基于特征编码的数控自动编程研究

摘要：随着三维造型软件和数控机床广泛应用，针对CAM系统编程效率和自动化程度低，研究基于特征造型技术的加工特征识别和提取，并对提取的加工特征进行柔性编码，以柔性编码为基础快速自动生产NC代码，建立面向产品的基于三维CAD软件的 零件编码系统，并与CAM之间实现信息集成，提高数控编程效率和企业信息化程度。

关键词：CAD/CAM；加工特征；NC编程

中图分类号：TP308 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）26-0083-02

1 特征造型技术

特征造型是近二十多年来发展起来的一种新的造型方法，它是CAD第三次技术（参数化技术）革命的里程碑。特征造型技术的发展可以分为三个阶段，第一阶段：以点和线表示实体的二维造型方法。第二阶段：传统三维几何造型方法，即以线框造型、曲面造型、实体造型等几何元素来表达实体。这种描述方法没有明显的结构、功能及工程含义，计算机很难识别和统一管理。第三阶段：将特征作为基础的三维造型方法，这种方法将大量工程信息包含到设计过程中，较好地改善了前两阶段的局限性。特征造型技术目前广泛地用于计算机辅助设计系统。

与传统三维几何造型相比，特征造型具有以下三方面的特点

{1}以特征造型为基础的零件模型易于理解和修改。在基于特征造型技术的建模过程中计算机辅助设计系统会自动生成模型树，可以将建模过程直观的反映出来。

{2}基于特征造型技术的计算机辅助设计系统是交互式的设计系统，能够让设计人员充分发挥设计的创造性，可以提高设计效率.

{3}特征造型的操作目标不是初期的线条和体素，而是层次较高的功能要素，如定位孔、螺纹孔、键槽等，零件的几何结构通过特征组合来定义。

2 特征识别和提取

在产品数字化设计与制造中，零件的特征识别是一项非常关键的技术。目前已开发出了各种CAD/CAM软件，如UG、SolidWorks、Pro/E、Catia等，这些软件都是以特征造型为基础，而特征造型为产品的数字化设计与制造过程中的特征识别创造了良好的条件。特征识别可以分为交互特征定义和自动特征识别两类。

2.1 交互特征定义

交互特征定义是在计算机显示器屏幕上对显示的零件三维实体模型操作，在操作界面的引导下，设计人员在模型上选取构成特征的一些几何实体（如几个平面），CAD/CAM软件系统就可将这些几何实体组织起来，定义为某个特征，例如选取三个相邻的正交平面，CAD/CAM软件系统就可以将其定义为槽。初步定义的特征还缺少表面粗糙度、公差等技术要求这些非几何信息，必须补充上去，这样才能完成特征建模。交互特征定义由设计人员直接对实体模型进行操作，比较直观，具有较大的灵活性，但操作繁琐，效率低。所以通常是在应用自动特征识别方法不能完全识别特征的情况下作为一种补充处理手段来使用。

2.2 特征自动识别

特征自动识别是通过计算机智能技术来取代交互特征定义中设计人员的干预。零件实体模型中的所有特征信息都具有特定的工程意义和加工工艺，特征自动识别技术可以将所有的特征信息自动提取出来。特征自动识别原理是通过特征识别器实现。特征识别器是在软件程序中设计特定的算法，该算法实际上先将零件几何模型中的所有数据遍历，然后将几何模型与一组预先定义的特征进行比较，预先定义的这组特征包含了特征造型中涉及到的所有特征，通过比较，最后就可以找到与预先定义的特征组中相匹配的模型特征，实现特征自动识别。

基于特征造型的CAD/CAM软件对于主要特征一般分为基准特征、实体特征、曲面特征、修饰特征和集合特征。基准特征包括基准的位置与坐标等信息；实体特征用于实现实体造型；曲面特征用于实现曲面造型；修饰特征不能独立存在，它只能附加在实体特征上；集合特征包括组和阵列特征。CAM所需要的是零件的加工特征，包括以下几个方面的内容：零件管理信息、形状特征信息和精度特征信息。零件管理信息由特征代码、特征名以及材料信息构成；形状特征信息描述了零件的几何形状；精度特征信息用于描述特征的几何尺寸与形状的允许变化范围。加工特征分为五大类，包括平面、曲面、孔、槽和辅助特征，其中每一大类又可以细分为若干小类。加工特征的描述要用到四类要素：特征代码、特征名、特征几何形状和特征工艺信息。其征几何形状表示孔的深度、半径等；特征工艺信息表示零件表面粗糙度、加工精度、材料等。

3 基于特征模型的零件柔性编码

基于特征模型的零件柔性编码系统是以数据模型原理为基础，与刚性编码系统相比，其框架结构是不固定的，零件的有效特征信息可以根据不同的零件而采用多层来详尽地描述。其描述方法为层层深入法，采用这种描述方法可以满足不同生产条件、不同场合的要求。常用零件柔性编码系统的结构有三种，即树式结构、链式结构和混合结构。基于特征模型的零件柔性编码系统是在零件实体模型的基础上，对模型特征进行识别并提取，然后采用柔性编码技术对提取出来的零件特征进行编码，在三种柔性编码系统结构中这属于混合结构编码。

混合结构编码具有以下特点：

①既有柔性码位，也有固定码位。柔性码位主要为零件的特征信息码位；固定码位用来表示零件的功能信息和总体信息，包括零件类型、尺寸、材料、热处理方法等信息；

第一层：总体特征码。总体特征码具有固定的代码长度，主要用于描述和反映零件的功能和形状特征，能够在总体上对零件进行分类，通过总体特征码可以确定零件族别。

第二层：加工面特征码。加工面特征码主要详细描述除主特征之外的零件工艺特征，这些工艺特征用于描述零件的加工面特征以及主要工艺信息。加工面的形状用加工面特征码的第一个码位表示，如平面、螺旋面、球面、齿面、孔、螺纹、槽、导轨等。在代码中零件的每一个特征信息用两个字符表示，零件的所有特征信息表现为一字符串，与传统编码系统相比，可以避免各种信息排列方式的限制，同时也克服了高项掩盖低项的缺点，使代码的含义清楚，并且可以将不具备这方面特征略去。对于添加的特征，可以用（）加以区别。零件的典型工艺可以根据加工面特征码加以确定。

第三层：非加工表面特征码。这层代码用于补充描述零件加工面特征，或者补充描述加工面特征之间的位置信息，如平行度、垂直度、倾斜度、同心度。这层代码的码位数不固定，零件加工表面特征之间的相互关系数量决定码位字符数。这层可以根据需要取舍。

4 NC代码自动生成

数控自动编程是根据零件当前加工部位的基本特征，按照一定的加工工艺，生成相应的加工指令代码及转速、进给速度、刀具指令代码，依据对加工部位的几何形状的描述，生成节点坐标指令。零件的加工方式和零件柔性编码中的特征信息决定了基本加工特征。根据零件柔性编码描述的零件基本几何信息，数控程序自动生成模块能够进行相关的数据处理，其处理方法是将外圆、端面或内孔相关参数的数据传递给刀具程序模块，例如模型基点与端面之间的相对位置关系，模型基点与厚度之间的相对位置关系，端面外圆的直径等。

完整的数控加工程序包含三大部分：数控加工准备程序段、加工程序段和结束程序段。其中数控加工准备程序段和结束程序段在数控加工程序中是必不可少的。准备程序段主要包括设置工件坐标系、设置换刀点、设定转速单位、设置最大转速、开启冷却液、启动主轴和设置旋转方向；加工程序段是根据零件的加工工艺，编写刀具轨迹，设定切削用量；数控加工程序结束段主要包括、关闭冷却液、刀具快速回退到程序起点、取消刀具补偿、主轴停转和程序结束。完整数控加工程序的准备程序段和结束程序段的格式基本相同，不同之处在于不同加工零件的相应工艺参数，因此在实际编程中，可以将相同结构的程序段写在一起。在应用程序时，通过内部调用并结合参数输入，就能自动生成所需要的代码段。

参考文献：

[1] 张英杰.面向自动数控编程的零件加工特征建模技术[J].西安交通大学学报,2008,(3).

[2] 黄利江，许建新，田锡天.基于特征模型的零件柔性编码研究[J].机床与液压，2007,(11).

[3] 陶建华，杨晓琴.基于工艺特征识别技术的数控自动编程方法研究[J].计算工程与设计,2011,(10).