基于特征的航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型機(jī)匣類零件車加工快速編程技術(shù)研究

馬明陽等

隨著三維設(shè)計(jì)軟件和數(shù)控機(jī)床的廣泛使用，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)數(shù)控編程的規(guī)范性和高效性要求越來越高，傳統(tǒng)的手工編程方式已經(jīng)不能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。本文提出一種基于特征的車加工快速編程方法，以特征為基本加工單元，建立一種從加工特征識(shí)別、切削區(qū)域化分、切削參數(shù)加載到刀具軌跡生成半自動(dòng)化的快速編程機(jī)制，并以 NX軟件為平臺(tái)，開發(fā)了一套車加工快速編程工具，提高了車加工數(shù)控程序的質(zhì)量和編程效率。

一、引言

隨著航空領(lǐng)域?qū)娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的逐漸提高和數(shù)控加工技術(shù)的廣泛應(yīng)用，航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件逐漸向高性能、高精度的方向發(fā)展，采用傳統(tǒng)編程方式造成的加工周期長、效率低及加工質(zhì)量差等成為制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件研制的主要因素。究其根源，主要有以下幾方面原因：（1）編程質(zhì)量的好壞主要取決于編程人員的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)水平，導(dǎo)致程序質(zhì)量參差不齊；（2）系統(tǒng)只能通過交互方式點(diǎn)取產(chǎn)品幾何信息，且缺乏數(shù)控編程資源庫支持，無法自動(dòng)獲取加工區(qū)域信息、自動(dòng)選取刀具和切削參數(shù)，自動(dòng)化程度低；（3）編制的程序可移植性差，刀具軌跡的生成完全依賴于實(shí)際加工模型，即使非常相似的兩個(gè)零件，也需要重新建立加工坐標(biāo)系、幾何體、選擇切削參數(shù)等，編程效率較低，編程人員的重復(fù)勞動(dòng)較大。研究和開發(fā)一套適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的快速編程系統(tǒng)，提高數(shù)控程序自動(dòng)化編制水平已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。針對(duì)以上問題，本文提出了一種基于特征的車加工快速編程技術(shù)，采用向?qū)е敢姆绞?，以特征為基本加工單元，建立一種從加工特征識(shí)別、切削區(qū)域化分、切削參數(shù)加載到刀具軌跡生成半自動(dòng)化快速編程機(jī)制，有效地提高車加工數(shù)控程序編制的效率和質(zhì)量。

二、特征定義與識(shí)別技術(shù)

1.特征定義

“特征”一詞在工業(yè)領(lǐng)域中最早出現(xiàn)在 1978年美國麻省理工學(xué)院 Gossard DC教授指導(dǎo)的一篇學(xué)士學(xué)位論文“CAD中基于特征的零件表示”中。不同的專業(yè)領(lǐng)域?qū)μ卣饔胁煌亩x，至今仍未有一個(gè)嚴(yán)格、完整的定義。在機(jī)械加工領(lǐng)域，特征是指在一定加工要求下，能夠用相同或相類似加工手段加工出來的具有一定形狀特征的零件部位。由此可以看出，加工特征不僅包含了零件的幾何信息，還包括了加工方法和切削參數(shù)等制造信息，是 CAD/CAPP/CAM信息的集成（圖 1）。

2.機(jī)匣零件車加工典型特征分類

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣是發(fā)動(dòng)機(jī)中的殼體、框架類零件，是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的重要承力部件，屬于靜子部件，主要作用是承載發(fā)動(dòng)機(jī)零組件重量、承受軸向和徑向力的作用。航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類零件種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以分為兩大類，即環(huán)形機(jī)匣和箱體機(jī)匣。

本文主要針對(duì)環(huán)形機(jī)匣進(jìn)行研究探討，主要車加工區(qū)域?yàn)闄C(jī)匣內(nèi)腔。通過對(duì)幾類典型環(huán)形機(jī)匣進(jìn)行全面分析，將內(nèi)腔的加工特征分為以下 3類：內(nèi)圓面、T形槽端部和 T形槽底部，每類加工特征根據(jù)具體細(xì)節(jié)的不同可繼續(xù)細(xì)分，如內(nèi)圓特征可分為直面內(nèi)圓和斜面內(nèi)圓兩種，本系統(tǒng)研究的機(jī)匣類零件典型特征分類如圖 2所示。為了便于特征的檢索和特征庫資源的管理，對(duì)每種加工特征賦予一個(gè)指定的編碼，通過對(duì)特征編碼進(jìn)行檢索可以快速定位待識(shí)別特征以及對(duì)特征庫的系統(tǒng)管理。

3.特征識(shí)別技術(shù)

特征識(shí)別技術(shù)的作用是從零件的設(shè)計(jì)模型中提取具有特定結(jié)構(gòu)和特定工藝屬性的幾何形狀的一種手段，具體識(shí)別流程如圖 3所示。目前，常用的特征識(shí)別方法主要有兩種，一種是基于邊界匹配的特征識(shí)別方法，另一種是基于立體分解的特征識(shí)別方法。

基于邊界匹配的特征識(shí)別方法是通過對(duì)零件的邊界進(jìn)行識(shí)別，來匹配預(yù)定義的特征。具體步驟如下：（1）拾取特征的邊界信息對(duì)特征進(jìn)行定義；（2）搜索待識(shí)別零件的邊界表示，將其與定義的特征進(jìn)行匹配；（3）確定識(shí)別的特征參數(shù)，構(gòu)造完整的特征幾何模型。這種方法的關(guān)鍵是對(duì)特征邊界模式的定義和特征搜索策略的確定。

基于體分解的特征識(shí)別方法基本步驟如下：（1）首先對(duì)零件模型進(jìn)行分解，將其分解為凸體的集合；（2）通過對(duì)分解的凸體進(jìn)行重新組合，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于特征的體元；（3）對(duì)特征體元進(jìn)行分類，確定特征的類型，建立特征的體表示。

基于體分解的特征識(shí)別方法與基于邊界匹配的特征識(shí)別相比，對(duì)識(shí)別相交特征和曲面特征有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，但是總體上效率較低。因此，本系統(tǒng)采用基于邊界匹配的特征識(shí)別技術(shù)，并將其應(yīng)用到 NX軟件的 MKE模塊實(shí)現(xiàn)特征識(shí)別。

三、基于特征的車加工快速編程系統(tǒng)框架

為適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件數(shù)控編程自動(dòng)化和智能化的要求，本文在 NX平臺(tái)的 CAM模塊中，將智能編程的思路引入到系統(tǒng)中，集成加工特征識(shí)別、切削參數(shù)加載和工藝資源知識(shí)庫，建立了基于特征的車加工快速編程系統(tǒng)，系統(tǒng)框架如圖 4所示。

步驟 1：模型預(yù)處理工作，在 NX軟件中將設(shè)計(jì)模型和毛坯模型按照設(shè)計(jì)要求裝配在一個(gè)部件文件中，并對(duì)模型的典型特征進(jìn)行確定，完成后臺(tái)典型特征的特征識(shí)和加工規(guī)則程序的編制。

步驟 2：調(diào)用車加工快速編程系統(tǒng)，識(shí)別零件的典型加工特征。

步驟3：調(diào)用加工規(guī)則程序，選取特征所屬的加工模塊，實(shí)現(xiàn)切削區(qū)域的自動(dòng)化分、切削刀具的自動(dòng)調(diào)用和切削參數(shù)的自動(dòng)加載，并生成刀具軌跡。

步驟 4：對(duì)步驟 3中生成的刀具軌跡按照實(shí)際加工需要進(jìn)行排序。

步驟 5：對(duì)刀軌程序進(jìn)行后置處理和仿真優(yōu)化，優(yōu)化后的程序即可用于實(shí)際生產(chǎn)加工中。

1.加工向?qū)Фㄖ?/p>

本系統(tǒng)采用 NX中的加工向?qū)?gòu)造器模塊（ProcessStudio Author），創(chuàng)建車加工向?qū)?。在加工向?qū)?gòu)造器模塊把典型零件加工的編程過程定制成向?qū)０?，形成?biāo)準(zhǔn)的流程，用戶根據(jù)向?qū)У闹敢梢钥焖偻瓿勺鴺?biāo)系的創(chuàng)建、刀具、加工方法的選取等操作，極大地縮減了重復(fù)性的工作。用戶還可以根據(jù)實(shí)際需求定制加工向?qū)В瑢?shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的工作。對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的編程人員可以直接選取合適的加工向?qū)?，根?jù)指引完成加工程序的編制，既保證了程序的質(zhì)量，又縮短了程序編制周期。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的車加工向?qū)鐖D 5所示。

2.輔助工具

在 NX軟件的加工模塊中無法實(shí)現(xiàn)建模功能，在機(jī)匣類零件編程過程中通常需要?jiǎng)?chuàng)建輔助線或輔助面才能夠?qū)崿F(xiàn)一些程序的編制，這就需要編程人員在建模模塊和加工模塊不停的切換，給編程人員的工作帶來了極大的不便。本系統(tǒng)采用在 NX加工模塊嵌入簡(jiǎn)單建模功能解決了上述問題。圖6所示為在建模環(huán)境下調(diào)用拉伸命令。

3.數(shù)據(jù)庫文件

航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工特征種類較多，為了能夠?qū)崿F(xiàn)零件數(shù)控程序的快速準(zhǔn)確編制，需要豐富的數(shù)據(jù)庫作為支持，將成熟的加工經(jīng)驗(yàn)和典型加工方法固化下來，作為特征識(shí)別和程序編制的依據(jù)。數(shù)據(jù)庫主要由以下幾部分組成。

（1）加工特征庫：存儲(chǔ)各類零件的典型加工特征，作為特征識(shí)別模塊的基礎(chǔ)特征（圖 7）。

（2）加工刀具庫：存儲(chǔ)刀具的主要參數(shù)，包括刀具的類型、形狀和主要參數(shù)，便于編程時(shí)準(zhǔn)確快速的調(diào)用所需的刀具。

（3）加工規(guī)則庫：存儲(chǔ)各個(gè)典型特征各加工程序所需要的加工策略，使用 NX中的 MKE（加工知識(shí)編輯器，Machining Knowledge Editor）模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)加工規(guī)則的編制，通過對(duì)加工規(guī)則的調(diào)用可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序的自動(dòng)生成。

（4）加工向?qū)欤捍鎯?chǔ)定制的向?qū)０?，用戶可以根?jù)具體的加工需求從庫選擇合適加工向?qū)нM(jìn)行數(shù)控程序的編制。

在實(shí)際編程過程中，編程人員根據(jù)具體需求從數(shù)據(jù)庫中選擇合適的模板文件進(jìn)行程序編制，即可以提高編程效率，又能夠保證編程質(zhì)量。同時(shí)，編程人員還可以將常用的具有代表性的特征按照工作需求添加到數(shù)據(jù)庫中，對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行不斷的豐富和完善，使編制出的加工向?qū)Ш图庸ひ?guī)則在更大的范圍內(nèi)發(fā)揮作用。

四、典型機(jī)匣類零件車加工快速編程實(shí)例

基于以上研究分析，本文應(yīng)用航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣零件（圖3）對(duì)車加工快速編程工具進(jìn)行驗(yàn)證。

首先，根據(jù)該機(jī)匣件的結(jié)構(gòu)特征，將內(nèi)腔提取為 3個(gè)典型特征，進(jìn)入快速編程工具車加工向?qū)K（圖 8a），完成坐標(biāo)系和車加工幾何體的創(chuàng)建。其次，對(duì)典型特征進(jìn)行識(shí)別，完成加工特征模板的調(diào)用（圖 8b）。再次，調(diào)用加工規(guī)則程序，完成加工程序的創(chuàng)建（圖 8c）。最后，根據(jù)實(shí)際加工需求，對(duì)生成的加工程序進(jìn)行合理的排序，即完成該機(jī)匣件內(nèi)腔車加工程序的創(chuàng)建。

五、結(jié)語

本文針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣類零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，編程效率較低等問題，提出了基于加工特征的機(jī)匣類零件快速編程方法。該方法通過對(duì)典型特征的歸類、定義，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)匣類零件數(shù)控編程過程中切削區(qū)域的自動(dòng)劃分、切削參數(shù)的自動(dòng)加載以及刀具的自動(dòng)選取和調(diào)用，極大地提高了編程的效率和準(zhǔn)確性，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的快速編程技術(shù)提供了新思路。