基于模型定义的飞机结构件数控编程方法

赵 鸣，王细洋

(南昌航空大学 航空制造工程学院，江西 南昌 330063)

基于模型定义的飞机结构件数控编程方法

赵 鸣，王细洋

(南昌航空大学 航空制造工程学院，江西 南昌 330063)

为解决飞机结构件工艺决策和数控编程效率低下及自动化程度不高的问题，提出了一种基于模型定义的数控编程方法。首先制定特征信息模板作为零件加工特征的标注依据，并通过标注检索特征；然后根据特征信息模板提取特征的几何信息和非几何信息进行工艺决策。应用该方法在CATIA V5平台上进行了系统开发，最终实现了数控程序的自动生成，并通过实验验证了其可靠性。

飞机结构件；基于模型定义；特征信息模板；CATIA V5

波音公司于1997年在其多年数字化制造经验基础上研究了基于模型的定义(Model Based Definition， MBD)技术，并于2003年7月被批准为美国国家标准[1]。MBD技术试图用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息，它详细规定了三维实体模型中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法[2]。MBD使三维实体模型作为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统的以工程图纸为主、以三维实体模型为辅的制造方法[3]。

飞机结构件是构成飞机机体骨架和气动外形的重要组成部分，加工特征类型及数目多，加工难度大。但不同种类的飞机结构件却有共同的加工特征，如腔槽、筋、孔、凸台和外轮廓等[4]。因此，以特征为组织单元构建零件信息模型，能有效集成加工知识和经验。特征识别技术经历了30多年的发展，已经有了很大进步，出现了很多商业化的特征识别系统。但是大多数系统只能识别简单特征或固定的特征类型，对复杂相交特征和复杂特征的识别能力较差，且算法复杂，计算量大[5-8]。针对飞机结构件的特征识别系统就更少了。李迎光[9]针对飞机结构件提出了一种特征识别算法，能够识别简单特征，并开发了飞机结构件自动数控编程系统，但该系统没有融入MBD技术。简建邦[10]针对以上问题，提出了基于MBD和特征的飞机结构件数控加工方法，以飞机结构件MBD模型作为唯一依据，自动识别模型中的几何特征信息和非几何信息，并以此为基础进行自动工艺决策、数控编程等，但其并没有实现非几何信息指导自动工艺决策。

因此，笔者提出一种基于模型定义的飞机结构件数控编程方法，用于解决目前存在的飞机结构件数控编程系统特征识别效率低下、编程自动化程度低等问题，并就MBD技术在自动数控编程技术中的应用进行深入研究。

1 基于模型定义的数控编程技术

1.1MBD技术支持基础

在CATIA环境下，MBD信息的提取可通过CAA开发平台提供的“3D Functional Tolerancing & Annotation”功能实现。此功能可以通过几何元素检索与其关联的标注，也可以通过标注检索其附着的几何元素。

将某零件体的三维标注信息导出，如图1所示，存放在TXT文件中，从其中可以提取出标注的类型、子类、所关联几何元素以及各项参数等。

1.2基于模型定义的数控编程技术实现路线

基于图的特征识别方法一般需要先构建属性邻接图，然后提取出子图并进行特征的判断，但对相交特征识别效果不佳。而人为指定特征类型之后，可大大提高特征识别的效率和准确率。MBD技术为此提供了依据：使用旗注标明特征类型，即可检索出特征。设计人员添加特征的三维标注，传递给工艺人员；系统通过自动检索标注所关联的特征，获取完整的特征几何信息和非几何信息；再由CAPP系统制定加工工艺以生成NC程序。实现路径如图2所示。

图1 标注信息提取

图2 基于模型定义的数控编程技术流程图

2 特征分类及特征信息模板

2.1特征分类及标注

通过分析各类加工特征几何结构，将其分为以下几类：槽、筋、孔、外轮廓、凸台。因加工方案不同，部分特征又分为几种类型，如图3所示。特征编码见表1，部分特征由于存在从属关系，因而置于一个模板中，例如凸台槽含有凸台和子槽,阶梯槽包含子槽等。

表1 特征编码

图3 零件特征

2.2特征信息模板

特征信息模板以CATIA V5中编程模块作为依据，根据数控编程所需信息进行设置。以简单槽特征为例，编程模块中需要设置槽底面和加工区域等几何信息，工艺决策还需要与此特征相关联的非几何信息，如粗糙度、形状公差等。信息模板相关内容见表2。

表2 简单槽提取信息模板

对于其他特征，只需在简单槽信息模板的基础上修改个别项目即可。如开口槽加工侧壁的驱动线只需选择与侧壁相邻接部分，凸台槽还包含子特征凸台和子槽等。筋特征的侧壁一般也为槽特征的侧壁，可放在槽的加工中，筋特征的顶面作为重点加工部位单独加工。具体模板添加或修改项目及功能见表3。

表3 部分模板添加或修改信息

3 特征信息的提取

3.1几何信息的提取

在CATIA V5中使用旗注的方式对零件特征进行标注，如图4所示。

图4 特征标注

对于简单槽特征，根据标注检索到加工面之后，以此加工面作为基面，构造属性邻接子图。属性邻接子图不包括倒圆面和倒角面等过渡特征，过渡特征的识别与抑制可参考文献[11]。属性邻接子图以结点表示面，以结点之间的连线表示相应面的公共边，仅显示凹边及其所对应的面，其中连线上的数字0表示凸边，1表示凹边。如图5所示，基面1与之邻接且公共边为凹边的仅有面2～7，且这些面与其他面的公共边为凸边。面2～7则为侧壁面集合。

图5 简单槽的属性邻接子图

公共边的凸凹性判别如下：

判定1：直线的判定。若直线的两邻接面相交的角度大于180°(小于360°) ，则此边为凸边，反之为凹边[12]。

公共边不仅有直线，还有曲线。这里，曲线只局限于两柱面的交线(空间曲线)或柱面与平面的交线(平面曲线)，柱面可由曲线拉伸生成。

判定2：平面曲线的判定。任取曲线上一点，柱面在该点处的切平面与曲线所在平面之间夹角小于180°时为凹边，反之为凸边。

判定3：空间曲线的判定。任取曲线上一点，两柱面在该点处的两切平面之间夹角小于180°时为凹边，反之为凸边。

如图6所示，图(a)中点sp1处切平面外法向与平面夹角为90°，柱面垂直于平面，该曲线为凹边。图(b)中点sp2处两切平面间夹角小于180°，该曲线为凹边。

图6 曲线凸凹性判定

对于凸台槽，如图7所示，面1为槽底面，面2为凸台面，面3～11为侧壁面。

图7 凸台槽属性邻接子图

对于阶梯槽，如图8所示，面1为阶梯槽底面，面2,3为子槽底面，以这3个面作为基面检索其他面。面4,8,10～13为面3所在子槽的侧壁，面4,8,9为面2所在子槽侧壁。因面1与9,2与10的公共边为凸边，因此除去面1～3,9和10以外的所有面为阶梯槽侧壁。其他特征均可使用此种方式提取所需几何信息。

图8 阶梯槽属性邻接子图

3.2非几何特征的提取

提取几何信息之后，逐个检索已提取的几何元素，使用CAA开发平台提供的“3D Functional Tolerancing & Annotation”功能编写程序，提取附着在其上的三维标注。筛选对工艺决策有用的标注类型，并将有效的数值存放在特征信息模板中。

4 工艺决策

4.1加工方式的选择

飞机结构件的加工难度较大，加工方法的选择对零件特征的加工精度和形位误差有着重大的影响。通常利用铣削手段来加工铝合金为原材料的飞机结构件。用于加工铝合金的刀具一般损耗小，且材料的导热性良好，在加工过程中切削温度低，可以适用各种加工方法。而钛合金耐腐蚀、质量轻且强度高、韧性好，切削加工性能却很差，一般采用插铣的加工方式。

航空企业对结构件各种特征的加工积累了很多经验。例如：结构件外轮廓通常采用数控铣一次成形；孔的加工方式很多，需要根据孔的设计精度要求来选择。

在提取飞机结构件的特征信息后，工艺模板为零件的加工提供了完整的工艺信息。孔的精度等级与粗糙度值可用来辅助选择加工方式，例如：孔的加工精度等级为11～12，Ra为12.5μm时，只需采用一次钻孔；而当加工精度为6～7，Ra为1.6μm～0.8μm时，需要采用“钻—扩—粗铰—精铰”的加工方案等。精度要求高的表面需要多次加工，才能避免因切削力过大或者温度过高导致的变形，保证零件的精度要求。其他标注类型对工艺决策的影响需进一步研究。

4.2刀轨规划

槽的加工可分为粗加工和精加工，精加工又包括侧壁精加工与底面精加工。以凸台槽为例，精加工刀轨如图9所示。以凸台面为界，将其分成两部分，分别加工凸台面与槽底面，加工凸台面时以凸台槽的侧壁作为边界，保证凸台面完全加工。侧壁的精加工也必须分为两次，采用圆弧方式进退刀，避免划伤已加工表面。

图9 凸台槽精加工刀轨

所有特征中，筋特征因壁薄、易变形，加工难度大。筋顶面精加工时，平顶筋与斜顶筋应选择平底刀或圆鼻刀，曲顶筋使用球刀。如图10所示，对于斜顶筋，从最低处下刀，由下往上加工，曲顶筋则从曲面外进刀。曲顶筋与斜顶筋的加工方向均沿筋的延伸方向。

图10 筋特征精加工刀轨

5 应用实例

针对飞机结构件，使用CAA(C++)开发平台对CATIA V5进行二次开发。根据特征类型提取图11中所示的零件特征，选择一个槽特征，通过单击【编辑特征信息】进入特征信息模板(图11右侧图)，可以在此对话框中修改错误的信息。

提取信息之后导出特征列表和工艺信息，以XML文件格式存储。将其传递至数控编程模块进行数控编程，如图12所示。通过加工仿真，将错误的刀轨加以修改，最终生成NC代码，进行零件加工。使用代木对生成代码进行试切，加工结果如图13所示，证明生成刀轨符合要求。

图11 特征信息提取

图12 数控编程模块

图13 加工结果

6 结束语

切削实验证明了该系统的实用性和可靠性。

以工艺模板作为基础提取几何信息和非几何信息，减少了人为数据输入，提高了工艺决策的准确率和效率。同时，该系统合理应用了非几何信息参与工艺决策，为提高工艺决策的自动化程度指明了方向。此外，还避免了特征的识别，为自动数控编程的实现提供了更为简洁可靠的方式。

[1] Y14.41-2003 Digital Product Definition Data Practices[S].New York：ASME，2003.

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ResearchonNCProgrammingMethodforAircraftStructuralPartsBasedonModel-basedDefinition

ZHAO Ming, WANG Xiyang

(Nanchang Aeronautics University，Jiangxi Nanchang, 330063, China)

In order to solve the problems of low automation level and inefficiency in process planning and NC programming, it proposes a NC programming method for aircraft structural parts based on model-based definition. According to feature information templates, it establishes the part machining features and retrieves the features through annotation, develops a system on CATIA V5. This system generates automatically the process planning with the features of geometric and non-geometric information extracted from these templates. An experiment illustrates that the new method proves effective.

Aircraft Structural Part; Model Based Definition; Feature Templates; CATIA V5

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.02.003

2013-11-04

武器装备预研基金资助项目

赵鸣(1988—)，男，山东单县人，南昌航空大学硕士研究生，主要研究方向为数字化设计与制造。

TP391

A

2095-509X(2014)02-0013-05