覆盖件模具数控加工方法的研究*

段振云，孔令斌，赵文辉，王 宁

（沈阳工业大学机械工程学院，沈阳 110870）

覆盖件模具数控加工方法的研究*

段振云，孔令斌，赵文辉，王 宁

（沈阳工业大学机械工程学院，沈阳 110870）

为提高大型覆盖件模具数控加工的通用性、效率与准确性，在对STEP中性文件及其数据结构详细分析的基础上，提出IIPA加工方法，建立其中性文件与C++的映射关系，设计词法分析模块处理文件信息，完成模具中性文件与C++的实例化。集成覆盖件模具的特征信息，通过信息提取实现模具数控自动编程及数控加工。实践表明，具有编程速度快、通用性强、准确性高等优点。

STEP；IIPA；大型覆盖件模具；自动编程；数控加工

0 引言

汽车覆盖件模具是整个汽车模具的重要组成部分，也是技术最密集、加工难度最大的部分。这一类模具造型复杂、孔数量繁多、模型数据量庞大，传统的数控加工主要是依靠CAM软件交互式编程加工，这样加工的缺点是通用性差、工作量大、重复劳动多，编程复杂、容易出错，很难保证准确性。目前国内数控自动编程系统可以对简单零件的二维、2.5维图形进行信息识别与提取直至自动生成刀具轨迹和NC代码，但是针对复杂的三维图形文件的信息识别以及自动编程技术的研究还很少。

本文以汽车覆盖件模具为研究对象，提出IIAP（Integrated Information Automatic Proceing）加工方法，该方法是在对STEP标准的中性文件进行结构分析的基础上，通过建立中性文件与C++映射关系，实现中性文件C++对象的实例化，集成模具模型的特征信息，提取信息导入数控代码模板中，优化数控加工的刀具路径，从而改善对大型模具数控加工的困难，提高加工效率，实现大型模具的数控加工自动编程、自动加工。

1 信息集成

1.1 STEP中性文件结构

STEP［1-2］能够完整、不丢失地表达产品数据，并支持产品生命周期的各个环节，还可以独立于任何CAX系统，具有多种实现形式。直接处理中性文件，具有广泛的通用性。

STEP中性文件采用纯正文编码格式，由头文件段（HERDER）和数据段（DATA）两个SECTION组成。

头文件段由三个实例组成。文件描述（FILE_DESCRIPTION）提供文件的非正式描述和后处理层次；文件名称（FILE_NAME）提供文件的物理地址、名称、创建时间、CAD系统版本、STEP协议号、授权信息；文件规划（FILE_SCHEMA）给出文件引用的STEP协议名。

数据段由一系列实体实例定义语句组成，每个语句都遵循统一的格式：

其中：Y为实体实例名，是系统产生的该实体实例的唯一标识符；X是实体类型名；a、b、c等是实体实例的属性信息。该格式是由EXPRESS描述的实体的显示属性、子类/超类说明等映射而来。“；”表示语句的结束。

STEP中性文件主要是基于边界表达法（b-rep）表达的实体造型来描述产品，由点、线、边、环、面、壳通过路径使产品几何与拓扑信息联系在一起，建立实体模型［3-4］。

图1为汽车覆盖件模具模型，外形复杂并且孔加工繁多。图2是模具中的一个凸起岛屿块，作用是压铸覆盖件时，使其凸起成型。在这类岛屿块上，有很多尺寸不一的孔，有起固定作用（如#131）、定位销孔、以及成型过孔（如#130）等，每一个岛屿块都是一个完整封闭壳的实体模型。图3为STEP中性文件部分描述的图2中各个实体间的联系。#96定义了一个完整封闭壳的实体，是高级面#121～#144的集合。高级面#130又是由面边界#190、#191以及圆柱面#97组成，#97通过三维空间的2坐标轴系#464定义，而#464由笛卡尔点#2374给出位置坐标，由#524、#525给出方向；面边界#190由边环#248构成，#248由有向边#322组成，而#322又是由曲线边#390组成，#390通过顶点#355以及圆#426给出，最终都归结到笛卡尔点#654、#655给出坐标位置，#494和#496给出方向。

图1 汽车覆盖件模具模型

图2 中性文件中壳（CLOSED_SHELL）实体模型

图3 中性文件中实体间的关系

1.2 实体映射的建立

EXPRESS（ISO 10303-11）［5］是STEP中数据模型的形式化描述工具。但EXPRESS是面向对象的非编程语言，不能被程序直接使用，这就需要用另一种编程语言与之进行映射，从而实现对中性文件中的产品信息提取集成。C++语言是一种面向对象的程序设计语言，是最常用的CAX软件开发的平台。要把EXPRESS所描述的STEP中性文件格式转换为C++描述的格式，就要建立对应的映射规则［6］。EXPRESS的数据类型及其与C++的映射关系如表1所示。

表1 EXPRESS语言与C++语言的数据类型映射关系对比

通过上述数据类型的映射规则，将EXPRESS描述的实体实例映射为C++的类，建立实体映射关系，如表2所示。

表2 EXPRESS实体到C++类的映射

1.3 实例化

STEP中性文件是一个数据庞大的字符串形式的文本文件，因此须要对其做预处理才能进行信息提取操作，也就是进行词法分析。词法分析器的工作原理是由于中性文件数据段有着固定的描述格式，因此可以逐行分析读入的数据，将每行读入数据中的“，”、“=”、“（”、“）”、“））”等作为分隔符，读取每段内的字符串数据，从而提取出实体号、实体属性值以及子实体号等信息［7-8］。

覆盖件模具模型的STEP中性文件经过词法分析预处理后描述的产品信息被保存在数组中包括实体标识号、实体关键字、实体名称、实体属性（1、2、3……）等。首先遍历结构体中的实体关键字，然后根据编写的判断程序，查找出关键字相应的C++实体类的描述，建立该实体C++描述的映射关系，然后将数组中保存的实体信息作为参数传递给C++实体类中，构造C++实体对象，从而实现中性文件的实例化。然后根据实例分别读取对应实体的属性信息（如CIRCLE半径等）以及位置信息（如坐标点CARTESIAN_POINT、方向DIRECTION），程序流程如图4。

图4 实例化流程图

2 自动编程与实例验证

大型覆盖件模具模型复杂、数据量庞大，甚至有几百个孔需要加工。由于对孔的加工方式大体相同，只是刀具尺寸上有区别，而传统的数控加工编程方法采用交互式编程，重复劳动多、编程效率低、而且在编程输入数据过程中很难保证较高的准确性［9-10］。从覆盖件中性文件中提取出各个孔的位置信息、属性信息，并且分类整合，使得同一尺寸的孔一次性加工，减少换刀次数，提高加工效率，将整合后的孔位置坐标等信息自动输入到数控加工代码模板文件中，从而生成数控代码文件，保证了数据的准确性，极大地提高了加工效率，流程如图5。

图5 自动生成数控代码流程图

在用数控机床加工孔的过程中，对于孔径小于14的，可直接用对应尺寸的刀具进行钻削加工；而大于14的孔，由于孔径过大，大尺寸刀具很难装夹并且直接钻削加工时会产生很大的轴向偏差，影响孔的加工精度。为此，对大于14的孔加工时，采用圆弧插补进行加工，这就需要对提取出来的孔信息按孔径进行分类，自动导入相应的数控代码模板文件中，从而实现自动编程、自动加工。图6是生成的覆盖件模具中岛屿块对应的数控程序代码。可以直接用于数控机床进行数控加工。

图6 生成的数控代码文件

3 结论

针对多孔加工的大型覆盖件模具，本文提出了IIPA加工方法，首先利用模具的STEP中性文件集成模具的特征信息，然后通过将特征信息导入数控代码模板中，实现了模具数控加工的自动编程、自动加工。极大地提高了加工效率，保证了加工信息的准确性。并且该方法是直接对STEP中性文件进行处理，独立于CAX软件，具有一定的通用性，适用于多孔类大型模具的数控加工。

［1］Michael J Pratt.Introduction to ISO 10303-the STEP Standard for Product Data Exchange［J］.American Society of Mechanical Engineers，2001，1：102-103.

［2］ISO Industrial Automation Systems and Integration-Product Data Representation and Exchange-Part21：Implementation Method：Clear Text Encoding of the Exchange Structure［S］.ISO 10303-21，2004.

［3］张志伟，王太勇.基于STEP交换文件的特征模型研究［J］.制造技术与机床，2008，27（4）：98-101，106.

［4］王锐，张承瑞，刘日良.step中性文件的信息提取与图形显示［J］.机械科学，2004，30（9）：1117-1119.

［5］彭怡然.面向STEP的产品信息本体可视分析研究与实现［D］.浙江：浙江工业大学，2012.

［6］岳龙旺，刘保国，徐小定，等.基于STEP和VC++的CAX系统集成技术研究［J］.制造业自动化，2013，26（8）：91-95.

［7］付鹏，苑伟政.基于边环属性邻接图方法的STEP模型特征识别［J］.制造技术与机床，2010，20（10）：63-67.

［8］蔡丽安，徐颖，张友梅.基于实体模型的自动特征识别技术［J］.上海师范大学学报，2010，39（2）：161-165.

［9］张庆，姚锡凡.一种开放式数控系统NC代码解释器设计与实现［J］.组合机床与自动化加工技术，2010，18（2）：59-61，65.

［10］李铁刚，付春林，于天彪，等.快速数控编程系统的制造特征构建研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2012（2）：5-8.

（编辑 赵蓉）

Research on the Methods of Covering Parts Mould NC Machining

DUAN Zhen-yun，KONG Ling-bin，ZHAOWen-hui，WANG Ning
（School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

To increase the generality，efficiency and veracity of covering parts mould NC machining，IIPA was proposed which was based on studying the STEP neutral file and its data structure particularly.In this way，building the mapping relation between STEP neutral and C++，and designing lexical analyzer for processing information，are necessary to realize the instantiation from the neutral file to C++.NC automatic programming and machining have come true by extracting feature information integrated covering parts mould.The practice shows that this approach has the advantages of faster programming speed，higher generality and veracity.

STEP；IIPA；large covering parts mould；automatic programming；NC machining

TH165；TG659

A

1001-2265（2015）04-0123-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.04.032

2014-09-11；

2014-10-10

国家自然科学基金项目（51275073）

段振云（1971—），男，河南新乡人，沈阳工业大学教授，博士生导师，研究方向为复杂模具数控加工等，（E-mail）809607247@qq.com；通讯作者：孔令斌（1989—），男，辽宁锦州人，沈阳工业大学机械工程学院硕士研究生，研究领域为模具数控自动编程等，（E-mail）konglingbin0701@qq.com。