基于特征編碼的飛機結構件工藝設計*

（南昌航空大學航空制造工程學院， 南昌 330000）

飛機結構件是構成飛機機體骨架和氣動外形的主要部分，加工特征類型多、外形復雜、精度高、難度大，尤其是整體結構件的使用使得加工難度大大增加。但不同種類的飛機結構件均包含槽、筋、孔、凸臺等相同的特征[1]。因此，特征成為飛機結構件加工信息的載體。袁青[2]基于遺傳算法，通過擴展加工元構建優(yōu)先權系數矩陣，建立符合優(yōu)先權系數矩陣的初始種群完成了加工特征的排序，開發(fā)了基于特征的飛機結構件工藝決策系統(tǒng)。廖友軍[3]以特征識別技術為基礎，實現(xiàn)AutoCAD二維工程圖加工特征提取并進行系統(tǒng)開發(fā)。杜朋[4]在UG環(huán)境下提出零件的層次信息，設計基于特征表面層的制造特征提取的方法并進行系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)了零件模型重構。郝永濤等[5]針對孔提出基于知識推理的加工工藝規(guī)劃方法。Saleh等[6]把加工零件尺寸數據轉換為STEP AP224 XML數據文件，實現(xiàn)加工特征智能規(guī)劃排序。WANG等[7]通過幾何求交得到強化加工特征（Enriched Machining Feature，EMF）生成泛型加工特征順序。

本文借鑒以上加工排序的經驗，提出基于特征編碼的飛機結構件工藝設計方法，該方法以特征編碼為基礎，結合特征識別，融入非幾何信息指導工藝決策，將飛機結構件加工元進行加工排序，基于CATIA平臺開發(fā)快速編程模塊以完成飛機結構件數控加工。

1 飛機結構件特征分類及編碼

1.1 飛機結構件特征分類

根據飛機結構件加工特征幾何形狀，加工特征分為槽特征、筋特征、孔特征、輪廓特征和輔助特征等5類，每一類又以加工方式不同分成多個子類，如圖1所示。

1.2 飛機結構件特征編碼

飛機結構件特征編碼就是借鑒成組技術將飛機結構件中相同或相似的特征歸類，并按照一定的規(guī)則用特定的字符進行標識形成特征族，針對特征族制定成組工藝。飛機結構件特征編碼是由字母和數字組成8位碼，前3碼位表示特征類別，第4碼位及以后為輔助碼。飛機結構件特征編碼結構如圖2所示。

將飛機結構件加工特征分類編碼的主要用途是檢索有關特征從設計、工藝到生產的各種信息。特征分類編碼如表1所示，基于CATIA V5后置處理常用加工方式、刀具類型以及進/退刀方式編碼如表2所示。以R（Rib）代表筋，C（Contour）代表輪廓，H（Hole）代表孔，TB（Technology Boss）代表工藝凸臺，S（Slot）代表槽。

2 基于特征編碼的飛機結構件工藝設計

2.1 特征識別

隨著CAD/CAPP/CAM 技術的快速發(fā)展，零件設計信息和工藝信息的集成是CIMS發(fā)展的必然要求，特征識別技術成為實現(xiàn)設計信息和工藝信息集成的橋梁。

基于圖的特征識別是一種采用面邊圖來表示零件的邊界模式，將零件面邊圖中的適當子圖與預定義的特征子圖進行匹配來識別特征的方法[8-10]。面邊圖是以零件的面為結點，以面之間的鄰接關系為弧的圖。零件屬性鄰接圖（AAG）是在面邊圖的基礎上引入邊的凹凸性，使得零件邊界模式更加完整的圖。本文用“1” 表示凸邊，“ 0”表示凹邊?；趫D的特征識別的策略是將AAG中所有凸邊去掉得到全凹的鄰接子圖，在全凹的鄰接子圖中去掉代表毛坯面的結點得到零件加工特征子圖，再將加工特征子圖與預定義的特征子圖匹配，如圖3所示，用數字1～16分別表示模型的18個面。

圖1 飛機結構件特征分類Fig.1 Features classification of aircraft structure parts

圖2 特征編碼結構Fig.2 Coding structure of features

表1 飛機結構件特征分類編碼

表2 基于CATIA V5常用后置處理編碼

2.2 加工元排序

加工元是組成加工特征的基本單元[11]，幾乎包含了飛機結構件中所有的加工特征。加工元均有其加工方向。定義最低且法向為Z向（加工方向）的面為基準面，以基準面法向矢量作為基準方向V，根據基準方向V將飛機結構件模型中的面劃分為與基準方向近似垂直的水平面集HPi和與基準方向近似平行的垂直面集VPi，每一個HPi與其所有凹鄰接關系VPi組成加工元，加工元用E表示，如圖4所示。

用Pocket表示簡單槽，E1、E2、E3分別表示簡單槽的3個加工元，以槽外輪廓底面HP4為基準面，以基準面法向矢量作為基準方向V。則簡單槽可表示為：

E1=HP1∪VP1

E2=HP2∪（VP2∪ VP3∪ VP6∪ VP5）

E3=HP3∪（VP3∪ VP3∪ VP3）

Pocket= E1∪ E2∪ E3

圖3 簡單零件模型及特征子圖Fig.3 Simple part models and feature subplot

加工排序[12]是CAPP系統(tǒng)工藝決策的主要依據，加工元排序策略：選定基準面，按基準方向V把飛機結構件加工特征分層得到加工元，將第i層上的加工元與特征編碼表匹配，檢索對應成組工藝，以減少換刀次數和空刀行程為優(yōu)化目標將加工元進行排序。

Step1：檢索第一層加工元M11、M12刀具信息，如果M12和M11刀具相同，則M12排在M11之后。

Step2：檢索M13，…，M1j所用的刀具信息，如表3所示。如果 M1（j+1）所用的刀具和 M1j相同，則 M1（j+1）排在M1j之后。一直檢索直到最后一個加工元或加工元選用刀具與前一加工元不同，則轉跳至下一加工元或下一層級。

圖4 簡單槽的加工元Fig.4 Processing element of simple slot

表3 加工元刀具信息

Step3：檢索第一層未匹配成功的加工元，按Step1、Step2的方式排序，直到第一層所有加工元排序完畢。工步排序如表4所示。

Step4：執(zhí)行i=i+1，繼續(xù)檢索第i層的加工刀具信息，按Step1、 Step2和Step3的方式排序。一直檢索，直到i=n，j=k，結束排序。

表4 加工元工步排序

2.3 基于特征編碼的飛機結構件工藝設計

飛機結構件加工工序多，精度要求高，使得飛機制造業(yè)越來越趨勢于自動化和數字化制造[13]?；谔卣骶幋a的飛機結構件工藝設計通過對結構件特征識別與分類得到特征族，將特征分解得到加工元后與特征編碼表匹配，檢索特征族對應的成組工藝，最后對加工元排序的一種工藝設計方法?；谔卣骶幋a的飛機結構件工藝設計方法流程如圖5所示。

Step1 將飛機結構件特征分類編碼，構建結構件特征編碼表，制定特征族成組工藝。

Step2 對飛機結構件進行工件預處理，選擇裝夾方案。

Step3 以飛機結構件MBD模型為唯一依據，標注飛機結構件加工特征并進行特征識別。

Step4 判斷特征是否屬于輪廓。

Step5 加工特征分解得到加工元。

Step6 將加工元與特征編碼表匹配，提取對應的刀具信息，將加工元排序，傳遞給CAPP系統(tǒng)進行工藝決策。

圖5 基于特征編碼的飛機結構件工藝設計流程圖Fig.5 Processing flow chart of aircraft structure parts based on the features coding

Step7 根據CAPP系統(tǒng)提供的工藝決策結果，進行仿真加工，檢測是否出現(xiàn)干涉、撞刀等現(xiàn)象，若出現(xiàn)，則反饋給CAPP系統(tǒng)修改，直到仿真合格后選擇機床，對刀軌后處理，生成NC代碼。

3 應用實例

以槽腔結構件為例分析基于特征編碼的飛機結構件工藝設計方法，基于CATIA V5平臺開發(fā)特征識別系統(tǒng)和工藝設計模塊，飛機結構件的特征標注如圖6所示。

Step1對槽腔結構件進行特征識別，與特征編碼表匹配，提取成組工藝信息。

Step2 加工元排序。為便于排列表達，將加工元編號（見圖7） 排序如下： C111→S121→S151→S111→S112→S131→TB111→S141→S1 42→S143→R121→R131→H132→H131→H133。

按上述方法，通過在CATIA V5中進行仿真加工，修改不合理的刀軌，以避免干涉、撞刀等現(xiàn)象，生成并導出NC代碼，使用代木在銑床上完成零件的加工。

圖6 飛機槽腔結構件Fig.6 Pocket of aircraft structure parts

圖7 編碼特征Fig.7 Serial number of features coding

4 結論

加工結果驗證了基于特征編碼的飛機結構件工藝設計方法的可行性。以特征編碼為基礎，提取特征族非幾何信息指導工藝決策，以減少換刀次數為優(yōu)化目標對加工元進行排序，縮短了飛機結構件加工工藝決策周期，提高了加工工藝決策效率和自動化程度。

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