基于成組技術(shù)的復(fù)雜零件數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)研究*

張勝文 張瑞國(guó) 賈 維 楊長(zhǎng)祺

（①江蘇科技大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所，江蘇鎮(zhèn)江 212003;②滬東重機(jī)有限公司工程技術(shù)中心，上海 200129）

基于成組技術(shù)的復(fù)雜零件數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)研究*

張勝文①?gòu)埲饑?guó)①賈 維②楊長(zhǎng)祺②

（①江蘇科技大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)研究所，江蘇鎮(zhèn)江 212003;②滬東重機(jī)有限公司工程技術(shù)中心，上海 200129）

針對(duì)船用柴油機(jī)復(fù)雜零件在利用CAPP/CAM技術(shù)進(jìn)行數(shù)控編程中出現(xiàn)的問(wèn)題，分別采用了優(yōu)先級(jí)分級(jí)檢索策略和加工模板技術(shù)，對(duì)CAPP/CAM中的相似性進(jìn)行了挖掘與處理;并通過(guò)運(yùn)用UG二次開(kāi)發(fā)技術(shù)和SQL server數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)開(kāi)發(fā)出數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)，對(duì)從CAPP/CAM中挖掘出的相似性加以利用，實(shí)現(xiàn)了UG平臺(tái)上加工模板定制、與CAPP工藝的匹配和數(shù)控自動(dòng)編程;應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性與實(shí)用性，能夠大大提高復(fù)雜零件數(shù)控編程的效率和編程質(zhì)量。

數(shù)控編程 成組技術(shù) 相似性 船用柴油機(jī)

隨著近年來(lái)中國(guó)船舶制造行業(yè)的迅速崛起，對(duì)有船舶心臟之稱(chēng)的船用柴油機(jī)提出了較高要求。對(duì)于船用柴油機(jī)制造企業(yè)，如何在市場(chǎng)瞬息萬(wàn)變的情況下把握時(shí)機(jī)，快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，對(duì)企業(yè)的生存發(fā)展至關(guān)重要。數(shù)字化制造技術(shù)作為現(xiàn)代制造技術(shù)的重要組成部分之一，對(duì)于提升企業(yè)制造水平，提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力起著不可忽視的作用［1～3］。因此，企業(yè)相繼引入了CAD/CAPP/CAM技術(shù)，但取得的實(shí)際效果卻有限。這主要是由于直接引入的通用型CAM系統(tǒng)缺乏專(zhuān)用性以及與CAPP信息的共享與互動(dòng)，重復(fù)性勞動(dòng)多、效率低，對(duì)編程工程師的要求也較高。如何進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造技術(shù)的價(jià)值，成為企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外都在對(duì)CAD/CAPP/CAM一體化技術(shù)進(jìn)行研究［4，5］。成組技術(shù)揭示了事物具有相似性，通過(guò)對(duì)相似性的利用，可以獲得巨大效益［6，7］。因此，本文從數(shù)控編程中存在相似性的角度出發(fā)，研究了在CAPP/CAM兩個(gè)環(huán)節(jié)中對(duì)相似性信息的級(jí)聯(lián)式挖掘與處理，并通過(guò)開(kāi)發(fā)自動(dòng)編程系統(tǒng)，使得CAPP/CAM系統(tǒng)集成度更高、聯(lián)系更加緊密，從而最大限度地降低企業(yè)數(shù)控編程中的重復(fù)性勞動(dòng)。

1 數(shù)控編程參數(shù)設(shè)置的分析

數(shù)控編程以CAD提供的模型為對(duì)象和CAPP提供的工藝信息為指導(dǎo)，在CAM中完成編程操作的生成。這是一個(gè)緊密聯(lián)系的連續(xù)過(guò)程，涉及設(shè)計(jì)與制造的多個(gè)環(huán)節(jié)，信息的重復(fù)利用率也較高。例如，表1與表2列舉了某船用柴油機(jī)兩種情況下的相似工藝，在用通用型CAM系統(tǒng)進(jìn)行編程時(shí)，這部分相似性突顯出來(lái)，意味著CNC工程師就需重復(fù)設(shè)置相關(guān)參數(shù)，使得重復(fù)性勞動(dòng)變多，勞動(dòng)強(qiáng)度增加，效率降低。

表1 相同零件的相似工藝信息

由此可見(jiàn)在數(shù)控編程中存在相似性參數(shù)重復(fù)設(shè)置的問(wèn)題。進(jìn)一步分析表明，參數(shù)設(shè)置又可分解為工藝參數(shù)設(shè)置和操作參數(shù)設(shè)置，分別與CAPP和CAM形成一一對(duì)應(yīng)。工藝參數(shù)和操作參數(shù)是相互區(qū)別、相互約束的。一方面，它們歸屬于不同的系統(tǒng)，工藝參數(shù)主要包括刀具信息（如刀具直徑、刀具長(zhǎng)度、刀具編號(hào)等）、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、加工余量等工藝中已設(shè)計(jì)好的參數(shù)值，該部分可從CAPP獲取;操作參數(shù)主要包括切削方式、步進(jìn)方式、步進(jìn)值、進(jìn)退刀設(shè)置等等，該部分在CAM系統(tǒng)的編程操作面板上設(shè)置。另一方面，它們的組合會(huì)影響最終的刀軌形狀、刀具位置和加工質(zhì)量，只有緊密聯(lián)系在一起時(shí)才能生成正確合理的編程操作。

2 數(shù)控編程中相似性信息的處理

為了提高企業(yè)的數(shù)控編程效率，對(duì)數(shù)控編程中存在的相似性進(jìn)行挖掘與處理就顯得極為重要。根據(jù)對(duì)編程參數(shù)的分析，適時(shí)在CAPP/CAM集成環(huán)境下拆分和重組編程參數(shù)是發(fā)揮成組技術(shù)基本原理在數(shù)控編程中應(yīng)用價(jià)值的關(guān)鍵。

2.1 CAM中的相似性處理

利用CAM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控編程，除了需要提供零件的CAD模型及CAPP工藝信息外，CAM系統(tǒng)自身也需要完成走刀方式、切削順序、安全平面等參數(shù)設(shè)置，才能生成正確的刀具軌跡。當(dāng)加工具有相同或相似特征的零件時(shí)，這些參數(shù)需再次重新設(shè)置，重復(fù)性的勞動(dòng)降低了編程效率。為此，本文采用知識(shí)加工模板作為解決問(wèn)題的方法，即將加工驗(yàn)證認(rèn)為是正確有效的一組參數(shù)存成文件進(jìn)行重用，當(dāng)要實(shí)現(xiàn)相似加工時(shí)，只需要直接調(diào)用模板或做少量修改就可得到工藝合理、參數(shù)正確的加工程序，從而減少了重復(fù)性勞動(dòng)［8］。知識(shí)加工模板定制過(guò)程如圖1所示。

2.2 CAPP中的相似性處理

如何充分挖掘CAPP系統(tǒng)全部信息的潛在價(jià)值為CAM服務(wù)一直是研究熱點(diǎn)［9，10］。由于根據(jù)相似工藝產(chǎn)生的的數(shù)控編程操作也可能存在相似性，因此本文研究了通過(guò)制定優(yōu)先級(jí)分級(jí)檢索策略，對(duì)CAPP中的相似性工藝信息進(jìn)行挖掘，通過(guò)計(jì)算得出的相似度能夠預(yù)先為編程工程師提供參考，便于編程工程師根據(jù)相似度選擇對(duì)應(yīng)的加工模板。具體實(shí)施過(guò)程如下：

（1）選擇樣本

從CAPP工藝信息庫(kù)中選擇樣本，構(gòu)造候選檢索樣本集：

其中，hi定義為集合H的屬性，hi對(duì)應(yīng)的值定義為特征值。例如H={機(jī)床，刀具，S，F(xiàn)}，取機(jī)床為14 m龍門(mén)銑，刀具為φ330 mm銑刀盤(pán)，S為200 r/min，F(xiàn)為600 mm/min，則機(jī)床、刀具、S、F稱(chēng)為集合 H的屬性，14 m龍門(mén)銑、φ330 mm 銑刀盤(pán)、200 r/min、600 mm/min稱(chēng)為特征值。

根據(jù)每道工序的具體情況，可以從候選檢索標(biāo)本集中篩選出m個(gè)檢索樣本，構(gòu)成檢索樣本集：

（2）確定優(yōu)先級(jí)與檢索評(píng)判矩陣

為檢索樣本集中的每個(gè)樣本設(shè)定優(yōu)先級(jí)

其中，di表示第i個(gè)樣本的優(yōu)先級(jí)級(jí)別。

建立檢索評(píng)判矩陣P：

其中，pij表示樣本ci與優(yōu)先級(jí)dj的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)ci設(shè)定為 dj的時(shí)候，pij=1;否則 pij=0。

（3）執(zhí)行檢索

根據(jù)檢索矩陣中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在CAPP工藝信息庫(kù)中檢索符合條件的工藝信息。若檢索結(jié)果為空，則由自動(dòng)編程系統(tǒng)按照已設(shè)定的優(yōu)先級(jí)優(yōu)先順序自動(dòng)修正優(yōu)先級(jí)，去除當(dāng)前的最低級(jí)后重新構(gòu)建檢索評(píng)判矩陣，并依照新的檢索評(píng)判矩陣進(jìn)行檢索，按此檢索策略直至檢索到符合要求的工藝信息。

（4）系統(tǒng)從檢索結(jié)果中提取結(jié)果樣本集

將集合R與集合C比較，兩集合屬性的特征值相同時(shí)，令vi=1，否則vi=0。

（5）計(jì)算相似度

2.3 基于相似度的工藝信息與加工模板映射

只有將工藝參數(shù)與操作參數(shù)重新拼接后才能構(gòu)成完整的編程參數(shù)。因此，利用優(yōu)先級(jí)分級(jí)檢索策略計(jì)算出相似度后，從中選擇出合適的已匹配模板的工藝，并將該模板匹配給新工藝，映射關(guān)系如圖2所示。加工模板與工藝匹配后，此時(shí)若要?jiǎng)?chuàng)建新的數(shù)控編程操作，則只需在CAM系統(tǒng)中選取加工特征就能快速生成數(shù)控刀具軌跡，從而減少重復(fù)性勞動(dòng)，提高編程效率。

3 基于成組技術(shù)的自動(dòng)編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

3.1 自動(dòng)編程系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

為了對(duì)從CAPP/CAM中挖掘出的相似性進(jìn)行處理，以船用柴油機(jī)復(fù)雜零件為對(duì)象，在分析了其工藝內(nèi)容及走刀方式的基礎(chǔ)上，按照企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)狀與實(shí)際生產(chǎn)要求，在UG平臺(tái)上運(yùn)用UG二次開(kāi)發(fā)技術(shù)及SQL server數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了船用柴油機(jī)復(fù)雜零件自動(dòng)編程系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

對(duì)圖3有以下幾點(diǎn)補(bǔ)充說(shuō)明：①數(shù)據(jù)層為技術(shù)層提供數(shù)據(jù)支持，為技術(shù)層提供數(shù)據(jù)來(lái)源并儲(chǔ)存處理結(jié)果;②技術(shù)層為自動(dòng)編程系統(tǒng)核心，包括前處理、自動(dòng)編程、后處理、用戶(hù)管理等功能，促進(jìn)編程系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定地運(yùn)行;③用戶(hù)層使用戶(hù)通過(guò)人機(jī)交互接口，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程，并運(yùn)用技術(shù)層的相關(guān)處理技術(shù)，能夠?qū)?shù)據(jù)層進(jìn)行查詢(xún)、維護(hù)、擴(kuò)展。圖3中利用編程向?qū)нM(jìn)行自動(dòng)編程功能的主要優(yōu)點(diǎn)是：①通過(guò)對(duì)相似性信息的挖掘與處理，建立CAD/CAPP/CAM的緊密聯(lián)系，大大降低CAM中的重復(fù)性操作，提高企業(yè)編程效率;②綜合考慮了CAD/CAPP/CAM各自的功能特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，在CAM環(huán)境下適時(shí)拆分和重組，使編程操作更具靈活性;③知識(shí)加工模板庫(kù)作為專(zhuān)家知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，可以使企業(yè)的知識(shí)財(cái)富不至于因人才流動(dòng)或員工退休等因素而流失。新員工亦可通過(guò)知識(shí)模板庫(kù)與CAD模型庫(kù)、CAPP工藝庫(kù)之間的映射關(guān)系，學(xué)習(xí)并掌握模板設(shè)置，為以后知識(shí)加工模板庫(kù)的繼承與擴(kuò)展提供了空間。編程向?qū)У牟僮髁鞒倘鐖D4所示。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

船用柴油機(jī)復(fù)雜零件自動(dòng)編程系統(tǒng)可以充分提高相似性信息在數(shù)控編程中的應(yīng)用價(jià)值。例如，在創(chuàng)建柴油機(jī)機(jī)架下平面的數(shù)控編程操作時(shí)，首先運(yùn)用系統(tǒng)利用優(yōu)先級(jí)檢索策略進(jìn)行檢索，如圖5所示。檢索結(jié)果顯示機(jī)座上平面與其具有較高相似度，然后將其對(duì)應(yīng)的加工模板匹配給機(jī)架下平面的操作，并重組機(jī)架下平面的工藝參數(shù)和機(jī)座上平面加工模板的操作參數(shù)，從而能避免步進(jìn)方式、進(jìn)退刀設(shè)置等大量銑削參數(shù)的重復(fù)設(shè)置。最后根據(jù)加工特征快速生成刀具軌跡，如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，對(duì)于數(shù)控編程中相似性的挖掘和處理技術(shù)的研究還不夠深入，并且僅對(duì)單一環(huán)節(jié)的相似性處理不能有效提高數(shù)控編程效率。本文根據(jù)成組技術(shù)的基本原理，通過(guò)連續(xù)挖掘和利用CAPP/CAM中的相似性信息，強(qiáng)化了系統(tǒng)之間的聯(lián)系，提高了系統(tǒng)的集成度，并可最大程度地降低數(shù)控編程中重復(fù)性的勞動(dòng)。結(jié)合UG二次開(kāi)發(fā)技術(shù)開(kāi)發(fā)出的自動(dòng)編程系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了船用柴油機(jī)復(fù)雜零件的準(zhǔn)確、便捷、高效的自動(dòng)編程。系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例表明課題研究對(duì)于提高企業(yè)數(shù)控編程技術(shù)具有較大實(shí)用價(jià)值。但是由于數(shù)控編程涉及面的廣泛性和復(fù)雜性，如何進(jìn)一步提高檢索效率以及對(duì)編程工程師經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的獲取和總結(jié)等問(wèn)題還需不斷研究，隨著研究的深入系統(tǒng)將會(huì)更加完善。

1 曹玉嬌.我國(guó)數(shù)字化造船發(fā)展現(xiàn)狀［J］.船舶工程，2008，30（3）：6～9

2 王關(guān)峰，王俊彪，王淑俠.機(jī)翼整體壁板數(shù)字化制造技術(shù)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2006（5）：87～90

3 曾東保，劉艷華.CAM技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.裝備制造技術(shù)，2008（11）：129～131

4 何春生.CAD/CAM系統(tǒng)集成的研究與應(yīng)用［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2006，17（13）：1380～1383

5 Hong－ Seok，Park，Van － Syler，Gyu － Bong Lee.An integrated CAD －CAPP－CAM system for Machining Mold Die With Optimal Cutting Parameters［C］//2006 International Forum on Strategic Technology.Ulsan，Korea，2006：344 －348

6 趙信革.成組技術(shù)在零件數(shù)控加工生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2006，22（5）：96 ～97，103

7 韓慶瑤，趙保亞.現(xiàn)代成組技術(shù)在CAD/CAM中的應(yīng)用與發(fā)展［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006（5）：64～66

8 賈志欣，殷國(guó)富，陳田.CAM軟件的新技術(shù)與特點(diǎn)［J］.測(cè)控自動(dòng)化.2004（3）：1～2

9 Shengwen Zhang，Guicheng Wang，Liang Zhang，et al.CNC programming System for comples components based on KBE within integrated environment of CAD/CAPP/CAM［J］.Frontiers of Mechanical Engineering in China.2009，4（1）：97 －102

10 王曉琴，冉險(xiǎn)生，蔡冬梅.基于數(shù)控加工知識(shí)的箱體類(lèi)零件CAPP/CAM 的探索與實(shí)踐［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2008，30（4）

如果您想發(fā)表對(duì)本文的看法，請(qǐng)將文章編號(hào)填入讀者意見(jiàn)調(diào)查表中的相應(yīng)位置。

Research on Automatic NC Programming System for Complex Components Based on Group Technology

ZHANG Shengwen①，ZHANG Ruiguo①，JIA Wei②，YANG Changqi2②
（①M(fèi)odern Manufacturing Technology Institute，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，CHN;②Engineering Technology Center，Hudong Heavy Machinery Co.Ltd.，Shanghai 200129，CHN）

According to the problems in the automatic NC programming for complex components of marine diesel，this paper used priority graded retrieval strategy and operation template technology to mining and process the similarity in CAPP/CAM;in order to use the similarity mined from CAPP/CAM，an automatic NC programming system was developed by using secondary development technology of UG and SQL server database technology;the system realizes operation template customization process based on UG platform，and match it with process in CAPP，and realizes automatic NC programming.An application example shows feasibility and practicality of the system，which can greatly improve the efficiency and quality of NC programming for complex components.

NC Programming;Group Technology;Similarity;Marine Diesel

TP182;TP391.73

A

* 企業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目支助（2008JD077F）

張勝文，男，1963年生，教授。研究方向：CAD/CAM、數(shù)控加工、先進(jìn)制造技術(shù)。獲得省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)5項(xiàng)，發(fā)表論文40余篇。

p

2009―07―23）

10326