基于成组技术的复杂零件数控自动编程系统研究*

张胜文 张瑞国 贾 维 杨长祺

（①江苏科技大学现代制造技术研究所，江苏镇江 212003;②沪东重机有限公司工程技术中心，上海 200129）

基于成组技术的复杂零件数控自动编程系统研究*

张胜文①张瑞国①贾 维②杨长祺②

（①江苏科技大学现代制造技术研究所，江苏镇江 212003;②沪东重机有限公司工程技术中心，上海 200129）

针对船用柴油机复杂零件在利用CAPP/CAM技术进行数控编程中出现的问题，分别采用了优先级分级检索策略和加工模板技术，对CAPP/CAM中的相似性进行了挖掘与处理;并通过运用UG二次开发技术和SQL server数据库技术开发出数控自动编程系统，对从CAPP/CAM中挖掘出的相似性加以利用，实现了UG平台上加工模板定制、与CAPP工艺的匹配和数控自动编程;应用实例验证了系统的可行性与实用性，能够大大提高复杂零件数控编程的效率和编程质量。

数控编程 成组技术 相似性 船用柴油机

随着近年来中国船舶制造行业的迅速崛起，对有船舶心脏之称的船用柴油机提出了较高要求。对于船用柴油机制造企业，如何在市场瞬息万变的情况下把握时机，快速响应市场需求，提供优质的产品，对企业的生存发展至关重要。数字化制造技术作为现代制造技术的重要组成部分之一，对于提升企业制造水平，提高企业市场竞争力起着不可忽视的作用［1～3］。因此，企业相继引入了CAD/CAPP/CAM技术，但取得的实际效果却有限。这主要是由于直接引入的通用型CAM系统缺乏专用性以及与CAPP信息的共享与互动，重复性劳动多、效率低，对编程工程师的要求也较高。如何进一步实现数字化制造技术的价值，成为企业关注的重点，目前国内外都在对CAD/CAPP/CAM一体化技术进行研究［4，5］。成组技术揭示了事物具有相似性，通过对相似性的利用，可以获得巨大效益［6，7］。因此，本文从数控编程中存在相似性的角度出发，研究了在CAPP/CAM两个环节中对相似性信息的级联式挖掘与处理，并通过开发自动编程系统，使得CAPP/CAM系统集成度更高、联系更加紧密，从而最大限度地降低企业数控编程中的重复性劳动。

1 数控编程参数设置的分析

数控编程以CAD提供的模型为对象和CAPP提供的工艺信息为指导，在CAM中完成编程操作的生成。这是一个紧密联系的连续过程，涉及设计与制造的多个环节，信息的重复利用率也较高。例如，表1与表2列举了某船用柴油机两种情况下的相似工艺，在用通用型CAM系统进行编程时，这部分相似性突显出来，意味着CNC工程师就需重复设置相关参数，使得重复性劳动变多，劳动强度增加，效率降低。

表1 相同零件的相似工艺信息

由此可见在数控编程中存在相似性参数重复设置的问题。进一步分析表明，参数设置又可分解为工艺参数设置和操作参数设置，分别与CAPP和CAM形成一一对应。工艺参数和操作参数是相互区别、相互约束的。一方面，它们归属于不同的系统，工艺参数主要包括刀具信息（如刀具直径、刀具长度、刀具编号等）、主轴转速、进给速度、加工余量等工艺中已设计好的参数值，该部分可从CAPP获取;操作参数主要包括切削方式、步进方式、步进值、进退刀设置等等，该部分在CAM系统的编程操作面板上设置。另一方面，它们的组合会影响最终的刀轨形状、刀具位置和加工质量，只有紧密联系在一起时才能生成正确合理的编程操作。

2 数控编程中相似性信息的处理

为了提高企业的数控编程效率，对数控编程中存在的相似性进行挖掘与处理就显得极为重要。根据对编程参数的分析，适时在CAPP/CAM集成环境下拆分和重组编程参数是发挥成组技术基本原理在数控编程中应用价值的关键。

2.1 CAM中的相似性处理

利用CAM系统进行数控编程，除了需要提供零件的CAD模型及CAPP工艺信息外，CAM系统自身也需要完成走刀方式、切削顺序、安全平面等参数设置，才能生成正确的刀具轨迹。当加工具有相同或相似特征的零件时，这些参数需再次重新设置，重复性的劳动降低了编程效率。为此，本文采用知识加工模板作为解决问题的方法，即将加工验证认为是正确有效的一组参数存成文件进行重用，当要实现相似加工时，只需要直接调用模板或做少量修改就可得到工艺合理、参数正确的加工程序，从而减少了重复性劳动［8］。知识加工模板定制过程如图1所示。

2.2 CAPP中的相似性处理

如何充分挖掘CAPP系统全部信息的潜在价值为CAM服务一直是研究热点［9，10］。由于根据相似工艺产生的的数控编程操作也可能存在相似性，因此本文研究了通过制定优先级分级检索策略，对CAPP中的相似性工艺信息进行挖掘，通过计算得出的相似度能够预先为编程工程师提供参考，便于编程工程师根据相似度选择对应的加工模板。具体实施过程如下：

（1）选择样本

从CAPP工艺信息库中选择样本，构造候选检索样本集：

其中，hi定义为集合H的属性，hi对应的值定义为特征值。例如H={机床，刀具，S，F}，取机床为14 m龙门铣，刀具为φ330 mm铣刀盘，S为200 r/min，F为600 mm/min，则机床、刀具、S、F称为集合 H的属性，14 m龙门铣、φ330 mm 铣刀盘、200 r/min、600 mm/min称为特征值。

根据每道工序的具体情况，可以从候选检索标本集中筛选出m个检索样本，构成检索样本集：

（2）确定优先级与检索评判矩阵

为检索样本集中的每个样本设定优先级

其中，di表示第i个样本的优先级级别。

建立检索评判矩阵P：

其中，pij表示样本ci与优先级dj的对应关系，当ci设定为 dj的时候，pij=1;否则 pij=0。

（3）执行检索

根据检索矩阵中的对应关系，在CAPP工艺信息库中检索符合条件的工艺信息。若检索结果为空，则由自动编程系统按照已设定的优先级优先顺序自动修正优先级，去除当前的最低级后重新构建检索评判矩阵，并依照新的检索评判矩阵进行检索，按此检索策略直至检索到符合要求的工艺信息。

（4）系统从检索结果中提取结果样本集

将集合R与集合C比较，两集合属性的特征值相同时，令vi=1，否则vi=0。

（5）计算相似度

2.3 基于相似度的工艺信息与加工模板映射

只有将工艺参数与操作参数重新拼接后才能构成完整的编程参数。因此，利用优先级分级检索策略计算出相似度后，从中选择出合适的已匹配模板的工艺，并将该模板匹配给新工艺，映射关系如图2所示。加工模板与工艺匹配后，此时若要创建新的数控编程操作，则只需在CAM系统中选取加工特征就能快速生成数控刀具轨迹，从而减少重复性劳动，提高编程效率。

3 基于成组技术的自动编程系统开发

3.1 自动编程系统体系结构

为了对从CAPP/CAM中挖掘出的相似性进行处理，以船用柴油机复杂零件为对象，在分析了其工艺内容及走刀方式的基础上，按照企业的生产现状与实际生产要求，在UG平台上运用UG二次开发技术及SQL server数据库技术，开发了船用柴油机复杂零件自动编程系统，其体系结构如图3所示。

对图3有以下几点补充说明：①数据层为技术层提供数据支持，为技术层提供数据来源并储存处理结果;②技术层为自动编程系统核心，包括前处理、自动编程、后处理、用户管理等功能，促进编程系统的高效、稳定地运行;③用户层使用户通过人机交互接口，实现自动编程，并运用技术层的相关处理技术，能够对数据层进行查询、维护、扩展。图3中利用编程向导进行自动编程功能的主要优点是：①通过对相似性信息的挖掘与处理，建立CAD/CAPP/CAM的紧密联系，大大降低CAM中的重复性操作，提高企业编程效率;②综合考虑了CAD/CAPP/CAM各自的功能特点与优势，在CAM环境下适时拆分和重组，使编程操作更具灵活性;③知识加工模板库作为专家知识与经验的总结，可以使企业的知识财富不至于因人才流动或员工退休等因素而流失。新员工亦可通过知识模板库与CAD模型库、CAPP工艺库之间的映射关系，学习并掌握模板设置，为以后知识加工模板库的继承与扩展提供了空间。编程向导的操作流程如图4所示。

3.2 系统应用实例

船用柴油机复杂零件自动编程系统可以充分提高相似性信息在数控编程中的应用价值。例如，在创建柴油机机架下平面的数控编程操作时，首先运用系统利用优先级检索策略进行检索，如图5所示。检索结果显示机座上平面与其具有较高相似度，然后将其对应的加工模板匹配给机架下平面的操作，并重组机架下平面的工艺参数和机座上平面加工模板的操作参数，从而能避免步进方式、进退刀设置等大量铣削参数的重复设置。最后根据加工特征快速生成刀具轨迹，如图6所示。

4 结语

目前，对于数控编程中相似性的挖掘和处理技术的研究还不够深入，并且仅对单一环节的相似性处理不能有效提高数控编程效率。本文根据成组技术的基本原理，通过连续挖掘和利用CAPP/CAM中的相似性信息，强化了系统之间的联系，提高了系统的集成度，并可最大程度地降低数控编程中重复性的劳动。结合UG二次开发技术开发出的自动编程系统，实现了船用柴油机复杂零件的准确、便捷、高效的自动编程。系统的应用实例表明课题研究对于提高企业数控编程技术具有较大实用价值。但是由于数控编程涉及面的广泛性和复杂性，如何进一步提高检索效率以及对编程工程师经验知识的获取和总结等问题还需不断研究，随着研究的深入系统将会更加完善。

1 曹玉娇.我国数字化造船发展现状［J］.船舶工程，2008，30（3）：6～9

2 王关峰，王俊彪，王淑侠.机翼整体壁板数字化制造技术［J］.制造技术与机床，2006（5）：87～90

3 曾东保，刘艳华.CAM技术的现状与发展趋势［J］.装备制造技术，2008（11）：129～131

4 何春生.CAD/CAM系统集成的研究与应用［J］.中国机械工程，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 赵信革.成组技术在零件数控加工生产中的应用［J］.机械设计与研究，2006，22（5）：96 ～97，103

7 韩庆瑶，赵保亚.现代成组技术在CAD/CAM中的应用与发展［J］.机械设计与制造，2006（5）：64～66

8 贾志欣，殷国富，陈田.CAM软件的新技术与特点［J］.测控自动化.2004（3）：1～2

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 王晓琴，冉险生，蔡冬梅.基于数控加工知识的箱体类零件CAPP/CAM 的探索与实践［J］.制造业自动化，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

* 企业攻关项目支助（2008JD077F）

张胜文，男，1963年生，教授。研究方向：CAD/CAM、数控加工、先进制造技术。获得省部级科技进步奖5项，发表论文40余篇。

p

2009―07―23）

10326