基于制造特征的三轴高速铣削数控自动编程技术-数控专业大学论文.doc

基于制造特征的三轴高速铣削数控自动编程技术

摘要：运用面向对象技术，描述代加工工件的制造特征。利用最大模糊隶属原则，实现了加工区域几何制造特征的识别。以高速加工工艺数据库和范例库为支撑，采用IF-THEN规则和模糊匹配方法，提出了适合高速铣削加工工艺的工艺信息。提出了以切削时间短、加工成本低、表面质量高为目标的工艺方案寻优模型，该模型有助于形成成功的加工范例。依据已有加工范例和提取的工艺信息，实现了3轴高速铣削加工的自动编程。
关键词：高速铣削；制造特征；工艺知识；数控编程
中图分类号：TP391.73 文献标识码：A文章ID:1005-1120(2007)02-0150-07
简介
CAD/CAPP/CAM集成系统的重要性已广泛被多数制造业企业接受。许多研究者提出CAD/CAPP/CAM集成系统模型是基于其特征的系统。但从设计和制造的观点很难实现CAD/CAPP/CAM 的集成系统。例如普遍使用的UG、Cimatron、Mastercam等，这些CAD/CAM系统仅是从几何信息得到刀具路径。这种安排没有从根本上提高自动化知识的程度。最近两年，许多行业广泛使用高速加工技术。它有许多加工优势，尤其数控安全性高，生产效率高，加工性能好等优势。所以基于制造特征的三轴数控技术应用于高速加工技术，来提高自动化知识的程度，并提高加工效率。
制造特征的表达和区别
通常，制造特征可分为几何制造特征和非几何制造特征。为提高其可重复性和可扩展性，制造特征被描述为面向对象技术。在高速加工技术中，切削区域的几何制造特征通常被定义为凹穴和轮廓。凹穴属性间的关系图如图1。

零件
主界面：组成
名称
图标序号
版本
材料
尺寸
重量
质量
精度
子界面：切削区域

一

切削
主界面：组成
区域
形状
精度
质量
机床
夹具
工序
…

子界面：切削区域
二

凹穴
主界面：切削区域
高度
孤岛数
最小过渡边际
底部形状
孤岛与凹穴间的最小距离
孤岛间的最小距离
在底部的最小距离
…
子界面：切削区域

三

孤岛
主界面：凹穴
形状
位置
高度
最小过渡边际

…
子界面：切削区域
四

图1 凹处制造特征模型
制造特征的辨别
凹穴和轮廓的辨别可以通过切削区域的水平边际和最大范围的水平投影边际间的包含关系辨别。如果后者包含前者，为凹穴，否则，为轮廓。底部形状、高度和过度圆角的制造特征可以从在切削区域垂直面和曲面的交叉点获得。凹穴和孤岛间最小距离，孤岛与切削区域的一般制造特征可由以下算法算出。
1.2.1几何制造特征间最小距离的计算

1.2.1.1凹穴和孤岛间最小距离的计算
（1）计算最大范围内的凹穴和所有孤岛（见图2）
（2）在凹穴获得孤岛的四个极端位置：左，右，上，下
(3)计算凹穴和孤岛的最小距离见（见图3）
（4）确定最小距离 图2 凹穴与孤岛
复制凹穴边缘-环，取得孤岛数N，令i=0
N==0
在凹穴极端处获得孤岛边缘-环，令O_D=H,补偿外部孤岛边缘-环
LPin∩LPout==空集
估算从LPin到LPout的最大距离

Dmax∩LPout的得到的最大距离
Y
Y
N
N
Y

Y
N
N

图3 dmin 算法流程图
1.2.1.2 计算孤岛间的最小距离
（1）在孤岛链表中计算孤岛数量N，设置最小距离dmin和可变量i（1,2，…，N-1）。如果N=0，调至步骤（7）。
（2）在给定孤岛顺序的列表中获得第一个孤岛（间图2）
（3）N==1？判断为真调至步骤（7）；判断为假，进入下一步骤。
（4）在（N-1）个孤岛中获得第i（i>1）个孤岛。
（5）计算第i个孤岛与第一个孤岛间的距离。这一问题也是二分法求解的方法。假设边缘-环的偏置距离（O-D）为H，这个孤岛的边缘-环外偏置，从而产生边缘-环偏移量，第i个孤岛的外偏置产生第i个孤岛的边缘-环外偏置。该计算孤岛间距离的方法和计算凹穴与孤岛间最小方法相同。
（6）i=N-1?判断为真时，从孤岛列表中删除此孤岛，回到操作（1）；判断为假时，i=i+1，回到操作（4）。
（7）确定最小距离
然后确定精加工刀具的直径D=
1.2.2对称和旋转的模糊识别
定义1：△是在切削区域特征元素的对称和旋转误差。

a，b为凹穴或轮廓周边的侧边长。
定义2：E为误差特征元素中心与给定的对称和旋转中心的误差。
E=||Ci-Cc||
定义3：A为切削区域和一水平面（如岛环或主环、孔环，j=1，……，m）产生交集的模糊集合，切削区域和水平面属于对称和旋转中心给定的中心，为其隶属函数。

在模糊集合A中是由各级不同特征元素组成，如果隶属的特征元素在各级中都不存在，则令其为1.
定义4：为属于对称和旋转部件的区域特征的模糊结合，

在切削区域辨别一般制造特征可用如下的方法：
步骤1：调用部分模型和无制造特征的输入信息。
步骤2：提取切削区域的特征，识别切削区域（凹穴和轮廓）。
步骤3：区分特征元素是否为可旋转部件。
可旋转部件
不可旋转部件
步骤4：判断u≥U（U为临界值）。如果判断为“假”，则此切削区域无对称性，转至“结束”。如果判断为“真”，判断，如果判断为“假”，此切削区域有对称性，结束区分。如果判断为“真”。此切削区域有旋转特征。
在计算切削区域制造特征的模糊程度后，一般切削区域的制造特征类型即可判定。此外，初加工和精加工的刀具路径也可选定。如果制造特征被判断为无孤岛的凹穴，凹穴底部为平面，则摆线刀具路径类型可以首先选择（见图4）。如果制造特征被判断为无孤岛的凹穴，凹穴底部为曲面，刀具路径的弧连接样式首先被选择（见图5）.如果制造特征判断为有孤岛的凹穴，则刀具循环路径可以首先选择（见图6）。如果制造特征判断为无突起的轮廓，且轮廓具有旋转性，则刀具螺旋路径可以首先确定（见图7）。如果制造特征判断为有突起的轮廓，且轮廓无旋转性，则刀具路径线-弧连接样式可以首先确定（见图8）。这些刀具路径样式适用于高速加工技术，且在平滑度上有优势。

图4 摆线刀具路径 图5 弧联结的刀具路径

图6 环路刀具路径 图7 螺旋刀具路径

图8 线-弧联结刀具路径
2.高速加工技术优化模型的工艺方案
高速加工技术的优化工艺方案包含许多问题，例如工件特点、刀具、机床和刀具路径类型等。为了找出时间短、花费低和高质量的优化组合资源，提出一个如下的综合评价模型：
步骤1：目标函数
制造时间 Tm= （2）
D为有效直径；Vc为切削速度；L为刀具路径的全长；为每齿进给量；为切削深度；为轴向切削深度 ；z为齿数。
刀具使用寿命 （3）
为刀具使用寿命系数，为优化切削路径系数（1.0 ~ 1.3）；为径向切削深度。
加工成本 （4）
F为机床和操作的成本；为单个刀具成本；为更换刀具时间；为全部切削时间。
步骤2：综合评价模型处理方案
（5）
、和都为加权系数，他们的和为1。、和为平衡系数，以传统数控加工时间、成本和质量作为参考分析。它们可以由其它方式确定。为表面质量，表现在表面粗糙度上。对于圆头槽铣刀，近似等于 （6）
为算术平均偏差系数，约为300；为的两个相邻的刀具接触点和水平面之间的锐角；C为最小算数偏差，约为0.2，它与刀具边缘类型、机械加工表面塑性变形和机床的震动等因素有关。
步骤3：目标最优化
对材料去除率（MRR）的影响是客观存在的。如果加工部分价格非常高，使用大进给量和大切削深度的切削参数。、和分别选用0.6、0.4和0。
半精加工是粗加工和精加工之间的过度过程。它主要目标是提高工件表面质量。、和分别选用0.3、0.25和0.45。
精加工的目的是高表面质量。一般来讲，在精加工中密集的刀具路径规划和切削时间相对较长，通常要花好几个小时甚至超过十个小时来加工大型零件。具有特殊要求的表面质量和复杂的结构时，、和分别选用0.2、0.2和0.6。
3.高速加工技术的知识提取
过程-知识提取如下（见图9）

CAD/CAM
制造特征
HSM的加工信息
规则库
刀具库
基本切削参数库
刀具路径库
机床库
优化设计
工序
适用于HSM的粗加工和精加工过程

图9 过程—知识提取

规则应用到实体之间的关系表达那些信息是一个知识单元。生产规则在本文中有应用，并给出如下一个例子：
如果 m_sMachining_feature_str==“轮廓”；//制造特征为轮廓
m_sPartmaterial_str==“alloy-steel” ；//零件材料为合金-钢
m_sMaterialhard_str<=35;//材料硬度为35HRC
m_sWorking procedure_style==“rough_mill”;//对于高速加工技术加工程序为粗加工
THEN tmpDB-> Open(”⋯ \\HSMCutting—toolBase．mdb”)；//刀具基于高速加工技术
m—pDB- > GetTableDeflnfo(0，tabInfo);//得到粗加工刀具凹穴信息和材料硬度为35HRC。
依据制造特征，采用推理算法规则，得出了一些加工进程信息。因此，可以通过高速加工技术的优化模型来提取合理的工艺优化工艺方案。

4.应用
基于高速加工工艺的自动编程技术的制造特征应用于Superman CAM Ⅱ系统。将此方法应用于洗衣机叶轮凸模的制造，凸轮的尺寸为630mm×600mm×200mm，拔模斜度为1°，切削区域精度为IT6，表面粗糙度为0.4。凸模材料为Cr12MoV。驱动程序的知识如下：

图10 驱动模型 图11 无制造特征对话框

步骤1 启动程序，装载叶轮模式（见图10）
步骤2 打开知识驱动加工子菜单，在对话框内输入无制造特征信息（见图11），获取切削区域的边际及其特征。该系统在窗口后运行，生成一些加工信息并利用优化模型进行加工过程优化，从而生成局部地区有建设性的加工方案。合理的进程计划应包括从刀具和机床获得的基础信息（见表1）。
步骤3 根据此加工方案，生成适合高速加工技术的粗加工和精加工刀具路径(见图12)。

表一 加工进程
进程
刀具
切削参数
刀具路径
冷却形式
机床

n（r/min）
fv（mm/min）
av×ap
粗加工
D16×124平铣刀
3500
560
4×1.5
见图8
空气+油
UCP 710
半精
加工
D12×124球铣刀
4000
640
2×0.5
见图7
空气+油
UCP 710
精加工
D8×124球铣刀
8000
1500
0.1×0.2
见图5
空气+油
UCP 710

图12 凸模叶轮高速切削的刀具路径

5.总结
在本文中介绍了基于制造特征的自动编程技术。这是基于CAM技术的技术探讨。此技术使技术复制知识成为可能，并在一些程度上减少了对操作工的经验要求。加工方案是由实证数据库支持，并汲取基于加工实例和加工方案的优化模型，所以此加工方案是适当和实用的。面向对象技术提供了一种方便、快捷的方式来描述、管理和扩展过程知识。

参考文献
[1] 范玉青 《现代飞机制造技术》 北京航空航天大学出版社 2001（中文版）：453-471
[2] Hayong Shin, Oiling Gustav J, Chung Yun C等 《冲压模具加工的综合CAPP/CAM系统》计算机辅助设计，2003,35（2）：203-213
[3] Xu W X，t He Q 《CAD，CAPP，CAM和CNC的全面整合》 计算机辅助设计 2004,20（2）：101-109
[4] 乔梁，马云飞，李元等 《基于特征知识的CAM系统设计方法》 西北工业大学学报 2008,18（1）：83-86（中文）
[5]安利保，陈明远 《加工参数优化[C]》//第四届国际自动控制化会议蒙特利尔魁北克 2003:5-10
[6] Juan H，Yu S F，Lee B Y 《高速加工中SKD高速钢切削参数的优化选择》机床制造国际会议 2003,43（7）；679-686.
[7] Ihsan Sonmez A，Baykasoglu Adil，Dereli T0kay等。《通过集合编程的多通道铣削操作动态优化[J]》。机床制造国际会议，1999,39（2）：297-320
[8] Schulz H 《高速切削的原因》 高速加工国际研讨会。南京[s.n.],2004:1-20
[9] Chen Jenq—Shyong，Yung—Kuo Huang，Mao—SonChen 《优化进给率和球形刀具轮廓铣削过程的高效率》 机床制造国际会议，2005,45（9）：1070-1076.
[10] Wassila Bouzid 《高速转动中优化切削参数以减少生产时间》 材料加工技术期刊，2005,161（3）：388-395