數(shù)控特征單元定義、實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用研究

1、數(shù)控特征單元定義、實(shí)現(xiàn)及其應(yīng)用研究      把特征的概念延伸到數(shù)控加工領(lǐng)域，能夠有效地解決數(shù)控編程/計(jì)算機(jī)數(shù)控(NCP/CNC)的信息集成問題。在NCP中可以采用特征分解技術(shù)，用特征的結(jié)構(gòu)和表示形式來定義數(shù)控加工幾何形狀和控制信息。我們把這種數(shù)控特征結(jié)構(gòu)稱為數(shù)控特征單元(numerical control feature unit，NCFU)。通過NCFU，可以把對(duì)一個(gè)復(fù)雜零件的數(shù)控加工活動(dòng)，分解成對(duì)若干個(gè)NCFU加工過程的總和，并以NCFU為信息單位傳遞給CNC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)NCP/CNC系統(tǒng)在更高層次上的信息集成。另一方面，從自動(dòng)控制理論的角

2、度來看，整個(gè)數(shù)控加工是按一種開環(huán)控制模式工作。其特點(diǎn)是，集中一次性完成刀具軌跡計(jì)算并輸入到CNC系統(tǒng)中，CNC系統(tǒng)只能根據(jù)事先編制好的指令進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算。在插補(bǔ)控制過程中，只允許對(duì)進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行有限的調(diào)整，因此很難保證CNC機(jī)床工作在最佳或合理的狀態(tài)下。改善這種開環(huán)控制模式的一個(gè)有效的方法是，設(shè)法使數(shù)控加工的基本過程不再按順序方式獨(dú)立完成，而是使其相互交叉重疊，使得刀具軌跡計(jì)算及控制能夠?qū)崟r(shí)完成，以便通過自動(dòng)反饋或人工調(diào)整，動(dòng)態(tài)修正刀具軌跡1。 1NCFU的信息和功能需求 根據(jù)以上分析，可以歸納出定義NCFU所必須滿足的基本條件： 可繼承性從概念上講，NCF

3、U是特征概念在數(shù)控加工領(lǐng)域的延伸；從O-O方法學(xué)上看，NCFU應(yīng)該是設(shè)計(jì)特征和制造特征的派生子類。因此，NCFU應(yīng)能繼承其父類特征中關(guān)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的高層信息。 可集成性作為NCP系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)之間信息交換的載體，NCFU不僅包含了數(shù)控加工所需的幾何形狀信息，還應(yīng)該包含相應(yīng)的加工控制信息。從O-O的實(shí)現(xiàn)方法上，要求NCFU封裝對(duì)NCFU進(jìn)行控制的處理方法。 可視性NCFU的可視性可通過計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行觀察、操作和仿真，可方便地輔助捕捉加工對(duì)象更高層次的設(shè)計(jì)信息和工藝信息，以便在并行工程環(huán)境下信息共享。 可控性NCFU作為刀具軌跡計(jì)算過程的一個(gè)中間控制節(jié)點(diǎn)，應(yīng)具備

4、能夠控制刀具軌跡輸出的控制參變量，而這些參變量應(yīng)具有很好的工藝性和直觀性。在實(shí)際應(yīng)用中，我們選擇基本切削參數(shù)作為控制參變量，如切削行距、切削深度和切削余量等。 典型性NCFU與刀具軌跡的計(jì)算過程有關(guān)，而刀具軌跡的計(jì)算方法與加工方法有關(guān)。因此，由于數(shù)控加工方法的多樣性，必然帶來NCFU的多樣性。這就要求在歸納和定義NCFU時(shí)要考慮其代表性，應(yīng)使其覆蓋更多的數(shù)控加工活動(dòng)。 實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性是指通過NCFU來計(jì)算最終刀具軌跡時(shí)所用的算法應(yīng)該簡(jiǎn)單有效。計(jì)算中不應(yīng)再有諸如干涉檢查、求曲面法矢和交線等費(fèi)時(shí)的復(fù)雜處理和判斷，以保證算法能夠在實(shí)時(shí)環(huán)境下運(yùn)行。 可操作性可操作性是指NC

5、FU應(yīng)易于用計(jì)算機(jī)表達(dá)、存儲(chǔ)、傳遞和操作。 可實(shí)現(xiàn)性NCFU是對(duì)數(shù)控加工過程進(jìn)行分解計(jì)算的直接結(jié)果，因此在定義NCFU的同時(shí)，應(yīng)該考慮生成NCFU的分解算法的可行性。至少要保證能夠找到一種有效的分解算法產(chǎn)生NCFU。 2NCFU的定義 2.1NCFU的基本組成NCFU的定義采用面向?qū)ο蟮腅XPRESS語(yǔ)言描述。用EXPRESS-G描述的NCFU基本組成結(jié)構(gòu)見圖1。圖1NCFR的組成結(jié)構(gòu) 首先定義一個(gè)加工對(duì)象2作為NCFU的超類，其屬性包括所有與刀具軌跡計(jì)算有關(guān)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)及控制參數(shù)，如加工方法、切削對(duì)象、約束條件、進(jìn)退方式、刀具參數(shù)、切削參數(shù)等。在加工對(duì)象

6、類中封裝生成NCFU子類對(duì)象實(shí)例的操作函數(shù)。 把NCFU定義成一個(gè)超類，其屬性包括兩個(gè)方面：其一是描述NCFU的幾何特征類；其二是對(duì)NCFU進(jìn)行操作的控制參數(shù)類。幾何特征類和控制參數(shù)類的具體定義與所采用的加工方法有關(guān)。NCFU也可派生出一個(gè)子類刀具軌跡。刀具軌跡類的對(duì)象實(shí)例就是對(duì)NCFU進(jìn)行操作的結(jié)果。按照O-O的方法，生成刀具軌跡子類對(duì)象實(shí)例的操作函數(shù)也被封裝到NCFU類中。 刀具軌跡類的屬性包括最終計(jì)算出的刀具軌跡，通常它由一系列直線段或圓弧段組成。刀具軌跡類又可派生出插補(bǔ)子類。對(duì)插補(bǔ)子類對(duì)象的操作實(shí)際上就是CNC系統(tǒng)中的插補(bǔ)計(jì)算。   

7、2.2幾種典型NCFU的定義3用EXPRESS-G同時(shí)定義了環(huán)切特征單元和行切特征單元兩種2.5軸銑削加工中使用的NCFU，見圖2。這兩種NCFU具有相同的幾何特征屬性，即平面封閉曲線。封閉曲線可以作為NCFU操作和顯示的初始邊界曲線。該封閉曲線所包圍的平面幾何區(qū)域限定了對(duì)NCFU的切削范圍，而且刀具在這個(gè)限定的范圍進(jìn)行切削移動(dòng)時(shí)，不需要作干涉檢查。圖2環(huán)切特征單元和行切特征單元 實(shí)際上在對(duì)被加工零件的某一個(gè)部位進(jìn)行加工時(shí)，待切削加工部分可能是一個(gè)復(fù)雜的實(shí)體。刀具在對(duì)這個(gè)部分進(jìn)行切削加工時(shí)可能會(huì)發(fā)生干涉和碰撞。根據(jù)NCFU的概念，把對(duì)整個(gè)復(fù)雜零件的數(shù)控加工活動(dòng)，分解成對(duì)若干個(gè)NCFU

8、加工過程的總和，因此要求分解計(jì)算能夠根據(jù)指定的刀具參數(shù)和加工方法，對(duì)待加工部位進(jìn)行計(jì)算和判斷，劃分一些小的區(qū)域，使刀具在對(duì)這些小區(qū)域進(jìn)行切削加工時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生干涉和碰撞問題。這些小的區(qū)域就是NCFU。環(huán)切特征單元的控制參數(shù)屬性包括切削行距、切削余量、切削深度和切削范圍等，見圖3。實(shí)際用環(huán)切特征單元計(jì)算最終的刀具軌跡時(shí)，只需根據(jù)當(dāng)時(shí)特征單元的切削參數(shù)逐次地計(jì)算初始邊界曲線的等距線,直到達(dá)到切削參數(shù)限定的范圍。改變切削參數(shù)即可改變輸出的刀具軌跡。圖3 行切特征單元的控制參數(shù)屬性包括切削行距、切削余量、切削深度和切削方向等，圖3。實(shí)際用行切特征單元計(jì)算最終的刀具軌跡時(shí)，先根據(jù)當(dāng)時(shí)特征單元的切

9、削行距和切削方向，得到一簇平行的直線，然后再計(jì)算這些直線簇與初始邊界曲線的交點(diǎn)，即可得到刀具軌跡。    2.2.2網(wǎng)格曲面特征單元 用EXPRESS-G定義了適合3D曲面銑削加工的網(wǎng)格曲面特征單元，見圖4。盡管曲面加工刀具軌跡計(jì)算涉及多方面因素，如曲面類型、刀具類型、加工方法、干涉與碰撞等，但由于任何一張曲面都可以在一定的精度條件下用網(wǎng)格顯式地表達(dá)，所以用網(wǎng)格來定義曲面特征單元的幾何特征應(yīng)該具有廣泛的代表性。圖4網(wǎng)格曲面特征單元 網(wǎng)格曲面特征單元的幾何特征由網(wǎng)格母線組成，見圖5。網(wǎng)格母線由一系列控制節(jié)點(diǎn)連接而成，而控制節(jié)點(diǎn)包含了位置、法矢及方

10、向等屬性。每一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)記錄了被加工曲面上的一個(gè)刀具切削接觸點(diǎn)的有關(guān)信息?？刂乒?jié)點(diǎn)的法矢屬性記錄了該切削接觸點(diǎn)的曲面法矢值；位置屬性記錄了與該切削接觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的刀具中心點(diǎn)坐標(biāo)值；方向?qū)傩杂涗浟司W(wǎng)格母線的橫向關(guān)聯(lián)指針。網(wǎng)格母線由一系列控制節(jié)點(diǎn)串接而成，其連接方向規(guī)定了刀具切削的方向。從理論上講，通過這些網(wǎng)格母線的位置屬性（刀具中心點(diǎn)），可以定義一張?zhí)摂M網(wǎng)格曲面，這張?zhí)摂M網(wǎng)格曲面可以看成是在指定的切削刀具參數(shù)下，刀具沿被加工曲面移動(dòng)時(shí)刀具中心點(diǎn)的展開曲面。因此，虛擬網(wǎng)格曲面上的任何一點(diǎn)都可以作為刀具中心軌跡的控制點(diǎn)，并且刀具在該點(diǎn)的切削不會(huì)產(chǎn)生任何干涉和碰撞問題。因此這張?zhí)摂M的網(wǎng)格曲面就可以作為動(dòng)態(tài)

11、生成刀具軌跡的基礎(chǔ)曲面。之所以稱之為虛擬網(wǎng)格曲面，是因?yàn)閷?shí)際上并不需要真正產(chǎn)生這張網(wǎng)格曲面，僅僅是希望利用其網(wǎng)格母線作為基礎(chǔ)，根據(jù)一定的插值算法，實(shí)時(shí)生成刀具軌跡。圖5特征單元網(wǎng)格曲面 網(wǎng)格曲面特征單元的控制參數(shù)包括行距權(quán)值和切削余量。其中行距權(quán)值被用來控制輸出刀具軌跡的行距。行距權(quán)值是與曲面加工精度有關(guān)的控制變量，對(duì)于曲面加工，切削行距可能不是常值，當(dāng)生成網(wǎng)格曲面特征單元時(shí)，其網(wǎng)格母線之間的行距是根據(jù)用戶指定的曲面加工精度要求來劃分的。為了便于實(shí)際刀具軌跡的插值計(jì)算，我們用行距權(quán)值來控制刀具軌跡插值的密度。我們把生成網(wǎng)格曲面時(shí)的行距權(quán)值設(shè)為1，因此，當(dāng)利用網(wǎng)格曲面特征單元生成刀具軌

12、跡時(shí)，如果當(dāng)時(shí)的行距權(quán)值取1，且切削余量不變，則實(shí)際輸出的刀具軌跡就是所有網(wǎng)格母線本身。如果增大或減小行距權(quán)值，則需要在虛擬網(wǎng)格曲面的網(wǎng)格母線之間進(jìn)行插值計(jì)算。插值的方法是，在各相關(guān)聯(lián)的控制節(jié)點(diǎn)之間，根據(jù)當(dāng)時(shí)的行距權(quán)值的取值，按一定的算法計(jì)算相應(yīng)的插值點(diǎn)，然后連接各插值點(diǎn)構(gòu)成新的刀具軌跡。例如，如果行距權(quán)值取0.5，則實(shí)際輸出的刀具軌跡的密度正好是原來的1倍。如果行距權(quán)值取1.3，則大約每10條網(wǎng)格母線之間要輸出13條刀具軌跡。所以通過改變行距權(quán)值，可以簡(jiǎn)便有效地改變實(shí)際輸出的刀具軌跡，并可以控制實(shí)際輸出刀具軌跡的行距，使其比原來網(wǎng)格母線之間的行距更疏或更密，從而控制了曲面加工的精度。

13、0;切削余量也是一個(gè)在CNC中可動(dòng)態(tài)修正的值，通過對(duì)切削余量值的調(diào)整可以動(dòng)態(tài)修正刀具軌跡的實(shí)際切削余量。在CNC中實(shí)際計(jì)算刀具軌跡時(shí)始終有2個(gè)切削余量值：一個(gè)是NCP用戶給定的切削余量值，它是不變的，另一個(gè)是CNC用戶實(shí)時(shí)修正的切削余量值。對(duì)切削余量的修改應(yīng)該以不產(chǎn)生干涉為原則。刀具軌跡插值計(jì)算中刀具參數(shù)是不可調(diào)整的。 如果由網(wǎng)格曲面特征單元生成刀具軌跡時(shí)改變切削余量值，則可根據(jù)控制點(diǎn)的曲面法矢值,在各插值點(diǎn)處重新計(jì)算刀具中心點(diǎn)偏置，生成新的刀具軌跡。 3NCFU的算法實(shí)現(xiàn) 在特征設(shè)計(jì)中，特征以參數(shù)化的形式事先定義并存放在特征庫(kù)中，供設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中選擇。而基于N

14、CFU的特征加工則不同，NCFU是在對(duì)零件數(shù)控加工活動(dòng)的分解過程中自動(dòng)生成的，而且所生成的NCFU類型與所采用的數(shù)控加工方法有關(guān)。    3.1平面區(qū)域加工環(huán)切特征單元分解算法 平面區(qū)域定義為由一個(gè)且僅有一個(gè)外環(huán)和零個(gè)或多個(gè)內(nèi)環(huán)圍成的連通區(qū)域。對(duì)平面區(qū)域的銑削加工有環(huán)切加工和行切加工兩種方法。這里僅介紹環(huán)切加工算法。根據(jù)所選擇的刀具參數(shù)和平面區(qū)域的形狀，對(duì)一個(gè)平面區(qū)域加工過程可分解成一個(gè)或多個(gè)環(huán)切特征單元。具體算法如下： (1)對(duì)平面區(qū)域的外邊界以刀具半徑值向內(nèi)產(chǎn)生等距線，記為B；對(duì)各島嶼邊界以刀具半徑值向外產(chǎn)生等距線，記為Ii（i=1,2,3

15、,m）;如果考慮加工時(shí)的裝夾情況，且裝夾具對(duì)加工區(qū)域有干涉，則對(duì)各裝夾具投影邊界以刀具半徑值向外產(chǎn)生等距線，記為Ck（k=1,2,3,n）。 (2)如果n>0，則BBCk，（“”為差運(yùn)算），其中k=1,2,3,n。 (3)如果m>1，則對(duì)所有的Ii進(jìn)行并運(yùn)算,結(jié)果記為IC,IC是具有若干個(gè)封閉島嶼環(huán)的集合。 (4)如果集合IC中的元素個(gè)數(shù)大于1,則將集合IC中的各封閉島嶼環(huán)進(jìn)行鏈接,形成一個(gè)新的封閉島嶼環(huán)IO;如果IO存在，則將B與IO進(jìn)行鏈接，并將結(jié)果賦給B。 (5)定義兩個(gè)NCFU集合,記為TEMP-S=NCFU0B，thickness=

16、0,RESU-S=,其中TEMP-S為臨時(shí)NCFU集合，RESU-S為結(jié)果NCFU集合。 (6)如果TEMP-S不為NULL,則從TEMP-S中得到當(dāng)前的NCFU，thickness=thickness+step(step為切削行距)，以thickness為等距值作初始邊界曲線的等距線，記為offsetprofile;如果TEMP-S為NULL轉(zhuǎn)步驟(8)。 (7)如果offsetprofile為NULL或包含多個(gè)環(huán)，則將當(dāng)前NCFU加入到集合RESU-S中，從offsetprofile中分離出所有環(huán)，一個(gè)環(huán)定義一個(gè)NCFU，并以該環(huán)為初始邊界曲線，設(shè)置切削余量為零；將所有

17、新產(chǎn)生的NCFU加入到TEMP-S；設(shè)置TEMP-S中下一個(gè)NCFU為當(dāng)前NCFU；轉(zhuǎn)步驟(6)。 (8)結(jié)束并返回結(jié)果。    3.2網(wǎng)格曲面特征單元生成算法 網(wǎng)格曲面特征單元生成算法的目的是根據(jù)被加工曲面、刀具、加工方法及精度等參數(shù)計(jì)算網(wǎng)格曲面特征單元的網(wǎng)格母線，計(jì)算過程由以下幾個(gè)計(jì)算模塊組成: (1)接觸跡曲線計(jì)算模塊接觸跡曲線指刀具走刀過程中由刀觸點(diǎn)(如刀具與被加工曲面的理論接觸點(diǎn))構(gòu)成的曲線，接觸跡曲線的生成由走刀行距和導(dǎo)動(dòng)規(guī)則確定，而導(dǎo)動(dòng)規(guī)則由曲面加工方法確定。接觸跡曲線與網(wǎng)格母線之間是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，接觸跡曲線的計(jì)算與被

18、加工曲面、干涉、刀具、加工方法及精度有關(guān)。算法可參照曲面加工的有關(guān)算法4。接觸跡曲線計(jì)算的結(jié)果是一個(gè)接觸跡曲線集合A-CURVE=curvei,i=1,2,3,n。 (2)曲線離散模塊曲線離散是將接觸跡曲線集合A中的每一條連續(xù)的曲線curvei按照一定的精度要求進(jìn)行離散。離散的結(jié)果將得到一個(gè)刀觸點(diǎn)集合AP-S=APij,i=1,2,3,n,j=1,2,3,m。 (3)刀具偏置模塊刀具偏置指根據(jù)刀具形狀參數(shù)從刀觸點(diǎn)APij開始計(jì)算刀具中心位置點(diǎn)TCPi。計(jì)算的結(jié)果得到刀位點(diǎn)的集合TCP-S=TCPij,i=1,2,3,n,j=1,2,3,m。 (4)曲面法矢計(jì)算模塊

19、計(jì)算每一個(gè)刀觸點(diǎn)APij處的曲面法矢Vij。 (5)干涉檢查模塊檢查刀具在每一個(gè)刀具位點(diǎn)TCPij處的曲面自干涉和外干涉情況,并把存在干涉的刀具位點(diǎn)TCPij從刀位點(diǎn)集合TCP-S中刪除,得到一個(gè)去除干涉以后的刀位點(diǎn)的集合TCP-S-C=TCPij,i=1,2,3,n,j=1,2,3,m，其中mm,nn。 (6)生成網(wǎng)格母線模塊按照切削方向重新組織刀位點(diǎn)的集合TCP-S-C，得到網(wǎng)格曲面特征單元的網(wǎng)格母線集合M=P-CURVEi,i=1,2,3,nn;其中每一個(gè)P-CURVEi又是一個(gè)刀位點(diǎn)TCPj的集合P-CURVEi=TCPij,j=1,2,3,mm。 (7)

20、控制節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)模塊P-CURVEi中的每一個(gè)刀位點(diǎn)TCPij就是網(wǎng)格曲面特征單元中網(wǎng)格母線上的控制節(jié)點(diǎn)，將每一條網(wǎng)格母線上的控制節(jié)點(diǎn)與相鄰網(wǎng)格母線上的控制節(jié)點(diǎn)建立關(guān)聯(lián)，最終生成網(wǎng)格曲面特征單元。 4基于NCFU的NCP/CNC集成系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 基于NCFU的NCP/CNC集成系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)見圖6。其中圖6a說明了基于NCFU數(shù)控加工的活動(dòng)過程。圖6a中的實(shí)線方框表示基于NCFU的數(shù)控加工產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的4個(gè)不同層次的對(duì)象類型。虛線方框表示3種基本的數(shù)據(jù)輸入形式。橢圓框表示基于NCFU數(shù)控加工的幾種基本操作和控制方法。其中分解計(jì)算和密化計(jì)算是分布式刀具軌跡計(jì)算的2個(gè)計(jì)算步驟。曲線仿

21、真是傳統(tǒng)數(shù)控加工中基于刀具軌跡（直線或圓弧）的加工仿真。實(shí)體仿真是基于NCFU（實(shí)體）的加工仿真。 圖6a中有2個(gè)控制參數(shù)反饋輸入端口。其中刀具軌跡框端口處的進(jìn)給速度F和主軸轉(zhuǎn)速S是傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)在插補(bǔ)計(jì)算中可動(dòng)態(tài)調(diào)整的控制參數(shù)。而NCFU框端口處的切削參數(shù)(切削行距、切削深度、切削余量)是基于NCFU的控制參數(shù)。當(dāng)根據(jù)NCFU計(jì)算刀具軌跡的同時(shí)，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)改變切削參數(shù)值，從而改變刀具軌跡。圖6b和圖6c分別說明了2種基于NCFU的控制模式。這兩種模式的主要區(qū)別在于密化計(jì)算是離線執(zhí)行還是在線實(shí)時(shí)執(zhí)行。圖6b中把密化計(jì)算放在NCP中完成，這種控制模式的優(yōu)點(diǎn)是，在不影響傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，通過基于NCFU的數(shù)控編程和實(shí)體仿真，支持在CIMS和并行工程環(huán)境下的信息共享與集成。圖6c中把密化計(jì)算放在CNC中完成，加強(qiáng)了CNC系統(tǒng)的可控性和可觀性。同時(shí)由于對(duì)NCFU的控制和計(jì)算簡(jiǎn)單，能夠滿足CNC系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。圖6基于NCFU的NCP/CNC集成系