針對數控編程時間長、標準化程度低以及切削效率不高的問題，以某典型殼體零件數控加工工序為研究對象，探索了基于特征的智能編程方法，將知識庫建立、特征識別、工藝仿真、刀具自動匹配、刀路自動生成、切削參數自動匹配和加工仿真優(yōu)化等技術在NX編程軟件有機集成，自動輸出加工方案及優(yōu)化的NC程序 代碼，實現數控程序的快速編制，提升數控程序標準化程度及數控加工效率。經加工驗證，典型殼體零件數控編程效率提高30%以上，數控加工效率提升20%以上。
序言
航空發(fā)動機燃油附件殼體是航空發(fā)動機控制系統(tǒng)核心部件，基于其結構復雜、加工部位多且精度要求高等因素，公司數控編程仍以手工為主，NX軟件為輔，高度依賴編程人員的技術水平和經驗。而且軟件編程需要后處理程序輸出NC代碼，對于多孔系殼體類零件，程序輸出與修改不及手工編程方便快捷，數控程序編制、調試時間長，標準化程度低，還存在切削參數不合理、機床利用率低、加工質量不穩(wěn)定及效率較低的問題，制約了產品研發(fā)生產進度，研究一種新型快速編程方法勢在必行。
基于特征的快速編程技術發(fā)展至今，其特征識別、工藝仿真及刀路自動生成等關鍵技術已相對比較成熟。廖友軍、袁修華、劉峰[1-3]開發(fā)了基于特征技術的制造加工系統(tǒng)，但都是建立在二維和2.5維圖形文件的特征識別基礎上，識別的特征都為底層加工特征?；蓐康萚4]以具有典型特征的飛機整體肋類零件對基于特征的快速編程系統(tǒng)進行驗證，丁國智等[5]開發(fā)了基于該方法的快速編程系統(tǒng)。然而，由于企業(yè)零件結構特征、加工能力不同，上述方法僅供參考，企業(yè)還需根據已有資源及能力定制開發(fā)適合自身產品加工的一套編程系統(tǒng)，相關技術尚需驗證。本文針對航空發(fā)動機燃油附件復雜殼體，研究基于特征的智能編程技術，期望開發(fā)出適合公司典型殼體零件的高效數控加工編程系統(tǒng)，以提升數控編程效率及數控加工效率。
基于特征的智能編程方法
基于特征的智能編程方法，即以特征為研究對象，以建設的特征知識庫、加工知識庫為基礎，在NX平臺通過加工結構搭建、工藝路線匹配、刀路匹配、NC代碼輸出、加工仿真與優(yōu)化等，實現殼體零件數控編程自動化和智能化。
2.1 基本組成及功能框架
（1）基本組成 基于特征的智能編程方法，以特征知識建模器、工藝知識建模器和加工數據管理器3個模塊及基于NX的客戶端應用組成（見圖1）， 構成一套相對完整的智能編程工具。
圖1 基本組成
（2）功能框架 功能框架（見圖2）以現有資源為基礎，基于某殼體零件包含的特征，建設特征知識庫及加工知識庫（機床、刀具和切削參數），并完成從特征識別、工藝路線匹配、刀具自動匹配、切削參數自動匹配、NC代碼輸出到仿真驗證及優(yōu)化的流程貫通，實現數控編程自動化和智能化。
圖2 功能框架
2.2 知識庫構建
（1）特征知識庫 根據零件包含的三維特征，結合工藝條件對特征進行定義，并開發(fā)每種特征的識別算法，將其錄入到知識建模器中，使其在進行特征識別時能夠準確地識別到所包含的特征。
（2）工藝規(guī)則庫 根據特征的加工方法、加工刀具及加工參數，將其轉換為代碼，錄入到系統(tǒng)中，在工藝路線匹配時作為推理的依據，并給出最合理的工藝路線，同時完成工藝路線中刀路規(guī)劃策略、參數等的輸入。
（3）刀具、刀柄庫 根據使用的加工刀具、刀柄等數據，通過加工數據管理器的開發(fā)，將其錄入到加工數據管理器中。通過接口服務，在工藝路線匹配時調用創(chuàng)建的刀具、刀柄庫數據，同時載入到NX軟件中的刀具、刀柄，能夠可視化顯示，并能夠查看刀具、刀柄結構及數據。
（4）切削參數庫 將加工使用的切削參數錄入到加工數據管理器中，通過接口服務，在切削參數匹配時調用該數據，實現切削參數自動匹配。
2.3 加工結構搭建
在零件工序模型的基礎上，繪制工序中差模型，標注加工面顏色、特征屬性，繪制毛坯模型、夾具模型，完成加工結構搭建。
2.4 基于特征的智能編程過程
基于特征的智能編程通過加工環(huán)境初始化、特征識別、工藝自動匹配、刀路生成以及刀具和工藝參數自動匹配等步驟來完成數控程序編制，過程如圖3所示。
圖3 基于特征的智能編程過程
2.5 NC代碼輸出
應用機床后處理程序，將刀路轉化為機床能夠 識別的NC代碼。
2.6 加工仿真與優(yōu)化
應用仿真驗證技術，及時發(fā)現試切過程中可能發(fā)生的干涉、碰撞；同時應用優(yōu)化技術解決實際加工中切削參數彈性調整的要求，并減少空切，不僅提升了數控程序的質量，也提高了數控加工效率。
應用實例
以某殼體零件中110工序應用基于特征的智能編程方法為例進行說明。
加工結構搭建：過程如圖4所示，包括工序模型創(chuàng)建、加工面顏色標注、特征信息標注、工序毛坯創(chuàng)建和夾具創(chuàng)建等。
圖4 加工結構搭建過程
加工初始化：進行加工幾何體、加工類型選擇，完成加工參數初始化設置。
特征識別：通過特征識別規(guī)則，將定義的特征類型識別出來。特征識別界面如圖5所示。
圖5 特征識別界面
工藝路線匹配：對識別出的特征，按照工藝規(guī)則庫和刀具、刀柄庫提供的資源自動匹配，生成每個特征的加工工藝路線，匹配界面如圖6所示。
圖6 工藝路線匹配界面
特征加工刀路創(chuàng)建：根據確定的工藝路線，生成特征加工刀路。加工刀路創(chuàng)建界面如圖7所示。
圖7 加工刀路創(chuàng)建界面
切削參數匹配：調用加工數據管理器中的切削參數庫及接口服務，自動匹配所選刀具的轉速和進給，切削參數匹配界面如圖8所示。
圖8 切削參數匹配界面
編輯刀路：在刀路編制過程中或完成后，將刀路加載到刀路編輯界面，對刀路中的某些參數進行調整。編輯刀路界面如圖9所示。
圖9 編輯刀路界面
NC代碼輸出：刀路編制完成后，選擇定制的機床后處理程序，生成機床能夠識別的NC代碼。
加工仿真與優(yōu)化：使用定制的機床仿真模版進行加工程序仿真驗證及加工程序優(yōu)化，機床仿真界面如圖10所示。程序優(yōu)化后，可節(jié)省加工時間23%。
圖10 機床仿真界面
效果驗證
采用常規(guī)編程方法，工藝人員從工序模型輸出、合并及圖樣尺寸轉換，到數控程序編制完成， 一道工序編程時間約3天。采用智能編程方法，從工序模型開始到仿真優(yōu)化結束，一道工序的編程時間是2天，編程效率提升了33%。通過仿真優(yōu)化完成的數控程序，極大地提升了首件試切的效率，降低了首件加工的風險。零件試切過程如圖11所示。
a）機床控制面板顯示
b）實際加工
圖11 零件試切過程
使用Vericut的Force功能，通過加載切削材料庫、設置刀具屬性來計算切削力大小，設置合理的切削參數和力極限，可以有效降低切削力，切削效率平均提升26.3%。某殼體零件部分工序加工時間的統(tǒng)計對比見表1。
表1 某殼體零件部分工序加工時間對比
結束語
基于特征的智能編程技術是集合特征識別、工藝仿真、刀具自動匹配、刀路自動生成和切削參數自動匹配為一體的應用技術。將特征識別技術與知識庫相結合，通過開放的算法，使特征識別更準確；將特征識別與工藝規(guī)則庫和刀具、刀柄庫相結 合，實現了精準的工藝路線匹配、刀具及刀柄匹配；將刀具與切削參數庫相結合，實現了工藝參數的自動匹配。本文系統(tǒng)闡述了典型殼體零件基于特征的智能編程方法，并對該方法進行了實例驗證，探索出了一條能夠提升殼體零件數控編程效率和數控加
工效率的路徑。經加工驗證，典型殼體零件數控編程效率提高30%以上，數控加工效率提升20%以上。
基于特征的智能編程技術的應用是一項長期工作，企業(yè)若要大力推廣，還需從以下幾個方面不斷完善和優(yōu)化。
1）完善知識庫。知識庫是企業(yè)經驗的總結，更是基于特征進行智能編程的基礎，需要不斷豐富和完善。
2）優(yōu)化特征識別算法。在特征自動識別中，需要不斷進行算法的研究和優(yōu)化，才能夠更加準確地自動識別出更為復雜的特征，進一步提升模型特征識別的準確率。
3）優(yōu)化工藝路線匹配算法。復雜特征在工藝路線匹配過程中花費較長的時間，需要進一步優(yōu)化匹配邏輯和算法，才能夠更加快捷、準確地進行工藝路線匹配，進一步提升數控編程效率。
