基于知识和特征的自动编程技术的应用

基于知识和特征的自动编程技术的应用

高培军，赵文军，马 涛，张立宾

(特种车辆及其传动系统智能制造国家重点实验室，内蒙古 包头 014032)

摘 要：对以快速编程为特点的基于知识和特征的自动编程技术进行了简要介绍，以油缸、牵引钩等典型零件为例，采用基于知识和特征的自动编程技术进行了数控加工程序的编制，并进行了实际加工验证。通过采用基于知识和特征的自动编程技术，极大地提高了数控程序的编制效率和编制质量。

关键词：知识和特征；自动编程；应用

随着数控技术的发展，数控加工在机械制造业的应用日趋广泛，使数控加工方法的先进性和高效性与冗长复杂、效率低下的数控编程之间的矛盾更加尖锐，数控编程能力与生产不匹配的矛盾日益明显。如何有效地表达、高效地输入零件信息，实现数控编程的自动化， 已成为数控加工中亟待解决的问题。计算机技术的逐步完善和发展，给数控技术带来了新的发展奇迹，其强大的计算功能、完善的图形处理能力都为数控编程的高效化、智能化提供了良好的开发平台[1]。

自动编程作为一种高效快速的编程技术，是借助计算机及其外围设备装置自动完成从零件图构造、零件加工程序编制到控制介质制作等工作的一种编程方法[2]。数控自动编程软件在强大的市场需求驱动下和软件业的激烈竞争中得到了很大的发展，功能不断得到更新与拓展，性能不断完善提高。作为高科技转化为现实生产力的直接体现，数控自动编程已代替手工编程在数控机床的使用中发挥着越来越大的作用。

目前，CAD/CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，但其人机交互编程过程过于繁琐，且对编程人员专业素质要求较高，已不能适应当前科研产品的快速研制需求。而基于知识和特征的自动编程技术以其高效、快速、便捷的编程特点已经成为数控编程技术发展的新趋势，它利用三维设计软件绘制出零件加工模型，经过对零件典型加工特征进行识别，自动生成刀具路径和加工程序，减少了人机交互的环节，而又积累了企业的加工经验，大大推动了企业制造水平和研发能力的提升。

1 基于知识和特征的自动编程技术

基于知识和特征的自动编程技术是指采用计算机系统进行数控加工程序的编制时，编程软件系统能够自动从被编程零件的模型中提取加工信息，并根据软件系统中的工艺经验知识库快速完成数控加工程序的编制。自动编程是提高编程效率和编程准确率的一种高效编程方法，利用自动编程技术能够编制极为复杂零件的加工程序以及手工无法完成的复杂程序。自动编程技术通过应用三维设计软件对典型零件进行建模，并应用自动编程软件进行自动编程，对零件的面、孔、槽和型腔等各类典型特征进行自动识别，自动选择合理刀具，并生成相应特征的加工代码，从而自动获得整个零件在不同数控机床和控制系统中的加工程序。

2 FeatrueCAM软件简介

FeatureCAM是原美国EGS公司开发的基于知识和特征、使用自动特征识别技术和交互式特征识别技术的全功能CAM软件。FeatureCAM软件独特的基于知识和特征的自动编程功能，极大地简化了编程设置环节，仅需输入模型，就可自动识别模型特征，并根据特征自动选择刀具、加工方式及转速等条件，即可自动产生稳定、可靠的刀具路径及NC代码。基于特征和知识的技术应用，使零件加工编程更方便简捷，缩短了加工编程时间，大大提高了生产效率。FeatureCAM软件编程过程能够实现真正意义上的基于特征的自动编程。

FeatureCAM软件自动编程流程如下。

1)建立零件设计模型及毛坯模型。根据零件设计图样，应用三维工程设计软件对零件及毛坯进行三维实体建模。

2)自动识别零件特征。将零件模型导入FeatureCAM软件中，通过选择手动交互方式识别或者自动特征识别，对零件的平面、孔、台阶和型腔等特征进行自动识别，简化编程设置环节。

3)确定加工方案及加工参数。根据零件的加工部位及加工要求，确定加工方案，并合理选择加工参数，包括刀具、走刀路径、切削速度和进给速度等。当选用软件系统材料库中的毛坯材料时，也可采用软件推荐的加工方案及加工参数，从而提高编程效率。企业可以根据自身经验，在自动编程软件中建立适合自己生产条件的工艺知识库(包括材料库、刀具库和切削参数库等)，在编程时自动选择适合本企业的加工参数，从而使本企业的工艺知识得以固化和传承。

4)仿真刀具轨迹及自动生成数控程序。应用FeatureCAM软件的自动编程功能，针对被加工零件的部位及特征，自动生成刀具轨迹。并根据后置处理程序转换成适应于不同控制系统的数控程序。

5)现场实际加工。将数控加工程序通过数控机床联网系统传送至实际加工机床，对零件进行实际加工。此时，因数控加工程序已经过优化和验证，所以在加工时可省去以往的试切工作，从而大幅提高数控机床的利用率和生产效率。

3 FeatureCAM与其他数控编程软件对比

目前，在国内制造行业使用的CAM软件种类较多，但绝大多数为国外产品，主要有CATIA、Pro/E、UG、Cimatron、Mastercam、Solidworks及FeatureCAM等。FeatureCAM软件作为基于知识和特征的快速编程软件，与其他CAM软件相比，在编程效率及编程质量方面具有较强的优势，其强大的特征识别功能，能从设计模型中准确提取加工要素和几何信息，加速了产品从设计到加工的全过程，使零件加工编程更方便、更简单，极大地缩短了加工编程时间。FeatureCAM软件与其他CAM软件数控编程过程的简单对比见表1。

表1 FeatureCAM软件与其他CAM软件编程过程简单对比

序号数控编程工作内容FeatureCAM软件其他CAM软件1绘制几何轮廓编程人员完成编程人员完成2选择操作编程人员完成编程人员完成3选取几何轮廓编程人员完成编程人员完成4定义切削深度软件自动完成编程人员完成5选择粗加工刀具软件自动完成编程人员完成6定义加工深度及路径软件自动完成编程人员完成7定义切削步距软件自动完成编程人员完成8选择操作软件自动完成编程人员完成9选取几何轮廓软件自动完成编程人员完成10选择精加工刀具软件自动完成编程人员完成11定义加工深度及路径软件自动完成编程人员完成12定义切削步距软件自动完成编程人员完成

由表1可以看出，与传统的CAM编程软件相比，FeatureCAM软件将编程过程中大量的工作由软件自动识别计算完成，从而大大减轻了数控编程人员的工作量，提高了程序的准确性，也降低了CAM软件的使用门槛。

4 典型实例

4.1 油缸的加工

油缸为某产品变速机构中的重要零件，其基础结构为典型的环状零件，在端面上分布有多种螺栓孔、销孔及高精度的油缸槽。其结构如图1所示。以端面上螺栓孔及销孔的加工为例，进行数控程序的自动编制。

图1 油缸零件结构图

4.1.1 模型导入及加工特征的识别

将油缸螺栓孔及销孔加工工序的工序模型及毛坯模型导入到FeatureCAM软件中，并对油缸中的螺栓孔及销孔等特征进行自动识别，自动生成加工方案及流程(见图2)。

图2 加工特征识别

4.1.2 加工刀具及加工参数选择

根据自动生成的加工流程，软件自动选择适合的加工刀具及加工参数(见图3)。

图3 加工刀具设定

4.1.3 加工属性及后处理设定

根据企业实际加工经验和加工条件，设定钻孔、车/镗、螺纹加工等通用加工条件，同时根据实际加工设备的控制系统型号设定后处理程序，该部分内容仅在首次使用软件时需要设定。

4.1.4 加工路径仿真及加工程序生成

最后进行刀具加工路径仿真，仿真后系统自动生成NC加工程序，并可直接在窗口浏览(见图4)。

图4 生成NC加工程序

4.1.5 现场实际加工

将上述数控程序通过DNC网络系统传送至实际加工机床，直接进行零件的加工。

4.2 牵引钩的加工

牵引钩是履带式牵引车中的重要零件，零件外形复杂，由于生产批量较少，在试制时采用全部机械加工成形来代替模锻成形。对于其中的截面为圆形的半圆环结构，由于结构复杂，数控加工程序无法通过手工完成，因此只能采用编程软件进行编制。牵引钩零件模型如图5所示，毛坯模型如图6所示。

图5 牵引钩零件模型 图6 牵引钩毛坯模型

4.2.1 模型导入及加工特征的识别

对牵引钩半圆环结构进行特征识别(见图7)。

图7 加工特征识别

4.2.2 加工路径仿真及加工程序生成

利用球头铣刀进行刀具加工路径仿真及加工程序的生成。加工路径仿真如图8所示。

图8 加工路径仿真

4.2.3 现场实际加工

将生成的数控加工程序通过DNC网络系统传送到数控机床进行实际加工，现场加工图如图9所示，加工后零件外形图如图10所示。

图9 牵引钩现场加工图

图10 牵引钩加工后外形图

5 结语

基于知识和特征的自动编程是一种高效快速的编程方法，它提高了编程人员数控程序的编程效率和编程质量，能够帮助企业实现新研制产品的快速制造，缩短研制周期，大幅提升企业快速制造响应能力，同时也能够传承企业宝贵的加工经验，提升企业的工艺设计水平。

参考文献：

[1] 杨建民. 数控加工工艺与编程[M]. 北京：北京理工大学出版社，2006.

[2] 李文，高健. 自动编程与加工仿真技术的应用[J]. 职业教育研究，2005(9):86-87.

责任编辑 郑练

The Application of the Automatic Programming Technology based on the Knowledge and Features

GAO Peijun, ZHAO Wenjun, MA Tao, ZHANG Libin

(State Key Laboratory of Smart Manufacturing for Special Vehicles and Transmission System, Baotou 014032, China)

Abstract：This paper gives a brief introduction to the automatic programming techniques that characterized by rapid programming based on knowledge and features. Take the typical parts such as cylinder and traction hook as examples, and the actual processing is carried out. Through the adoption of automatic programming technology based on the knowledge and features, the NC program compilation efficiency and quality is greatly improved.

Key words：the knowledge and features, automatic programming, application

中图分类号：TP 311

文献标志码：A

作者简介：高培军(1973-)，男，研究员级高级工程师，主管工艺师，主要从事机械加工及数字化制造技术等方面的研究。

收稿日期：2017-02-24