整體殼段典型特征高效模塊化編程技術

張海洋，劉 爭，路騏安，張東東，杜澤宇

（首都航天機械有限公司，北京100076）

0 引言

整體殼段是航天產品核心零部件，具有結構復雜、尺寸精度高、材料去除率大、工藝過程復雜、加工周期長等特點。在殼段數控加工過程中，數控編程采用CAM軟件人機交互的方式實現。由于殼段結構復雜，編程過程中需要編程人員添加大量輔助面、輔助線和設定大量參數來實現，重復工作量大、效率低。同時，編程質量依賴于編程人員的經驗水平，編程質量一致性差。近年來，隨著航天產品任務需求增多、研制周期縮短，對工藝反應速度、工藝設計周期、工藝設計可靠性提出了越來越高的要求。為滿足目前型號研制高效、高可靠性要求，急需研究出一整套有效的指導方法，提高工藝人員的編程效率和編程質量，以增強航天典型產品的工藝設計效率及可靠性。

隨著計算機技術的發展，以加工特征為驅動的編程技術成為了當今的研究熱點。加工特征是指與零件加工過程相關的加工信息集合，能夠支持加工工藝的規劃和加工軌跡的生成［1］。近年來，國內外學者針對特征編程中的關鍵技術開展了大量研究，Li等［2］采用滾動球技術開展了特征識別和簡化技術的研究，范牧昌［3］提出了一種基于銑削特征的CAPP系統，浙江大學的黃國祥［4］在UG平臺上研究了基于加工特征的NC代碼自動生成技術。

本文針對整體殼段數控加工過程中編程難度大、重復工作量大、效率低及編程質量與編程人員能力水平密切相關等問題，通過總結歸納已有成功經驗，基于整體殼段產品化典型特征分類技術，深入研究了整體殼段典型特征多軸數控加工模塊化編程技術，在成熟商用CAM軟件上開發了整體殼段典型特征的多軸數控加工編程模塊，滿足了型號研制與批產工藝快速響應的需求，降低了企業運行成本，使生產過程更加穩定高效。

1 典型特征編程技術

基于特征的復雜工件數控加工就是以工件的加工特征為驅動，實現加工工藝、數控代碼的自動生成，并保證加工的高效性和正確性［5］。典型特征編程技術主要涉及典型特征自動識別技術、基于特征的數控代碼生成技術和編程模塊開發技術。

1.1 典型特征自動識別技術

所謂特征識別就是從產品的實體模型出發，自動地識別出其中具有一定工程意義的幾何形狀——即特征，進而生成產品的特征模型［6-7］。

加工特征的識別是從滿足復雜工件數控加工工藝規劃和數控代碼生成的要求出發，建立加工特征的識別信息，實現對特征的自動識別，再根據預先設定的加工工藝信息實現對加工特征模型的數控編程［8-9］，典型特征識別過程如圖1所示。

1.2 基于特征的數控代碼生成技術

圖1 加工特征識別示意圖Fig.1 Diagram of machining feature recognition

傳統數控編程基本采用CAM軟件人機交互的方式實現，刀具路徑通過加工模型中點、線、面等幾何信息作為驅動，操作過程復雜，效率低下?；谔卣鞯臄悼卮a生成技術是將可自動識別的特征作為刀具軌跡生成的驅動信息生成數控程序，刀具路徑生成過程中的輔助線、輔助面等幾何信息通過CAM軟件后臺自動完成，可大大減少編程人員的工作量，提高工作效率。

基于特征的數控加工程序一般生成過程如圖2所示。

圖2 代碼生成示意圖Fig.2 Diagram of code generating

具體步驟如下：

1）根據加工特征的結構信息，確定合理的加工設備、刀具、工裝等；

2）根據特征加工工藝方案，確定合理的刀具路徑和切削參數；

3）根據機床的類型和數控系統，生成相應的數控程序代碼；

4）通過數控加工仿真系統對數控程序代碼進行模擬仿真，保證數控程序的正確性。

1.3 編程模塊開發技術

UG NX軟件廣泛應用于機械制造、航空航天、汽車等領域，具有裝配設計、模具設計、二維工程圖制作、結構分析、運動仿真和數控加工等功能，其加工模塊提供了強大的計算機輔助制造功能。UG NX軟件實現加工經驗傳承的方法主要有：編程模板、 編程導航器、 MKE和UG／OPEN四種［10］。

在UG／OPEN方式中，UG NX提供一個自定義用戶界面功能Open User Interface Styler，并支持主流編程語言編譯， 如 C、 C＋＋、 C＃等［11］。 通過UG／OPEN可以實現幾乎所有UG NX現有功能的擴展，具有很大的靈活程度，其主要應用工具如圖3所示。本文基于UG NX平臺，采用C＋＋語言開展編程模塊的開發。

圖3 UG／OPEN工具包Fig.3 Toolkits of UG／OPEN

2 整體殼段典型特征編程模塊的開發

2.1 研究對象

按結構相似性原則對現有殼體特征進行分析，殼體銑加工特征基本包括網格、環槽、窗口等，本文針對環槽特征開展研究，特征結構形式如圖4所示。

圖4 環槽特征示意圖Fig.4 Diagram of ring groove feature

2.2 典型特征自動編程算法

典型特征自動編程包括了特征自動識別和程序自動生成兩部分。其中，特征自動識別是根據環槽特征幾何拓撲組成關系確定殼體中該特征的識別方法。環槽特征的特點是外形面為柱面或錐面且為殼段最大曲面，內側面是與外形面等厚的封閉面。因此，根據特征的幾何特點確定的識別流程如圖5所示。

圖5 環槽特征識別流程圖Fig.5 Flowchart of ring groove feature recognition

具體步驟如下：

1）計算殼段模型曲面，識別殼段模型表面所有的二維面Fi（i＝1，2，…，n）；

2）確定殼段外形面，計算殼體各個面Fi的面積Ai（i＝1，2，…，n），計算并確定對應的最大面FMax；

3）計算最大面FMax的回轉軸線LMax；

4）分別計算并判斷殼體各個面Fi的回轉軸線Li（i＝1，2，…，n）是否與LMax平行，如果Li與LMax平行則判斷曲面Fi是否為封閉面，如封閉則該曲面Fi為殼段環槽特征曲面。

程序自動生成部分包括程序所需的輔助線、輔助面的自動生成和進退刀、切削參數的自動給定，主要包括曲面中心點、刀具軌跡驅動曲線的計算，包括的步驟如下：

1）計算曲面Fi的幾何中心點Pi；

2）計算曲面Fi的幾何中心點Pi的內法向量Vi；

3）計算網格面Fi頂部曲線；

4）根據刀具參數計算網格頂部曲線偏置線，ETji（i＝1，2，…，m，j＝1，2，…，n），ETji作為數控加工程序生產的驅動曲線。

2.3 典型特征模塊開發

UG NX軟件中的UG／Open與傳統應用程序接口不同，它開發了資源的外部訪問、調用，提供了資源混搭機會，也保護了資源提供者，僅提供接口用于有限數量和頻率的獲取。本文研究的特征加工編程模塊的開發是在Windows 7 64位環境下采用面向對象的程序設計語言C＋＋，并使用了西門子UG NX提供的UG／Open開發工具包來實現，本次模塊開發的架構圖如圖6所示。其中，數據層包括了特征模板、工序模板、特征庫等信息，通過特征識別、自動創建輔助幾何、自動生產軌跡等功能的開發，實現了典型特征的自動編程。

圖6 系統架構圖Fig.6 Diagram of system architecture

該模塊采用人機交互式界面，分別針對不同的機床、加工坐標系、特征檢索方式進行了設置，如圖7所示。選取識別特征，對加工參數進行設置，即可自動生成加工程序。其中，輔助面、線及刀具路徑方式和進退刀設置等均由模塊自動完成，操作過程中僅需選擇需程序生成區域和加工刀具，選擇過程如圖8所示。參數選擇完成后，模塊自動運算并生成刀具路徑，模塊自動生產的刀具路徑如圖9所示。

圖7 特征機床、檢索方式選擇菜單Fig.7 Selection menu of machine and search method

圖8 模塊操作流程Fig.8 Flow of module operation

圖9 刀具路徑示意圖Fig.9 Diagram of tool path

采用模塊化編程技術后，人員的編程效率得到了很大的提升。以某產品環槽特征為例，采用傳統編程方式，經驗豐富的編程人員大概需要2.5h才能完成程序編制；采用編程模塊后，僅需2min便可以完成，效率提升了98.7%，極大地降低了編程人員的工作強度。

3 結論

隨著航天產品任務需求增多、研制周期縮短，對工藝反應速度、工藝設計周期、工藝設計可靠性提出了越來越高的要求，基于CAM軟件以典型加工特征為驅動的模塊化編程技術是解決這一問題的有效途徑。因此，本文通過對航天殼段典型特征模塊化編程技術的研究，基于UG NX軟件平臺實現了環槽特征的快速編程，環槽特征編程時間由2.5h縮短至2min，效率提升了98.7%，極大地降低了工藝人員的編程操作量，提高了工藝設計效率，為滿足產品任務需求提供了有效保障。