基于成組技術的復雜零件數控自動編程系統研究*

張勝文 張瑞國 賈 維 楊長祺

（①江蘇科技大學現代制造技術研究所，江蘇鎮江 212003;②滬東重機有限公司工程技術中心，上海 200129）

基于成組技術的復雜零件數控自動編程系統研究*

張勝文①張瑞國①賈 維②楊長祺②

（①江蘇科技大學現代制造技術研究所，江蘇鎮江 212003;②滬東重機有限公司工程技術中心，上海 200129）

針對船用柴油機復雜零件在利用CAPP/CAM技術進行數控編程中出現的問題，分別采用了優先級分級檢索策略和加工模板技術，對CAPP/CAM中的相似性進行了挖掘與處理;并通過運用UG二次開發技術和SQL server數據庫技術開發出數控自動編程系統，對從CAPP/CAM中挖掘出的相似性加以利用，實現了UG平臺上加工模板定制、與CAPP工藝的匹配和數控自動編程;應用實例驗證了系統的可行性與實用性，能夠大大提高復雜零件數控編程的效率和編程質量。

數控編程 成組技術 相似性 船用柴油機

隨著近年來中國船舶制造行業的迅速崛起，對有船舶心臟之稱的船用柴油機提出了較高要求。對于船用柴油機制造企業，如何在市場瞬息萬變的情況下把握時機，快速響應市場需求，提供優質的產品，對企業的生存發展至關重要。數字化制造技術作為現代制造技術的重要組成部分之一，對于提升企業制造水平，提高企業市場競爭力起著不可忽視的作用［1～3］。因此，企業相繼引入了CAD/CAPP/CAM技術，但取得的實際效果卻有限。這主要是由于直接引入的通用型CAM系統缺乏專用性以及與CAPP信息的共享與互動，重復性勞動多、效率低，對編程工程師的要求也較高。如何進一步實現數字化制造技術的價值，成為企業關注的重點，目前國內外都在對CAD/CAPP/CAM一體化技術進行研究［4，5］。成組技術揭示了事物具有相似性，通過對相似性的利用，可以獲得巨大效益［6，7］。因此，本文從數控編程中存在相似性的角度出發，研究了在CAPP/CAM兩個環節中對相似性信息的級聯式挖掘與處理，并通過開發自動編程系統，使得CAPP/CAM系統集成度更高、聯系更加緊密，從而最大限度地降低企業數控編程中的重復性勞動。

1 數控編程參數設置的分析

數控編程以CAD提供的模型為對象和CAPP提供的工藝信息為指導，在CAM中完成編程操作的生成。這是一個緊密聯系的連續過程，涉及設計與制造的多個環節，信息的重復利用率也較高。例如，表1與表2列舉了某船用柴油機兩種情況下的相似工藝，在用通用型CAM系統進行編程時，這部分相似性突顯出來，意味著CNC工程師就需重復設置相關參數，使得重復性勞動變多，勞動強度增加，效率降低。

表1 相同零件的相似工藝信息

由此可見在數控編程中存在相似性參數重復設置的問題。進一步分析表明，參數設置又可分解為工藝參數設置和操作參數設置，分別與CAPP和CAM形成一一對應。工藝參數和操作參數是相互區別、相互約束的。一方面，它們歸屬于不同的系統，工藝參數主要包括刀具信息（如刀具直徑、刀具長度、刀具編號等）、主軸轉速、進給速度、加工余量等工藝中已設計好的參數值，該部分可從CAPP獲取;操作參數主要包括切削方式、步進方式、步進值、進退刀設置等等，該部分在CAM系統的編程操作面板上設置。另一方面，它們的組合會影響最終的刀軌形狀、刀具位置和加工質量，只有緊密聯系在一起時才能生成正確合理的編程操作。

2 數控編程中相似性信息的處理

為了提高企業的數控編程效率，對數控編程中存在的相似性進行挖掘與處理就顯得極為重要。根據對編程參數的分析，適時在CAPP/CAM集成環境下拆分和重組編程參數是發揮成組技術基本原理在數控編程中應用價值的關鍵。

2.1 CAM中的相似性處理

利用CAM系統進行數控編程，除了需要提供零件的CAD模型及CAPP工藝信息外，CAM系統自身也需要完成走刀方式、切削順序、安全平面等參數設置，才能生成正確的刀具軌跡。當加工具有相同或相似特征的零件時，這些參數需再次重新設置，重復性的勞動降低了編程效率。為此，本文采用知識加工模板作為解決問題的方法，即將加工驗證認為是正確有效的一組參數存成文件進行重用，當要實現相似加工時，只需要直接調用模板或做少量修改就可得到工藝合理、參數正確的加工程序，從而減少了重復性勞動［8］。知識加工模板定制過程如圖1所示。

2.2 CAPP中的相似性處理

如何充分挖掘CAPP系統全部信息的潛在價值為CAM服務一直是研究熱點［9，10］。由于根據相似工藝產生的的數控編程操作也可能存在相似性，因此本文研究了通過制定優先級分級檢索策略，對CAPP中的相似性工藝信息進行挖掘，通過計算得出的相似度能夠預先為編程工程師提供參考，便于編程工程師根據相似度選擇對應的加工模板。具體實施過程如下：

（1）選擇樣本

從CAPP工藝信息庫中選擇樣本，構造候選檢索樣本集：

其中，hi定義為集合H的屬性，hi對應的值定義為特征值。例如H={機床，刀具，S，F}，取機床為14 m龍門銑，刀具為φ330 mm銑刀盤，S為200 r/min，F為600 mm/min，則機床、刀具、S、F稱為集合 H的屬性，14 m龍門銑、φ330 mm 銑刀盤、200 r/min、600 mm/min稱為特征值。

根據每道工序的具體情況，可以從候選檢索標本集中篩選出m個檢索樣本，構成檢索樣本集：

（2）確定優先級與檢索評判矩陣

為檢索樣本集中的每個樣本設定優先級

其中，di表示第i個樣本的優先級級別。

建立檢索評判矩陣P：

其中，pij表示樣本ci與優先級dj的對應關系，當ci設定為 dj的時候，pij=1;否則 pij=0。

（3）執行檢索

根據檢索矩陣中的對應關系，在CAPP工藝信息庫中檢索符合條件的工藝信息。若檢索結果為空，則由自動編程系統按照已設定的優先級優先順序自動修正優先級，去除當前的最低級后重新構建檢索評判矩陣，并依照新的檢索評判矩陣進行檢索，按此檢索策略直至檢索到符合要求的工藝信息。

（4）系統從檢索結果中提取結果樣本集

將集合R與集合C比較，兩集合屬性的特征值相同時，令vi=1，否則vi=0。

（5）計算相似度

2.3 基于相似度的工藝信息與加工模板映射

只有將工藝參數與操作參數重新拼接后才能構成完整的編程參數。因此，利用優先級分級檢索策略計算出相似度后，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，映射關系如圖2所示。加工模板與工藝匹配后，此時若要創建新的數控編程操作，則只需在CAM系統中選取加工特征就能快速生成數控刀具軌跡，從而減少重復性勞動，提高編程效率。

3 基于成組技術的自動編程系統開發

3.1 自動編程系統體系結構

為了對從CAPP/CAM中挖掘出的相似性進行處理，以船用柴油機復雜零件為對象，在分析了其工藝內容及走刀方式的基礎上，按照企業的生產現狀與實際生產要求，在UG平臺上運用UG二次開發技術及SQL server數據庫技術，開發了船用柴油機復雜零件自動編程系統，其體系結構如圖3所示。

對圖3有以下幾點補充說明：①數據層為技術層提供數據支持，為技術層提供數據來源并儲存處理結果;②技術層為自動編程系統核心，包括前處理、自動編程、后處理、用戶管理等功能，促進編程系統的高效、穩定地運行;③用戶層使用戶通過人機交互接口，實現自動編程，并運用技術層的相關處理技術，能夠對數據層進行查詢、維護、擴展。圖3中利用編程向導進行自動編程功能的主要優點是：①通過對相似性信息的挖掘與處理，建立CAD/CAPP/CAM的緊密聯系，大大降低CAM中的重復性操作，提高企業編程效率;②綜合考慮了CAD/CAPP/CAM各自的功能特點與優勢，在CAM環境下適時拆分和重組，使編程操作更具靈活性;③知識加工模板庫作為專家知識與經驗的總結，可以使企業的知識財富不至于因人才流動或員工退休等因素而流失。新員工亦可通過知識模板庫與CAD模型庫、CAPP工藝庫之間的映射關系，學習并掌握模板設置，為以后知識加工模板庫的繼承與擴展提供了空間。編程向導的操作流程如圖4所示。

3.2 系統應用實例

船用柴油機復雜零件自動編程系統可以充分提高相似性信息在數控編程中的應用價值。例如，在創建柴油機機架下平面的數控編程操作時，首先運用系統利用優先級檢索策略進行檢索，如圖5所示。檢索結果顯示機座上平面與其具有較高相似度，然后將其對應的加工模板匹配給機架下平面的操作，并重組機架下平面的工藝參數和機座上平面加工模板的操作參數，從而能避免步進方式、進退刀設置等大量銑削參數的重復設置。最后根據加工特征快速生成刀具軌跡，如圖6所示。

4 結語

目前，對于數控編程中相似性的挖掘和處理技術的研究還不夠深入，并且僅對單一環節的相似性處理不能有效提高數控編程效率。本文根據成組技術的基本原理，通過連續挖掘和利用CAPP/CAM中的相似性信息，強化了系統之間的聯系，提高了系統的集成度，并可最大程度地降低數控編程中重復性的勞動。結合UG二次開發技術開發出的自動編程系統，實現了船用柴油機復雜零件的準確、便捷、高效的自動編程。系統的應用實例表明課題研究對于提高企業數控編程技術具有較大實用價值。但是由于數控編程涉及面的廣泛性和復雜性，如何進一步提高檢索效率以及對編程工程師經驗知識的獲取和總結等問題還需不斷研究，隨著研究的深入系統將會更加完善。

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2 王關峰，王俊彪，王淑俠.機翼整體壁板數字化制造技術［J］.制造技術與機床，2006（5）：87～90

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

4 何春生.CAD/CAM系統集成的研究與應用［J］.中國機械工程，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.成組技術在零件數控加工生產中的應用［J］.機械設計與研究，2006，22（5）：96 ～97，103

7 韓慶瑤，趙保亞.現代成組技術在CAD/CAM中的應用與發展［J］.機械設計與制造，2006（5）：64～66

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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，冉險生，蔡冬梅.基于數控加工知識的箱體類零件CAPP/CAM 的探索與實踐［J］.制造業自動化，2008，30（4）

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

ZHANG Shengwen①，ZHANG Ruiguo①，JIA Wei②，YANG Changqi2②
（①Modern 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

* 企業攻關項目支助（2008JD077F）

張勝文，男，1963年生，教授。研究方向：CAD/CAM、數控加工、先進制造技術。獲得省部級科技進步獎5項，發表論文40余篇。

p

2009―07―23）

10326