基于Unigraphics軟件的復(fù)雜殼體制造特征自動識別技術(shù)*

□ 韓曉光 □ 翟婷婷 □ 付移風(fēng) □ 南小俠

中國航發(fā)西安動力控制科技有限公司 西安 710077

1 研究背景

工藝知識是企業(yè)的寶貴財富,也是企業(yè)核心競爭力的組成部分。高效積累、再利用工藝知識,是企業(yè)發(fā)展的需要和目標(biāo)[1]。近年來,隨著市場對小批量、多品種產(chǎn)品的需求日益增加,企業(yè)工藝設(shè)計的重點從原來的單品種、大批量產(chǎn)品向多品種、小批量產(chǎn)品轉(zhuǎn)變,這就要求企業(yè)具有快速的產(chǎn)品開發(fā)能力。對產(chǎn)品進行快速工藝設(shè)計是產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵,企業(yè)迫切需要一種先進的工藝知識管理方法來支撐工藝設(shè)計。目前的工藝知識管理方法是對工藝知識按照知識類別進行分類組織和管理,工藝知識查詢過程煩瑣,查詢結(jié)果單一,不能有效支持工藝方案設(shè)計[2]。同時,在編制數(shù)控程序時,程序的優(yōu)劣往往取決于工藝人員的經(jīng)驗,工藝人員的編程經(jīng)驗無法得到共享,不同的工藝人員所編制的數(shù)控程序差異性較大[3]。

筆者對刀具庫、切削參數(shù)庫及制造特征庫的建立方法進行研究,重點對制造特征的識別流程、特征自動識別步驟,以及制造知識庫的調(diào)用等相關(guān)方法進行分析,進而提出一種基于Unigraphics軟件的復(fù)雜殼體制造特征自動識別技術(shù)。

2 制造知識庫

由于制造企業(yè)之間,甚至是同一家企業(yè)的不同車間之間對工藝知識的需求有很大差異,因此單一種類的工藝知識管理模式很難滿足企業(yè)車間對工藝設(shè)計知識的需求,這是因為在工藝設(shè)計的過程中,對知識的需求是多種類的,既需要制造資源方面的知識,也需要加工方法及工藝參數(shù)等方面的知識[4]。

建立制造知識庫,包括建立制造資源知識庫、工藝知識庫及制造特征庫三部分。制造知識庫框架如圖1所示。

▲圖1 制造知識庫框架

2.1 刀具庫

刀具庫從屬于制造資源知識庫下的工藝裝備部分。在數(shù)控編程過程中,數(shù)控刀具的選擇主要調(diào)用刀具庫。通過對生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)控加工刀具數(shù)據(jù)進行收集、歸類和整理,依據(jù)Unigraphics刀具數(shù)據(jù)庫中刀具記錄結(jié)構(gòu)的命名規(guī)則,對不同類型的刀具采用標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的定義和描述,在Tool_database.dat文件中完成刀具庫的建立,如圖2所示。

▲圖2 刀具庫

2.2 工藝參數(shù)庫

依據(jù)Unigraphics切削數(shù)據(jù)庫中工藝參數(shù)記錄結(jié)構(gòu)的命名規(guī)則,統(tǒng)計現(xiàn)場加工過程中使用的切削數(shù)據(jù),在Tool_machining.data文件中創(chuàng)建較優(yōu)的工藝參數(shù)庫,如圖3所示。

2.3 制造特征庫

對企業(yè)的復(fù)雜殼體產(chǎn)品進行特征分析,對復(fù)雜殼體的幾何特征進行歸納分類。采用STEP特征分類方法創(chuàng)建屬于企業(yè)內(nèi)部的幾何特征庫,將制造特征分為基本特征、復(fù)合特征和特征列陣三大類,每個大類又可細(xì)分具體的特征單元。

▲圖3 工藝參數(shù)庫

對HOLE特征和POCKET特征做如下說明:HOLE特征沒有底部,且可以從兩邊加工;POCKET特征有底部,且只能從單邊加工;STEP后的數(shù)字描述的是HOLE特征和POCKET特征的階數(shù),直徑相同的特征數(shù)應(yīng)重復(fù)計數(shù)。

HOLE特征和POCKET特征命名如圖4所示。

在建立制造特征庫時,需要進行特征分解、工藝知識分類、特征定制。

(1) 特征分解。所謂特征分解,可以定義為已知輸出特征(設(shè)計圖特征)和輸入特征(毛坯),求解過程特征(中間工序)、相關(guān)操作及操作資源的過程,這是一個逆向推理的過程。以螺紋孔特征為例,特征分解過程見表1。

(2) 工藝知識分類。工藝設(shè)計過程中,對工藝知識的需求有一定特殊性,表現(xiàn)為知識的范圍較廣,既包括制造資源、加工方法等顯性知識,也包括工藝決策等存在于設(shè)計人員大腦中的隱性知識。針對工藝設(shè)計過程對工藝知識的特殊需求,提出一種基于復(fù)雜殼體制造特征的工藝知識表達模型,如圖5所示。通過將制造特征和與特征工藝相關(guān)的知識進行關(guān)聯(lián),使每一個制造特征都有相對應(yīng)的一系列工藝知識。

▲圖4 HOLE特征和POCKET特征命名

表1 螺紋孔特征分解過程

▲圖5 工藝知識表達模型

知識分類直接面向工藝設(shè)計過程,其中,制造資源知識主要包括工藝設(shè)計過程中需要的工裝方面的知識和加工設(shè)備方面的知識[5];工藝方法知識主要包括加工制造特征所采用的各種加工方法,根據(jù)特征的幾何形狀、材料和不同的精度要求,采用不同的加工方法;工藝參數(shù)知識是加工制造特征過程中根據(jù)不同的特征信息選擇的特征加工參數(shù);工藝決策知識由經(jīng)驗性規(guī)則、過程性算法及對工藝決策過程進行控制的知識等組成[6]。

(3) 特征定制。特征定制指將制造特征的工藝設(shè)計過程轉(zhuǎn)換為Unigraphics可識別的數(shù)據(jù)[7]。特征定制對話框如圖6所示。

▲圖6 特征定制對話框

以圖6中標(biāo)記對對話框內(nèi)容進行說明:①為制造知識庫層次關(guān)系;②為操作名稱;③為輸出特征,即本工序加工完成后復(fù)雜殼體的結(jié)構(gòu)特征;④為操作類型,如鉆、銑、鉸等;⑤為輸入特征,即本工序加工前復(fù)雜殼體的結(jié)構(gòu)特征;⑥為操作優(yōu)先級,數(shù)值越大,優(yōu)先級越高;⑦為操作資源,即加工所用刀具,如中心鉆、麻花鉆、鉸刀等;⑧為約束條件、常量、材料、設(shè)備等定制信息,用于定義操作準(zhǔn)則、刀具屬性、操作屬性、輸入特征、輸出特征等。

3 制造特征自動識別

3.1 識別流程

Unigraphics加工知識編輯器運行流程如圖7所示。工藝人員可以使用加工知識編輯器來管理制造特征庫和工藝知識庫,工藝人員的經(jīng)驗知識可以得到有效積累、分享[8]。對于計算機輔助制造而言,在進行特征自動識別過程中,會在后臺調(diào)用制造特征庫,得到加工特征,并在創(chuàng)建工藝的過程中,調(diào)用工藝知識庫、刀具庫和模板,按照優(yōu)先級自動進行工藝決策,最后生成計算機輔助制造操作[9]。

3.2 識別方法推理過程

在進行工藝決策的過程中,需要綜合考慮加工精度、設(shè)備情況、工藝情況、成本因素等,最后得到最佳的加工路線[10]。以STEP1HOLE通孔特征為例,對制造特征自動識別方法推理過程進行介紹。STEP1HOLE 特征如圖8所示,尺寸為φ12 mmH7,識別方法如圖9所示。

▲圖7 加工知識編輯器運行流程

▲圖8 STEP1HOLE特征

▲圖9 制造特征自動識別方法推理過程

(1) 在加工知識編輯器中加載工藝知識文件,打開銑削、鉆削規(guī)則庫,選中所有規(guī)則。已知輸出特征為STEP1HOLEφ12 mmH7,打開輸出過濾器,得到候選規(guī)則列表。候選規(guī)則列表經(jīng)過過濾的操作,最后都會得到STEP1HOLE特征,工藝規(guī)則會按照賦值由低到高排列,賦值越高,說明規(guī)則成本越低、加工越方便,同時加工精度也越低。系統(tǒng)會依照賦值從高到低選擇合適規(guī)則。標(biāo)志代表規(guī)則被拒絕,列表中賦值最高的是規(guī)則Drill_S1H,但它首先被系統(tǒng)所拒絕。原因是刀具麻花鉆的精度無法達到所要求的H7。

(2) 賦值次高的規(guī)則是Drill_in_center_ S1H,由于加工精度無法滿足要求,也被系統(tǒng)拒絕。

(3) 經(jīng)過多輪判定,由于Ream_S1H 規(guī)則中的所有條件都為真,因此系統(tǒng)選擇了Ream_S1H 規(guī)則。這一規(guī)則會被應(yīng)用于STEP1HOLEφ12 mmH7特征的加工,作為最后一道工序。

(4) Ream_S1H的輸入特征為STEP1HOLE,會被作為中間工序特征,即下一步的輸出特征。相似的推理過程再次被執(zhí)行,候選列表中的規(guī)則按照賦值由高到低的順序排列,直至有規(guī)則執(zhí)行通過為止。需要注意的是,中間工序特征沒有精度要求。規(guī)則的定義具有全面性,不僅包含加工的精度,而且包含工藝的考量、刀具的因素和輸出特征的屬性等。例如,在此步推理中,Drill_S1H規(guī)則沒有被執(zhí)行,因為Drill_ S1H規(guī)則要求在毛坯狀態(tài)下加工成形。此步推理中,Drill_in_center_S1H 成功被選定,成為繼Ream_S1H 之后第二條工藝規(guī)則。

(5) 依次類推,Drill_in_center_S1H 的輸入特征為POCKET_ROUND_TAPERED,系統(tǒng)將其列為輸出特征,在候選規(guī)則列表中進行匹配,最后得到Spot_Drill規(guī)則。Spot_Drill的輸入特征為Blank,即毛坯,因此推理過程結(jié)束。

通過以上推理過程,系統(tǒng)得到了合適的工藝鏈,如圖10所示。系統(tǒng)會依據(jù)工藝鏈在Unigraphics操作導(dǎo)航器中添加操作Spot_Drill、Drill、Ream。

▲圖10 工藝鏈

4 制造知識庫調(diào)用

4.1 調(diào)用流程

建立制造知識庫的目的就是可以在后續(xù)工作中直接調(diào)用,不再進行煩瑣的工作,在減少工作量的同時降低出錯的概率。

制造知識庫的調(diào)用流程如圖11所示。

▲圖11 制造知識庫調(diào)用流程

4.2 主要步驟

制造知識庫調(diào)用的主要步驟如下:

(1) 加載復(fù)雜殼體數(shù)模,數(shù)模必須具有公差、粗糙度等參數(shù)信息,否則特征庫無法與模型特征進行匹配,如果沒有參數(shù),則定義相關(guān)參數(shù);

(2) 在加工環(huán)境下,選擇加工知識編輯器,對復(fù)雜殼體進行特征識別,構(gòu)造復(fù)雜殼體的特征模型,得到復(fù)雜殼體加工特征;

(3) 創(chuàng)建過程特征,在創(chuàng)建過程中,類型可以選擇基于規(guī)則,也可以選擇基于模板;選擇基于規(guī)則時,應(yīng)選擇相應(yīng)的知識庫;選擇基于模板時,應(yīng)選擇相應(yīng)的模板類型;

(4) 計算刀軌,并進行刀軌模擬,確認(rèn)刀軌的正確性。

5 結(jié)束語

通過對基于Unigraphics軟件的復(fù)雜殼體制造特征自動識別技術(shù)進行深入研究[11-12],建立了刀具庫、工藝參數(shù)庫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用工藝知識表達模型,在積累工藝知識的同時,為工藝人員的經(jīng)驗分享提供了可行途徑。通過對特征識別過程中工藝決策的詳細(xì)研究,實現(xiàn)了制造特征庫的定制。通過調(diào)用制造知識庫,可以有效縮短編程時間,在提高編程效率的同時,有效提升數(shù)控程序的一致性和復(fù)雜殼體的加工質(zhì)量。