基于加工特征的刀具選擇

董玉梅，閆 曄，趙勤德

（1. 北京聯合大學 生物化學工程學院，北京 100023；2. 北京聯合大學 信息學院，北京 100101；3. 廣州市工貿技師學院，廣州 510425）

0 引言

在機加工車間現場，刀具選擇和加工編程是完成零件加工任務最關鍵的兩個要素，在工藝試驗或培訓數控機床操作工時，傳統方法是使用試切法——根據已有的經驗選擇刀片或刀具，選擇幾組不同的加工參數進行試切加工，最后通過辨別加工質量和效率來決定刀具的選用。這種方法完全是基于人工經驗，費時耗財。隨著CAD/CAM技術的發展，產品或零件可以在正式加工前就進行數字化定義，其中包括對零件模型的加工特征自動識別技術，根據加工特征的語義可以實現計算機自動匹配合理的刀具和加工條件，從而可以高效的實現數控刀具的智能化選擇。所以，目前出現的加工特征自動識別技術開發和應用已成為智能制造的熱點技術。

1 加工特征的獲取

特征被研究者們視為是—個比較理想的產品信息模型表示方法，成為CAD/CAM集成的紐帶，特征模型的主要優點是：

1) 以實體模型為主的幾何造型方法主要著眼于產品零件的幾何描述；而特征模型則主要看眼于產品零件的設計與制造過程的完整信息描述，是產品模型的重要基礎。

2) 特征的引用直接體現了設計意圖，而且便于設計圖樣的修改，使產品零件的設計工作在更高的層次上進行，設計人員可以將更多的精力用于創造性構思，而非幾何構造操作。從而提高設計效率。

3) 特征模型有助于加強產品設計、設計分析、制造工藝計劃、加工工序設計、檢驗等制造環節之間的聯系，更好地將產品的設計意圖貫穿到各個后續制造環節并且及時得到后者的意見反饋，在很大程度上使各個環節并行展開，即有利于并行工程的實施。

4) 特征模型能夠直接應用于產品零件的設計與制造全過程，是開發新一代的基于統一產品模型的CAD/CAPP/CAM集成系統關鍵技術。

從制造角度來看，像加工工藝規劃、裝配規劃、檢測計劃、零件的數控加工編程等制造活動，均可能潛在地基于零件的某種特征表示。從研究方法來看，特征模型技術的研究主要包括特征識別和特征設計。特征識別利用幾何造型系統所提供的實體模型，對幾何模型進行解釋，自動識別制造工藝計劃所要求的特定的零件“幾何信息模式”，即加工特征，直接應用于產品零件的制造工藝設計。主要的特征識別方法有基于圖的特征識別、基于規則的特征識別、基于語義匹配的特征識別等。特征設計則試圖從設計者的意圖出發，通過一組預先定義好的具有一定工程意義的設計特征，引導設計者去進行產品設計。

文獻[1]定義了制造特征，制造特征是對特定的制造活動或應用有映射意義的對象。制造特征包括設計特征、加工特征、裝配特征、測量特征。其中的加工特征用一種很自然的表示方式[2]（如腔、槽、凸凹槽、孔等形狀和大小）將加工領域相關的知識和對象的表示方法聯系在一起。加工特征是零件層次上加工信息的集合，它不僅具有按一定拓撲關系組成的特定幾何形狀，而且反映特定的工藝語義，適宜在對零件分析和加工中使用。它兼有形狀和功能兩種屬性，從它的名稱和語義足以聯想其特定幾何形狀、拓撲關系、典型功能、加工工序和公差要求。例如零件的形狀特征不但與設計相關，也與制造和工藝規劃相聯系，它關注產品的可制造性。例如，孔能實現定位和高副運動設計功能，但也是一種加工特征,它可以通過一系列孔加工操作如鉆、擴、銑、鉸、鏜來實現孔的加工。

加工特征的最大優點是易于參數化，采用參數驅動的方式能對具有不同規格的系列化產品中的相似零件進行統一描述。特征不僅可以用來描述二維三維物體的幾何形狀,而且還可以推理出工藝操作方面的信息。例如，如圖1所示基于零件加工特征的模型有4層，最高層是由三維CAD系統實現的產品零件設計，接著下一層再通過特征識別技術獲取零件的加工特征，每一種加工特征都有特定的加工規則（即加工方法層），加工方法對應了多種加工刀具的選擇（刀具層）。對于車間現場的操作工而言，零件的加工信息如幾何形狀、公差、粗糙度等都是已知的內容，如果能借助于特征描述和識別技術就可使復雜的零件工序問題轉化成一系列單個簡單特征的工藝決策問題，同時，當特征模型中包含加工工藝決策規則時,就能夠實現智能工藝決策和數控程序的自動生成。實現這一過程的首要條件是要對待加工零件進行加工特征設別和提取。

特征識別和獲取的方法可以分為體分解法、面向對象的制造特征定義和基于刀具的方法三種類型[3,4]。

圖1 基于零件加工特征的模型

1.1 體分解法

體分解法容易實現工序工步的自動規劃，例如以最基本的孔加工為例，其產品加工特征PMF（Product Machined Feature）識別和知識獲取如圖2所示，由于產品制造信息PM I（Prod uct Manufacture In form ation）包括零件幾何形狀、粗糙度、尺寸公差，對孔的識別實際上就是對孔進行體分解，使PMF可以表示成一系列不可再分的基本單項操作，這些基本單項操作又可以定義成加工過程特征IPF（In Process Feature）如鉆孔、攻絲、鏜孔、倒角。每個IPF和刀具等加工資源具有特征映射關系。

1.2 面向對象的特征定義

而面向對象的特征定義方法目前在一些具有知識驅動的CAD/CAM系統中已得到應用，利用面向對象的技術將特征表示為類，類包括數據和方法，以圖3-所示孔為例，特征孔類數據包括定義孔的位置和方向的變量和定義孔的形狀和公差的變量，特征孔類方法包括定義孔的建立、刪除、復制等操作，而且3D特征的生成是和2D孔特征的參數驅動相關聯的。特征除了可用過程描述語言表示外，還可以用數據表格形式和XML格式表示，易于實現加工知識表示的標準化。所以從知識的表示方面看，面向對象的特征定義方法具有較大的技術優勢，但由于其數據和方法的封裝性，導致其工藝柔性不夠，即當車間的設備資源（如工具、機床）等變化時，其特征類需要重新定義。

(a) 孔特征的制造信息PM I

圖2 孔特征的體分解圖示

圖3 孔加工特征面向對象和XML表示法

1.3 基于刀具的方法

基于刀具的方法實際上是通過獲取特定刀具數據來推理零件的特征，由于零件和刀具之間在加工過程中可形成特定地映射關系。所以零件上的加工特征是由刀具運動路徑和刀具幾何特征創成獲取，但由于實際應用時都嚴格限制于對標準化刀具集的知識推理。每次增加新刀具后須對整個程序進行重新編制，所以此方法通用性較差。

目前，特征識別技術的應用還有許多限制，比如工件幾何造型存在許多相交的特征，如空間孔相交、曲面與曲面相交、體與體相交等都會引起特征識別困難或失敗，至今沒有一種方法能完全有效地識別相交造型特征[5]。

2 基于加工特征的刀具選擇

從加工過程來看，一個待加工零件可以看成由若干個加工特征組成的組合體，當采用基于特征方法進行數控工藝設計時，需要對不同加工特征制定出相應的推理規則，根據產品要求事先確定的匹配關系，觸發相應的刀具推理規則，從而選擇出加工所需的刀具。

2.1 刀具選擇與編程路徑

在成功識別和獲取加工特征后，要考慮建立刀具規則知識庫，利用該知識庫的知識進行邏輯推理和決策，目前通常采用產生式規則和編碼兩種常見方法對工藝知識進行定義和管理，特征編碼常用于對簡單特征的定義和索引，而產生式規則可對稍復雜特征則進行加工定義，例如，對于常見的加工特征-矩形腔槽加工，刀具選擇規則和編程路徑的選擇準則如表1所示。

表1 腔槽特征加工時刀具選擇及編程路徑

2.2 刀具和其他資源的關聯

完成一個零件的加工，光有刀具決策是不夠的，刀具本身會和其他工藝資源（機床、工裝、材料等）發生聯系。所以工藝知識庫中各個數據表之間不是獨立無關的，它們通過關系表和特征方法的約束條件建立各種聯系。

當一個基于特征的加工知識庫就建立起來了，剩下的工作就是如何使用這些信息生成加工現場的刀具選用規程，下面以一個具有平面輪廓孔系加工特征的零件為例加以說明。

圖4 實體零件的自動識別

3 應用實例

在基于特征自動識別（AFR）的知識加工過程中，加工特征識別、加工操作（工序/工步）和加工刀具選擇成為操作工的標準化作業內容、這三者間存在著非常重要的對應關系，如圖4所示，圖中給定的工件由5種加工特征組成，分別是平面（Plane）1、型腔（Pocket）2、孔（Hole）3、陣列孔（Pattern Hole）4和輪廓（Profile）5。根據加工規則可以確定相應的加工操作面銑、平面區域銑、鉆孔、鉆孔+攻絲和周銑，與此操作匹配的加工刀具分別是面銑刀、鍵槽銑刀、麻花鉆、絲錐、立銑刀。一旦自動識別成功，計算機會建立特征-刀具的匹配數據庫，以XML表示數據，用戶可以直接看到解析XML后的刀具選用規則庫界面。

在對某企業前后兩次不同CAM軟件的培訓中分別應用傳統編程和基于特征編程。兩次培訓都是針對某型薄壁箱體類零件的自動編程，第一次基于UGNX6CAM軟件的操作應用，第二次采用具有3D、車銑復合、多軸加工等復雜特征識別功能的CAM軟件-FeatureCAM 2010，第二次的培訓時間由原來5天縮短到3.5天，其操作步驟對比如表2所示。

通過表2對比，具有特征識別的CAM軟件中每個CAD模型都包含完整的產品制造信息，不需要操作工加工編程時去選擇每一個加工對象。輸入CAD數據后，軟件將快速識別零件特征，可以選擇手動交互式識別(IFR)或者自動特征識別(AFR) ，系統將自動選擇刀具，選擇進給/轉速等工藝參數，自動生成刀具路徑。

表2 兩種不同知識獲取技術的CAM軟件操作對比

4 結論

采用特征識別技術是簡化編程操作、縮短編程培訓時間最有效的方式。由于基于特征識別的CAM軟件具有加工特征自動識別和基于規則的可自定義加工知識庫系統，系統可以代替人正確地獲取加工所需的選擇性知識，自動生成可靠的刀具和加工程序，并能用仿真來檢驗加工結果，可以大大減低對操作工編程技巧的依賴，規范的刀具路徑的編程，縮短車間現場的操作培訓時間。

[1] Jan H.Vandenb rande and Aristides A. G. Requicha.SpatialReasoning fo r the Au tom atic Recognition o f Machinable Features in Solid Models.IEEETransactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,1993, 15, (12):1269-1285.

[2] KANG M,HAN J, MOON J G. An app roach for interlinking design and p rocess p lanning[J].Jou rnal o fMaterials Processing Techno logy,2003,139 (1/3):589-595.

[3] 薛澄岐,劉定偉.基于實體模型的產品形狀特征識別[J].計算機輔助工程,2007,16(1):17-20.

[4] 劉長安,查黎敏.集成工藝計劃系統的工程圖特征識別與加工分析[J].現代制造工程2001(8):20-25.

[5] 黎榮,王金諾.基于UG實體模型的特征信息提取技術研究.機械,2004,31(6):40-41.