歐陽(yáng)華兵

(上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院，上海 200245)

為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息在CAD/CAPP/CAM/CNC間的雙向數(shù)據(jù)交換、集成與共享，德國(guó)Aachen大學(xué)WZL機(jī)床研究所于1994年在其所承擔(dān)的歐洲項(xiàng)目OPTIMAL中首次提出了STEP-NC的概念。此后，STEP-NC引起了全球許多國(guó)際化組織、團(tuán)體和科研院所的重視，歐盟、美國(guó)、瑞士、日本、韓國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家也相繼加入了STEP-NC的研究隊(duì)伍中，啟動(dòng)了STEP-NC相關(guān)的研究項(xiàng)目，典型的有:歐洲的OPTIMAL，美國(guó)的 Super Modal和日本的 Digital Master［1－2］等。2001 年成立了國(guó)際性研究組織 IMS STEPNC，組織制定了一種全新的CNC產(chǎn)品數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)ISO 14649(簡(jiǎn)稱為STEP-NC)，該標(biāo)準(zhǔn)與STEP標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，是STEP標(biāo)準(zhǔn)向CNC領(lǐng)域的擴(kuò)展。目前有關(guān)STEP-NC的研究主要集中在兩個(gè)方面:(1)建立和完善STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)，將該標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展到不同的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中;(2)面向STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)化應(yīng)用，推動(dòng)STEP-NC盡快投入到實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中［3］。

基于STEP-NC的加工程序由零件幾何信息和加工信息組成，采用基于零件加工特征和加工工步的方式來(lái)描述零件的加工過(guò)程，與傳統(tǒng)ISO 6983標(biāo)準(zhǔn)的G/M代碼不同，它不再依賴于機(jī)床的刀具運(yùn)動(dòng)語(yǔ)句，無(wú)需任何處理就能在所有基于STEP-NC的CNC系統(tǒng)中運(yùn)行［4－5］。由于 STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于數(shù)控加工的意義不僅表現(xiàn)在數(shù)據(jù)接口的變化，而且還表現(xiàn)在它將打破數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)方面的壟斷地位，使零件的加工程序不再完全依賴于具體的數(shù)控系統(tǒng)，從而在很大程度上解決了零件制造過(guò)程中存在的數(shù)據(jù)共享和信息集成等問(wèn)題［6］。

基于STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控系統(tǒng)將是未來(lái)數(shù)控技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向，而STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的核心則體現(xiàn)在基于零件加工特征的智能化工藝規(guī)劃中。因此，在面向STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)控加工中，對(duì)基于零件加工特征的智能化工藝規(guī)劃展開(kāi)研究就顯得至關(guān)重要。

針對(duì)上述問(wèn)題，文中重點(diǎn)對(duì)基于STEP-NC銑削加工的智能化工藝規(guī)劃系統(tǒng)展開(kāi)系統(tǒng)研究，構(gòu)建了基于STEP-NC銑削加工的智能化工藝規(guī)劃系統(tǒng)框架，重點(diǎn)闡述了該系統(tǒng)所涉及的若干關(guān)鍵技術(shù)，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的原型系統(tǒng)。

1 銑削加工智能化工藝規(guī)劃系統(tǒng)框架

基于STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的銑削加工數(shù)據(jù)模型采用面向?qū)ο蟮姆椒疤卣骷夹g(shù)，STEP-NC的加工程序就是以零件加工特征與加工操作組合而成的加工工步序列，它采用了與傳統(tǒng)基于ISO 6983標(biāo)準(zhǔn)完全不同的中性文件表示機(jī)制，加工特征描述了零件幾何形狀及其加工信息;加工操作描述了加工特征所采用的加工方法、刀具和工藝參數(shù)等［7］。因此，面向 STEP-NC銑削加工的CAPP系統(tǒng)與傳統(tǒng)的CAPP系統(tǒng)存在極大的差異，必須對(duì)其進(jìn)行專門研究。

根據(jù)STEP-NC銑削加工CAPP系統(tǒng)的特點(diǎn)，構(gòu)建了面向STEP-NC銑削加工的智能化工藝規(guī)劃系統(tǒng)(Intelligent Computer Aided Process Planning System Based on STEP-NC，ST-ICAPP)，該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 ST-ICAPP系統(tǒng)總體框架

該原型系統(tǒng)包括零件特征信息層、零件裝夾規(guī)劃層、非線性工藝路線智能規(guī)劃層、數(shù)控加工程序的生成層等4個(gè)層次。

2 ST-ICAPP系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

基于STEP-NC銑削加工的智能化ST-ICAPP系統(tǒng)旨在根據(jù)零件的設(shè)計(jì)模型信息，進(jìn)行工藝路線的智能化決策，生成加工零件的最優(yōu)工藝路線，為后期零件加工活動(dòng)提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。下面對(duì)ST-ICAPP系統(tǒng)所涉及的若干關(guān)鍵技術(shù):幾何特征提取及其加工特征識(shí)別、基于可制造性分析的零件裝夾規(guī)劃、零件智能化工藝路線生成與優(yōu)化和STEP-NC加工程序生成等進(jìn)行闡述。

2.1 幾何特征提取及加工特征識(shí)別

幾何特征提取根據(jù)零件設(shè)計(jì)模型STEP AP 203中性文件，獲取工藝規(guī)劃等后期工藝活動(dòng)所需加工特征及其特征參數(shù)。由于STEP AP 203中性文件不符合面向工藝設(shè)計(jì)STEP AP 224工藝文件要求，故須將STEP AP 203文件轉(zhuǎn)換為STEP AP 224文件。

為此，采用對(duì)STEP AP 203中性文件進(jìn)行解析的策略，將采用EXPRESS語(yǔ)言描述的實(shí)體數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)類型的數(shù)據(jù)，再通過(guò)提取出中性文件中的實(shí)體幾何信息及其拓?fù)湫畔?，將不同?shí)體信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)表格中，以便對(duì)其進(jìn)行操作和處理［8］，其算法流程如圖 2 所示［9］。

吸取上述化學(xué)鍍鎳溶液1 mL，置于300 mL燒杯中之后加水至100 mL，接著用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)試液的pH至11.5，再加30%的雙氧水1 mL，試液中未出現(xiàn)氫氧化鎳沉淀。放置24 h使雙氧水分解后再加入30%的雙氧水1 mL，也沒(méi)有沉淀生成，24 h后再加30%的雙氧水1 mL，仍未見(jiàn)沉淀生成。可見(jiàn)用雙氧水氧化檸檬酸，需要一次性加入一定的量之后才能使檸檬酸失去配位能力。

圖2 基于STEP-NC的加工特征識(shí)別

另外，由于當(dāng)前大多數(shù)CAD系統(tǒng)都采用特征造型方式來(lái)構(gòu)建零件三維實(shí)體模型，其輸出的STEP文件采用邊－面－體格式表示，這與面向STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)所采用的加工特征集描述零件的方式不同［10］。根據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)體幾何和拓?fù)湫畔?，提出了?duì)這些信息進(jìn)行特征識(shí)別的策略［8］。為了保證加工特征符合STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)，還需為加工特征添加相應(yīng)的工藝信息，生成包含加工特征集的STEP AP 224文件，從而為下游工藝規(guī)劃提供相應(yīng)的輸入信息。

2.2 基于可制造性分析的零件裝夾規(guī)劃

為了保證所生成工藝路線的合理性，在零件工藝規(guī)劃之前還應(yīng)對(duì)零件的工藝性及可制造性進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，減少工藝規(guī)劃問(wèn)題求解的復(fù)雜性，保證所生成的工藝路線具有可制造性，提高工藝路線規(guī)劃的效率［10－11］。

為了判斷整個(gè)零件是否具有可制造性，可拆分為組成該零件的所有加工特征是否具有可制造性。如果有任何一個(gè)加工特征不能滿足可制造性要求，則必須對(duì)其進(jìn)行修改，同時(shí)系統(tǒng)還會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的錯(cuò)誤提示信息;反之，如果所有加工特征都滿足可制造性要求，系統(tǒng)機(jī)械分析每個(gè)加工特征所對(duì)應(yīng)的可行刀具進(jìn)給方向 (TAD)，實(shí)現(xiàn)滿足零件可制造性的裝夾規(guī)劃，為特征加工操作方案生成提供支持。

針對(duì)加工特征的可制造性評(píng)價(jià)問(wèn)題，提出了面向STEP-NC的基于啟發(fā)式搜索的零件聚類裝夾規(guī)劃算法［12］。該算法按照刀具進(jìn)給方向 (Tool Access Direction，TAD)及其裝夾約束條件，判斷每個(gè)加工特征的所有潛在的加工方法，如果不滿足加工方法條件，則認(rèn)為該特征無(wú)法加工，返回零件的重新設(shè)計(jì)建議;只有當(dāng)所有的加工特征都存在可行加工方法時(shí)，才將這些加工特征與其加工方法組合構(gòu)成STEP-NC的加工工步，隨后再按照刀具更換次數(shù)最少的原則，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的合理裝夾，完成基于可制造性分析的零件裝夾規(guī)劃，并為后期工藝路線生成與優(yōu)化提供合理的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。

2.3 零件工藝路線的智能化生成與優(yōu)化

與常規(guī)工藝路線規(guī)劃不同，面向STEP-NC的非線性工藝路線以基于加工特征的工步為對(duì)象，將零件的工藝路線規(guī)劃過(guò)程拆分為組成該零件所有加工特征的工步規(guī)劃組合，這在一定程度上降低了工藝路線規(guī)劃的復(fù)雜性。

在工藝路線設(shè)計(jì)過(guò)程中，以符合ISO 14649標(biāo)準(zhǔn)并滿足可制造性要求的加工特征為研究對(duì)象，基于ISO 14649 Part 11、12標(biāo)準(zhǔn)的工藝知識(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)加工操作類型的智能化推理與決策，其算法流程如圖3所示［13］。

圖3 基于智能搜索的混合式GA算法工藝路線優(yōu)化

首先給出了智能獲取工步中加工操作、機(jī)床和刀具等主要信息的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法;進(jìn)而提出了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向推理方法，用于生成加工特征的所有可行加工方案;提出了采用模糊邏輯算法的智能化求解策略，實(shí)現(xiàn)了銑削加工過(guò)程中加工參數(shù)的智能優(yōu)化選擇;基于STEP-NC的非線性工藝路線規(guī)劃模型，提出了采用加工操作優(yōu)先圖 (OPG)的智能搜索和遺傳算法相結(jié)合的混合式工藝路線生成及優(yōu)化算法，以加工成本最低為約束條件，實(shí)現(xiàn)零件工藝路線的智能化決策與優(yōu)化。

2.4 STEP-NC數(shù)控加工程序生成

生成的STEP-NC工藝路線是否合理，還需進(jìn)一步進(jìn)行仿真測(cè)試和驗(yàn)證。為了保持系統(tǒng)的完整性，該原型系統(tǒng)還對(duì)STEP-NC數(shù)控加工程序生成過(guò)程進(jìn)行了相應(yīng)處理。

為了使STEP-NC數(shù)控加工程序能與基于G代碼的常規(guī)CNC控制器相兼容，在生成STEP-NC數(shù)控加工程序時(shí)，考慮采用兩種不同的輸出方式:一種是直接根據(jù)STEP-NC工藝規(guī)劃文件生成符合STEP-NC控制器的數(shù)控加工程序;另一種是對(duì)STEP-NC加工代碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生成符合ISO 6983標(biāo)準(zhǔn)的G代碼加工程序，以便于在常規(guī)CNC數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工。

3 ST-ICAPP原型系統(tǒng)實(shí)例驗(yàn)證

以Microsoft Windows7為平臺(tái)，以面向?qū)ο?、支持網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)的VB.NET為編程開(kāi)發(fā)工具，以大型商用軟件SolidWorks 2011作為CAD開(kāi)發(fā)平臺(tái)，充分利用 SolidWorks API函數(shù)［14］，以 Microsoft Access 2010為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，運(yùn)用前文所述的面向STEP-NC銑削加工的智能化CAPP系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)對(duì)該原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)展開(kāi)研究。

ST-ICAPP原型系統(tǒng)的用戶接口采用VB.NET的ActiveX Automation技術(shù)，通過(guò)SolidWorks提供的API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)零件公差、表面粗糙度、材料等設(shè)計(jì)信息和工藝信息的訪問(wèn)。為了使該原型系統(tǒng)與Solid-Works系統(tǒng)完全兼容，采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL形式的COM組件，以插件方式集成到SolidWorks平臺(tái)的菜單中，提供了與SolidWorks完全兼容的友好工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)ST-ICAPP各模塊相應(yīng)功能的有效集成、功能定制與擴(kuò)展。ST-ICAPP原型系統(tǒng)的主菜單如圖4所示。

圖4 ST-ICAPP系統(tǒng)主菜單

為了演示ST-ICAPP原型系統(tǒng)在零件非線性工藝規(guī)劃中的應(yīng)用，對(duì)前文所述面向STEP-NC銑削加工的智能化工藝路線規(guī)劃的理論方法進(jìn)行驗(yàn)證，以圖5所示的實(shí)例零件為例，對(duì)該零件的非線性工藝規(guī)劃的幾個(gè)關(guān)鍵過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，該零件材料為45號(hào)鋼，毛坯采用方料。

圖5 實(shí)例零件模型、設(shè)計(jì)特征及其加工特征的識(shí)別

3.1 零件特征識(shí)別

通過(guò)SolidWorks打開(kāi)已構(gòu)建的零件三維模型，點(diǎn)擊“ST-ICAPP”→“零件信息獲取”→“特征識(shí)別”菜單，系統(tǒng)運(yùn)行特征識(shí)別算法，將零件的設(shè)計(jì)特征轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的加工特征，并以特征樹(shù)的形式顯示在SolidWorks的特征管理器，生成符合STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的加工特征序列，如圖5所示。

單擊特征樹(shù)的每個(gè)特征將在零件模型上動(dòng)態(tài)高亮顯示該特征模型，如單擊特征樹(shù)中的不規(guī)則槽按鈕，即可顯示其對(duì)應(yīng)的模型。

3.2 工藝信息處理

在完成加工特征識(shí)別后，為了生成符合STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的加工特征，還需為加工特征添加相應(yīng)的工藝信息。

ST-ICAPP原型系統(tǒng)主要考慮了零件尺寸公差、幾何公差、表面粗糙度、零件材料及其材料硬度等工藝信息，下面以零件尺寸公差處理對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明。

點(diǎn)擊“ST-ICAPP”→“獲取零件信息”→“工藝信息處理”菜單，在SolidWorks屬性管理器頁(yè)彈出工藝信息處理頁(yè)面，如圖6所示。選擇某一個(gè)加工特征，展開(kāi)“工藝信息處理”屬性管理器窗口中的特征參數(shù)、定位基準(zhǔn)尺寸及幾何公差、表面粗糙度及材料硬度等選項(xiàng)欄，添加缺少的工藝信息。如圖6中選擇孔特征，顯示出其直徑值大小為5 mm，分別輸入該孔的上、下偏差+0.05和－0.05，系統(tǒng)將該孔半徑及其上下偏差值以一定的格式進(jìn)行存儲(chǔ)，為后續(xù)工藝規(guī)劃提供工藝信息。

圖6 加工特征的工藝信息處理

另外，通過(guò)定位基準(zhǔn)尺寸及幾何公差，可對(duì)特征的定位尺寸及其幾何公差進(jìn)行設(shè)置;通過(guò)表面粗糙度和材料硬度分別設(shè)置待加工特征表面的表面粗糙度值及其加工材料硬度。對(duì)上述兩種公差信息的處理可采用類似特征參數(shù)的處理方法。

3.3 基于可制造性的零件裝夾規(guī)劃

在獲取零件信息后，點(diǎn)擊“ST-ICAPP”→“零件裝夾規(guī)劃”菜單。系統(tǒng)按TAD為每個(gè)加工特征選擇可行的TAD，生成零件的裝夾規(guī)劃，如圖7所示。

圖7 基于可制造性的零件裝夾規(guī)劃

3.4 零件工藝路線的優(yōu)化

根據(jù)已識(shí)別出的加工特征及其生成的可行加工工步序列，以零件加工成本最小作為工藝路線優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，采用基于精英策略的混合式遺傳算法進(jìn)行求解，最終實(shí)現(xiàn)零件工步序列的優(yōu)化，生成最優(yōu)或近似最優(yōu)的零件工藝路線。

點(diǎn)擊“ST-ICAPP”→“零件工藝路線優(yōu)化”菜單，彈出如圖8所示參數(shù)設(shè)置界面，用戶可采用默認(rèn)方式，也可交互編輯相關(guān)參數(shù)，如遺傳算法的種群大小、最大迭代次數(shù)、交叉概率、變異概率和動(dòng)態(tài)選擇策略等，系統(tǒng)將采用遺傳算法進(jìn)行計(jì)算，獲取滿足零件加工成本最低的零件工藝路線，實(shí)現(xiàn)零件工藝路線的優(yōu)化。

圖8 工藝路線優(yōu)化的參數(shù)設(shè)置

點(diǎn)擊“ST-ICAPP”→“顯示優(yōu)化后的工藝路線”菜單，還可查看已生成的最優(yōu)工藝路線，如圖9所示，該工藝路線以特征樹(shù)形式在SolidWorks屬性管理器頁(yè)中顯示。如果用戶不滿意，還可繼續(xù)更改設(shè)置，重新生成零件的工藝路線。圖9中箭頭分別表示不規(guī)則槽1特征的粗銑和輪廓精銑加工操作。

圖9 生成的零件最優(yōu)工藝路線

4 結(jié)論

從數(shù)控銑削加工角度出發(fā)，以開(kāi)發(fā)符合STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的智能化ST-ICAPP系統(tǒng)為主要研究目標(biāo)，闡述了該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程所涉及的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題?；赟olidWorks平臺(tái)開(kāi)發(fā)了面向STEP-NC銑削加工的STICAPP原型系統(tǒng)，分析了該原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體框架，并結(jié)合典型零件實(shí)例的工藝路線規(guī)劃，對(duì)所構(gòu)建的ST-ICAPP原型系統(tǒng)的具體應(yīng)用過(guò)程中涉及的主要關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明，驗(yàn)證了ST-ICAPP系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)一步表明文中所闡述基于STEP-NC銑削加工智能化工藝規(guī)劃系統(tǒng)的合理性和可行性。

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