NC编程系统中切削模型的统一表示

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NC编程系统中切削模型的统一表示
作者：禹涌　唐荣锡　徐希

　摘　要：在新的CAD/CAM建模思想和标准化不断完善的促进下，NC编程系统正在向智能化和参数化发展.加工轨迹计算和产品设计过程实现动态关联，刀位计算实时响应设计模型的编辑修改.制造过程规划中的切削域统一表示建立在零件设计模型识别和向制造模型自动转化基础之上.参考显式的设计语义和过程信息，以“腔槽及其边界”形式构造通用的NC计算模型.该通用NC计算模型超越常规的特征模型概念，支持主动式的工艺过程规划，有利于自动生成更大程度上满足设计要求的高质量数控代码.
　　关键词：制造过程规划，设计模型，制造模型，切削域

1、引　　言

　　NC编程系统的研制有三种基本途径：(1) 与零件设计、分析等模块在底层系统一级的集成式开发，这种一体化系统很多，像Unigraphics，Pro/Engineer，CATIA等大型系统.(2) 以现有着重零件造型的系统为平台的插件式开发，此类软件大多基于Windows环境，如MDT内嵌HyperMILL，EdgeCAM；SolidWorks内嵌CAMWorks；负责SDRC系统CAM模块开发的伙伴公司CAMAX提供了Camand Modeler（支持3D曲面造型）并配以SmartCAM（支持多曲面加工）.(3) 支持简单曲面造型的专用NC计算系统，如CAMAX的Camand和SmartCAM，NREC的5坐标叶轮加工系统MAX-AB（点位）和MAX-5（侧铣），CNC的MasterCAM.　第1类系统基本都建立在实体模型表示上， 采用交互式指点、 定制形成切削方案和工艺规划； 第2类则在第1类系统的基础上增添了加工特征自动识别技术； 第3类系统依靠较为完备的曲面建模， 仍采用交互方式在面模型上快速生成多种刀位轨迹， 但相对薄弱的造型功能制约了NC轨迹的生成能力.　
　　在交互指点定义的NC系统中，要求明确指定切削区域（含点位和轮廓）、空间干涉域、邻接干涉域、刀具类型、进退刀方式、域内的凸起/凹陷、刀轴方向等工艺参数，这些工作显得较为烦琐，且容易遗漏.当前的发展趋势是根据切削域的形状智能化地导出其它工艺参数，探测可能的干涉范围.这些工作就涉及到切削域的统一表示.
　　本文重点探讨新一代NC编程系统中的切削域定义及其统一表示.

2、切削域统一表示的意义

　　零件的加工过程正是从零件毛坯上切除材料的过程，切削域的统一表示就是归纳这些被切除材料（切削模型）的几何与工艺特性，抛开具体的几何形态，抽象出切削模型的实质.以轮廓加工为例，不关心轮廓是由自由曲线还是多义线构成.区域加工中的二次圆锥曲面和自由曲面，只是数学表达式不同而已，加工工艺和NC计算近乎相同.这样可以避免枚举式切削域定义的不完备性，提高智能化和参数化加工的实现可能性及效率.
　　统一表示的切削域可以作为面向对象技术中的一个抽象类，它最根本的加工方式有4类，见图1.其中图1(d)开敞式区域加工包含侧铣.这4类加工对象各有相应的工艺处理、加工方法和关键参数，不同对象的制造过程规划保持相对独立.同时，切削域还是一个广义概念，既包括区域加工，也包括点位和轮廓加工［1］.




图1 4种基本的加工形式

3、现有工作

　　切削域的统一表示，首先应该解决切削域识别问题.特定切削域代表某种几何意义和加工方式，待加工的是孔洞、腔槽，还是轮廓、交线抑或是表面，决定了采用钻/镗、清根还是区域清除.
　　切削域自动识别涉及到设计模型识别及其向制造模型的转换.设计模型识别这一概念要比特征识别更为广泛，因为零件模型中势必包含很多不可能特征化描述的形状（比如高次曲面片和多次特征操作后的“混合特征”）.在过去纯粹基于Brep或CSG表示的特征识别算法中，是不可能完全解决设计模型识别的，但在新的建模思想和标准化意识的影响下，造型系统充分记录了显式的造型语义信息和历史过程，尽量避免从定量信息中推导定性信息，有助于更深层次的设计模型识别［1］.
　　STEP AP224提出了面向加工和工艺规划的产品特征定义，对制造特征形状的工程/几何数据的分类、标识和相互关系定义了详细的约定，对于加工特征的描述尤为全面而系统.AP214更具体到汽车机械的应用领域来约定产品的表示［2］.美国NIST中心Pratt教授访问北京航空航天大学时也谈及STEP标准（ISO10303）的制定和发展，充分考虑了对于过程/历史模型和显式语义信息的描述［3］.
　　在现有系统中，CamWorks除了SolidWorks之外还可以识别通过IGES，SAT或Parasolid文件传到SolidWorks的零件上的加工特征.EdgeCAM则从MDT的实体模型中自动获取加工信息，生成NC编码和后继工艺指令，同时还能实现刀具路径和实体模型的动态关联.
　　设计模型转化为制造模型主要在于将零件表示为一系列布尔减的操作序列，每一步操作都对应一个从刀具进刀到退刀的切削过程.

4、造型过程的信息重用

4.1　语义信息的一致性
　　描述性语义信息伴随造型类型和手段而形成.适用于制造过程规划的信息可以分为两类：
　　隐式描述形体对象（含常规特征、过渡和曲面操作）自身的制造性语义表达，隐含了对应的加工方法和刀具类型.
　　显式描述由设计员按照技术要求直接给出.
　　显式描述可以直接参考，最困难的问题就是如何得到隐式描述.因为形体对象依靠自身表达制造信息时，通常借助长期加工实践中所形成的对于该类形体对象的共识.“孔”类对象的语义隐含了钻削或镗削的基本要求，只是不同的几何尺寸形状要采用不同的刀具；“区域”类特征（包含腔槽及端面）可以采用端铣刀或是球头铣刀；轮廓或交线加工则大多采用球头刀.图2中的通槽和半孔具有相同的边界模式，但半孔加工的刀轴与切削方向一致；而通槽加工中必须沿切向进刀，切削过程中刀轴与进给方向垂直.只有分析造型过程中记录的语义信息才能分辨这种区别.




图2 语义一致性

4.2　拓扑信息的一致性
　　语义信息仅针对形体对象自身，但经过尺寸约束或后继的实体布尔操作，该对象的拓扑结构将可能发生变异，因而影响工艺规划.如图3，凸台的两侧共面使得顶面的切削由带岛屿的矩形域加工变为不带岛屿的多边形加工.凸台侧面原本是刀具沿轮廓侧铣成型， 现在变为和基体侧面合并加工，一次成型.




图3 拓扑一致性

4.3　从设计语义和设计过程中提取加工知识
　　提取加工知识实际就是根据零件模型生成制造工艺规划.新的建模思想中，依靠对造型过程语义信息和设计历史的记录和分析来推理加工工艺.对于零件模型的完备表达这个问题，一致命名(persistent naming)、依附排序(attachment ordering)和基准记录(datum recording)三种内部建模机制为目前多数商业系统所采用，分别体现在参数化求解、造型历史重演和特征自动识别等几个领域.
　　一致命名采用系统内定特征类型名加上标识符，如：孔001，过渡003.辅助特征也统一定义，如：草图001，工作平面001.特征类型名的语义表达了特定的加工方法、刀具类型和切削方式.
　　依附排序以造型树的形式表达了设计过程中特征之间的相对或隶属关系，存在隶属关系的特征极有可能构成岛屿或腔槽类切削区域.这些区域的干涉检测也由此变得相对容易.
　　基准记录所表达的特征定位和定向信息可以辅助确定进退刀点、安全面和局部加工坐标系.

5、切削域的统一表示

5.1　实腔槽与虚腔槽
　　交线加工沿着腔槽或凸起底部走刀，轮廓加工与交线相似（主要区别在于刀轴的控制），点位进刀最为简单.因此重点讨论腔槽的表示，一旦确定了腔槽，交线和轮廓自然得到.
　　加工区域的隐式描述提出了虚拟腔槽这一概念，结合标准的腔槽定义（称为实腔槽，对应虚腔槽），腔槽加工面向两类对象：开敞面与（半）封闭面.这两种加工面连同以其为隶属面的凸起类特征所构成的岛屿形成标准的带岛屿腔槽.虚拟腔槽（虚腔槽）与实腔槽的唯一区别表现在腔槽轮廓边界所表达的加工意义不同.
　　实腔槽边界沿用造型数据，对于开敞边界或复合边界，原有封闭边界会被破坏，解决方法是在实腔槽的隶属面上作相关环的封闭及边界匹配测试，获得开敞面和边界重构数据.虚腔槽边界大多是凸起对象的端面边界，这些端面往往是其它特征的隶属面，因此虚腔槽中出现岛屿的机率更大.图4是常见的腔槽拓扑变形.根据这些基本规则，定义实/虚两种边界形式，得到腔槽的统一描述.




图4 几种觉实腔槽和虚腔槽

5.2　腔槽统一描述形式

腔槽P=加工面S+S的轮廓边界PB+
S内的岛屿序列I

　　轮廓边界按照所代表腔槽侧壁的有或无分为实或虚边界段.两种边界段可以存在于一个轮廓边界中，见图5.虚实边界段的基本特性是：




图5 腔槽定义

　　.实边界段　腔槽侧壁与腔槽底面的交线（凹角交线）.
　　.虚边界段　不存在相应侧壁的端面边界（凸角交线）.
　　图6是一些实腔槽与虚腔槽的轮廓边界，不同的边界段以虚实线型标识.




图6 腔槽的复合边界

5.3　实边界与虚边界刀位轨迹规划
　　按照设计的观点，实边界反映腔槽内轮廓的基本形状，虚边界仅约束了腔槽所占区域的范围.按照制造的观点，加工腔槽底面或交线时，对不同类型的边界，刀具有不同的切触方式（图7）：刀具必须且至多走到(go to)实边界段；刀具可以走上(go on)虚边界段.




图7 实虚边界的进刀状态

5.4　复杂多曲面和裁剪曲面切削域的表示槽
　　功能曲面在造型过程中可能会由多张曲面片（或裁剪曲面片）构成，由于数值计算的精度限制，曲面片间会存在缝隙或重叠，目前还缺乏有效的整体逼近多个曲面片的算法.对于单一功能曲面，为了满足加工要求，减少接刀、重复定位所产生的刀痕，必须将多个曲面片整体一次切削成型.
　　图8是某吉普车仪表板的内凹简化图，利用IGES文件将此曲面模型从CATIA转入Unigraphics，UG模型比原CATIA模型多出近百个曲面片，交互拾取定义切削面，十分容易发生遗漏或重复指点.漏面将导致原本不存在的“孔洞”出现，刀位轨迹中间会出现快速退刀或让刀指令.而如果单片加工，干涉计算非常复杂，过切（曲面重叠引起）及扎刀（曲面缝隙引起）现象也非常明显而频繁.在新的造型思想中，功能曲面的记录中都存贮有曲面片的记录，一旦可以判断该功能曲面构成半开敞腔槽的主加工面，利用拓扑邻接关系可以确定分段交线c，再确定曲面片s1，…，sn，以及邻接曲面片ns1，…，nsm，随即构成半封闭腔槽形切削域.




图8 多曲线面切削域

6、切削域统一表示的理论应用

6.1　腔槽的制造过程规划
　　考虑3坐标加工，腔槽加工有两种模式：层降式区域加工和层降式轮廓加工：前者表示从毛坯表面切入的腔槽粗加工，后者则是在粗加工基础上对于侧面和底面的精加工成型.沿着加工坐标系的主轴进刀方向（Zm），在腔槽内划分若干切削层.每一层都将构成平底（或柱面底）式的腔槽模型，因此需要重新求解各层腔槽的边界，既有平面（柱面）和曲面片的相交线，又有不存在交线时辅助添加的虚拟边界.腔槽的真实加工模型也就完全而唯一地确定.
6.2　腔槽的统一表示与智能化、参数化加工的关系
　　零件模型修改有两种结果：单纯的数字变化（通孔的半径缩放、拉伸的锥角变化等）和全局的拓扑变异（凸台重定位引起面重合、封闭凹陷退化为半开敞腔槽）.NC轨迹求解对这两种变化有不同的反映方式，纯数字变化通常只牵涉局部的少数几个模型，岛屿轮廓尺寸改变只影响自身和以之为岛屿的腔槽的轨迹，这种方式下的加工轨迹/零件模型动态关联相对容易实现.而全局拓扑变异则涉及很多关联的加工对象，其中有些会消失，有些会合并，甚至还会新衍生出一些非常规拓扑形.对这种较大程度的变异需要重新理解和识别设计模型.
　　腔槽切削域的底面是主切削面，如果对零件模型编辑过程中某一瞬时拓扑状态进行遍历查询，可以确定以此主切削面为基而构成的腔槽模型.基于此模型，加工轨迹智能化及参数化动态响应的后继相关算法的研究和实现就有了一个关键的切入点.

7、结束语

　　切削模型的统一表示并非一个单纯的制造规划问题，它还体现了对原始设计语义信息和历史过程重用这一新的建模思想.在寻求零件造型与加工之间的内在联系时，应认识到：造型和NC计算侧重于形体的几何及约束信息（定量分析），制造规划则侧重加工常识及经验（定性分析）.几何信息易于规范化、结构化表示；但制造规划的内容繁琐，牵涉要素很多.早期面向集成的工艺和制造规划研究忽略了对几何信息及加工知识的综合考虑，从定量数据中求解定性信息，准确性较低、枚举不完备.新思想摒弃这一方法，充分记录显式的造型语义信息和历史过程，较为完善地解决设计模型识别和制造模型转换这一关键问题.

sunbobo

哗.你摆明来呃钱之播!

daizxl

很好﹐獎100元。

lgx800

分析够细腻,