幾何形狀、拓?fù)潢P(guān)系、典型功能、加工工序和公差要求。例如零件的形狀特征不但與設(shè)計(jì)相關(guān)，也與制造和工藝規(guī)劃相聯(lián)系，它關(guān)注產(chǎn)品的可制造性。例如，孔能實(shí)現(xiàn)定位和高副運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)功能，但也是一種加工特征,它可以通過一系列孔加工操作如鉆、擴(kuò)、銑、鉸、鏜來實(shí)現(xiàn)孔的加工。

加工特征的最大優(yōu)點(diǎn)是易于參數(shù)化，采用參數(shù)驅(qū)動(dòng)的方式能對(duì)具有不同規(guī)格的系列化產(chǎn)品中的相似零件進(jìn)行統(tǒng)一描述。特征不僅可以用來描述二維三維物體的幾何形狀,而且還可以推理出工藝操作方面的信息。例如，如圖1所示基于零件加工特征的模型有4層，最高層是由三維CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品零件設(shè)計(jì)，接著下一層再通過特征識(shí)別技術(shù)獲取零件的加工特征，每一種加工特征都有特定的加工規(guī)則（即加工方法層），加工方法對(duì)應(yīng)了多種加工刀具的選擇（刀具層）。對(duì)于車間現(xiàn)場(chǎng)的操作工而言，零件的加工信息如幾何形狀、公差、粗糙度等都是已知的內(nèi)容，如果能借助于特征描述和識(shí)別技術(shù)就可使復(fù)雜的零件工序問題轉(zhuǎn)化成一系列單個(gè)簡(jiǎn)單特征的工藝決策問題，同時(shí)，當(dāng)特征模型中包含加工工藝決策規(guī)則時(shí),就能夠?qū)崿F(xiàn)智能工藝決策和數(shù)控程序的自動(dòng)生成。實(shí)現(xiàn)這一過程的首要條件是要對(duì)待加工零件進(jìn)行加工特征設(shè)別和提取。

特征識(shí)別和獲取的方法可以分為體分解法、面向?qū)ο蟮闹圃焯卣鞫x和基于刀具的方法三種類型[3,4]。

圖1 基于零件加工特征的模型

1.1 體分解法

體分解法容易實(shí)現(xiàn)工序工步的自動(dòng)規(guī)劃，例如以最基本的孔加工為例，其產(chǎn)品加工特征PMF（Product Machined Feature）識(shí)別和知識(shí)獲取如圖2所示，由于產(chǎn)品制造信息PM I（Prod uct Manufacture In form ation）包括零件幾何形狀、粗糙度、尺寸公差，對(duì)孔的識(shí)別實(shí)際上就是對(duì)孔進(jìn)行體分解，使PMF可以表示成一系列不可再分的基本單項(xiàng)操作，這些基本單項(xiàng)操作又可以定義成加工過程特征IPF（In Process Feature）如鉆孔、攻絲、鏜孔、倒角。每個(gè)IPF和刀具等加工資源具有特征映射關(guān)系。

1.2 面向?qū)ο蟮奶卣鞫x

而面向?qū)ο蟮奶卣鞫x方法目前在一些具有知識(shí)驅(qū)動(dòng)的CAD/CAM系統(tǒng)中已得到應(yīng)用，利用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)將特征表示為類，類包括數(shù)據(jù)和方法，以圖3-所示孔為例，特征孔類數(shù)據(jù)包括定義孔的位置和方向的變量和定義孔的形狀和公差的變量，特征孔類方法包括定義孔的建立、刪除、復(fù)制等操作，而且3D特征的生成是和2D孔特征的參數(shù)驅(qū)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的。特征除了可用過程描述語言表示外，還可以用數(shù)據(jù)表格形式和XML格式表示，易于實(shí)現(xiàn)加工知識(shí)表示的標(biāo)準(zhǔn)化。所以從知識(shí)的表示方面看，面向?qū)ο蟮奶卣鞫x方法具有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但由于其數(shù)據(jù)和方法的封裝性，導(dǎo)致其工藝柔性不夠，即當(dāng)車間的設(shè)備資源（如工具、機(jī)床）等變化時(shí)，其特征類需要重新定義。

(a) 孔特征的制造信息PM I

圖2 孔特征的體分解圖示

圖3 孔加工特征面向?qū)ο蠛蚗ML表示法

1.3 基于刀具的方法

基于刀具的方法實(shí)際上是通過獲取特定刀具數(shù)據(jù)來推理零件的特征，由于零件和刀具之間在加工過程中可形成特定地映射關(guān)系。所以零件上的加工特征是由刀具運(yùn)動(dòng)路徑和刀具幾何特征創(chuàng)成獲取，但由于實(shí)際應(yīng)用時(shí)都嚴(yán)格限制于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化刀具集的知識(shí)推理。每次增加新刀具后須對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行重新編制，所以此方法通用性較差。

目前，特征識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用還有許多限制，比如工件幾何造型存在許多相交的特征，如空間孔相交、曲面與曲面相交、體與體相交等都會(huì)引起特征識(shí)別困難或失敗，至今沒有一種方法能完全有效地識(shí)別相交造型特征[5]。

2 基于加工特征的刀具選擇

從加工過程來看，一個(gè)待加工零件可以看成由若干個(gè)加工特征組成的組合體，當(dāng)采用基于特征方法進(jìn)行數(shù)控工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)不同加工特征制定出相應(yīng)的推理規(guī)則，根據(jù)產(chǎn)品要求事先確定的匹配關(guān)系，觸發(fā)相應(yīng)的刀具推理規(guī)則，從而選擇出加工所需的刀具。

2.1 刀具選擇與編程路徑

在成功識(shí)別和獲取加工特征后，要考慮建立刀具規(guī)則知識(shí)庫(kù)，利用該知識(shí)庫(kù)的知識(shí)進(jìn)行邏輯推理和決策，目前通常采用產(chǎn)生式規(guī)則和編碼兩種常見方法對(duì)工藝知識(shí)進(jìn)行定義和管理，特征編碼常用于對(duì)簡(jiǎn)單特征的定義和索引，而產(chǎn)生式規(guī)則可對(duì)稍復(fù)雜特征則進(jìn)行加工定義，例如，對(duì)于常見的加工特征-矩形腔槽加工，刀具選擇規(guī)則和編程路徑的選擇準(zhǔn)則如表1所示。

表1 腔槽特征加工時(shí)刀具選擇及編程路徑

2.2 刀具和其他資源的關(guān)聯(lián)

完成一個(gè)零件的加工，光有刀具決策是不夠的，刀具本身會(huì)和其他工藝資源（機(jī)床、工裝、材料等）發(fā)生聯(lián)系。所以工藝知識(shí)庫(kù)中各個(gè)數(shù)據(jù)表之間不是獨(dú)立無關(guān)的，它們通過關(guān)系表和特征方法的約束條件建立各種聯(lián)系。

當(dāng)一個(gè)基于特征的加工知識(shí)庫(kù)就建立起來了，剩下的工作就是如何使用這些信息生成加工現(xiàn)場(chǎng)的刀具選用規(guī)程，下面以一個(gè)具有平面輪廓孔系加工特征的零件為例加以說明。

圖4 實(shí)體零件的自動(dòng)識(shí)別

3 應(yīng)用實(shí)例

在基于特征自動(dòng)識(shí)別（AFR）的知識(shí)加工過程中，加工特征識(shí)別、加工操作（工序/工步）和加工刀具選擇成為操作工的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)內(nèi)容、這三者間存在著非常重要的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖4所示，圖中給定的工件由5種加工特征組成，分別是平面（Plane）1、型腔（Pocket）2、孔（Hole）3、陣列孔（Pattern Hole）4和輪廓（Profile）5。根據(jù)加工規(guī)則可以確定相應(yīng)的加工操作面銑、平面區(qū)域銑、鉆孔、鉆孔+攻絲和周銑，與此操作匹配的加工刀具分別是面銑刀、鍵槽銑刀、麻花鉆、絲錐、立銑刀。一旦自動(dòng)識(shí)別成功，計(jì)算機(jī)會(huì)建立特征-刀具的匹配數(shù)據(jù)庫(kù)，以XML表示數(shù)據(jù)，用戶可以直接看到解析XML后的刀具選用規(guī)則庫(kù)界面。

在對(duì)某企業(yè)前后兩次不同CAM軟件的培訓(xùn)中分別應(yīng)用傳統(tǒng)編程和基于特征編程。兩次培訓(xùn)都是針對(duì)某型薄壁箱體類零件的自動(dòng)編程，第一次基于UGNX6CAM軟件的操作應(yīng)用，第二次采用具有3D、車銑復(fù)合、多軸加工等復(fù)雜特征識(shí)別功能的CAM軟件-FeatureCAM 2010，第二次的培訓(xùn)時(shí)間由原來5天縮短到3.5天，其操作步驟對(duì)比如表2所示。

通過表2對(duì)比，具有特征識(shí)別的CAM軟件中每個(gè)CAD模型都包含完整的產(chǎn)品制造信息，不需要操作工加工編程時(shí)去選擇每一個(gè)加工對(duì)象。輸入CAD數(shù)據(jù)后，軟件將快速識(shí)別零件特征，可以選擇手動(dòng)交互式識(shí)別(IFR)或者自動(dòng)特征識(shí)別(AFR) ，系統(tǒng)將自動(dòng)選擇刀具，選擇進(jìn)給/轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)，自動(dòng)生成刀具路徑。

表2 兩種不同知識(shí)獲取技術(shù)的CAM軟件操作對(duì)比

4 結(jié)論

采用特征識(shí)別技術(shù)是簡(jiǎn)化編程操作、縮短編程培訓(xùn)時(shí)間最有效的方式。由于基于特征識(shí)別的CAM軟件具有加工特征自動(dòng)識(shí)別和基于規(guī)則的可自定義加工知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，系統(tǒng)可以代替人正確地獲取加工所需的選擇性知識(shí)，自動(dòng)生成可靠的刀具和加工程序，并能用仿真來檢驗(yàn)加工結(jié)果，可以大大減低對(duì)操作工編程技巧的依賴，規(guī)范的刀具路徑的編程，縮短車間現(xiàn)場(chǎng)的操作培訓(xùn)時(shí)間。

[1] Jan H.Vandenb rande and Aristides A. G. Requicha.SpatialReasoning fo r the Au tom atic Recognition o f Machinable Features in Solid Models.IEEETransactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,1993, 15, (12):1269-1285.

[2] KANG M,HAN J, MOON J G. An app roach for interlinking design and p rocess p lanning[J].Jou rnal o fMaterials Processing Techno logy,2003,139 (1/3):589-595.

[3] 薛澄岐,劉定偉.基于實(shí)體模型的產(chǎn)品形狀特征識(shí)別[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2007,16(1):17-20.

[4] 劉長(zhǎng)安,查黎敏.集成工藝計(jì)劃系統(tǒng)的工程圖特征識(shí)別與加工分析[J].現(xiàn)代制造工程2001(8):20-25.

[5] 黎榮,王金諾.基于UG實(shí)體模型的特征信息提取技術(shù)研究.機(jī)械,2004,31(6):40-41.