一、問(wèn)題的提出

近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，機(jī)械產(chǎn)品的制造向加工精度精密化、加工效率高速化、加工尺寸極限化、加工過(guò)程智能化以及加工環(huán)境綠色化方向發(fā)展。機(jī)械加工的發(fā)展趨勢(shì)是零件結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、材料更先進(jìn)、設(shè)備性能更高，對(duì)交付時(shí)間、價(jià)格和質(zhì)量的要求更加苛刻。在這種情況下，如何提高編程人員的數(shù)控程序編制應(yīng)用水平、達(dá)到數(shù)控程序編制高質(zhì)量和高效率的標(biāo)準(zhǔn)，如何提高數(shù)控設(shè)備的利用率、降低數(shù)控機(jī)床的安全性隱患成為制造企業(yè)面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。同時(shí)，數(shù)控加工技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，如何更廣泛和深入地應(yīng)用成為制造企業(yè)加工過(guò)程中亟待解決的重大研究課題。

數(shù)控加工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括：數(shù)控機(jī)床、加工刀具、控制系統(tǒng)、數(shù)控程序編制（CAM）系統(tǒng)以及數(shù)控程序編程技巧等，如圖1所示。只有這些環(huán)節(jié)的有機(jī)配合，才能充分發(fā)揮數(shù)控加工的優(yōu)勢(shì)，提高數(shù)控設(shè)備的效率。

由圖1可以看出，企業(yè)在引進(jìn)了數(shù)控設(shè)備和選用高效刀具的基礎(chǔ)上，還需要采用先進(jìn)的加工技術(shù)（如高速加工、多軸加工以及車(chē)銑復(fù)合等）、有效的數(shù)據(jù)通訊（如DNC）以及完善的數(shù)控加工程序編制系統(tǒng)，才能充分發(fā)揮數(shù)控設(shè)備的能力。

圖1 數(shù)控加工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

二、NX CAM智能體系結(jié)構(gòu)

NX CAM是一基于過(guò)程的智能制造系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。在這一體系結(jié)構(gòu)中，輸入的是加工零件的模型數(shù)據(jù)，包括零件的幾何模型及屬性，以及毛坯模型等。輸出的是經(jīng)過(guò)后置處理的NC加工代碼、數(shù)控加工指導(dǎo)書(shū)等。中央是以刀具、機(jī)床等為資源庫(kù)，以操作模板、方式模板等為知識(shí)庫(kù)，兩庫(kù)共同支撐的面向過(guò)程的智能加工系統(tǒng)，它提供加工編程處理、加工過(guò)程模型管理、加工模擬仿真以及加工環(huán)境管理等功能。這一體系結(jié)構(gòu)為企業(yè)數(shù)控加工經(jīng)驗(yàn)的獲取與重用，以及數(shù)控加工程序編制的自動(dòng)化提供了基礎(chǔ)，確保了編程的效率與質(zhì)量。

圖2 NX CAM的智能體系結(jié)構(gòu)

這一體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)如下:

（1）用戶(hù)知識(shí)的獲取和重用。用戶(hù)的知識(shí)可以通過(guò)庫(kù)的形式集成到軟件中，從而將軟件與用戶(hù)的實(shí)際要求緊密集合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)知識(shí)的獲取和重用。

（2）提高了數(shù)控編程的效率。用戶(hù)可以把以往的經(jīng)驗(yàn)集成到軟件中，從而避免了加工參數(shù)的重復(fù)輸入，提高了編程效率。特別是基于這一體系結(jié)構(gòu)的加工過(guò)程向?qū)В芤龑?dǎo)用戶(hù)一步一步完成數(shù)控加工程序的編制，不僅大大提高了編程效率，而且降低了對(duì)編程人員的技能要求，提高了編程質(zhì)量和加工程序的標(biāo)準(zhǔn)化。

（3）提高了數(shù)控編程的質(zhì)量。該體系結(jié)構(gòu)可以將經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證的經(jīng)驗(yàn)融入軟件，從而保證了編程的質(zhì)量。同時(shí)該體系結(jié)構(gòu)可以保證輸出與輸入具有相關(guān)性，從而保證了數(shù)據(jù)的一致性，確保了質(zhì)量。

（4）提高了數(shù)控編程的標(biāo)準(zhǔn)化。該體系結(jié)構(gòu)可以使不同的人員按照同一模式來(lái)進(jìn)行零件的數(shù)控程序的編制，使得不同的人員對(duì)同一零件編制出來(lái)的程序具有一致性，從而有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序編制的標(biāo)準(zhǔn)化。

三、NX CAM的智能化編程應(yīng)用

NX CAM的智能體系結(jié)構(gòu)為數(shù)控加工程序的智能化編制提供了基礎(chǔ)。企業(yè)在具體的實(shí)施應(yīng)用過(guò)程中，可根據(jù)被加工零件的特點(diǎn)以及企業(yè)自身的情況，采用一種或多種自動(dòng)化編程方法。

1.基于模板應(yīng)用的自動(dòng)化編程

從以上NX CAM的體系結(jié)構(gòu)可以看出，加工模板在NX CAM系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用，是NX CAM系統(tǒng)的基礎(chǔ)。NX加工模板是NX文件中的一些操作和組對(duì)象，在加工模板中包含了預(yù)先定義好的參數(shù)，加工模板可以被重復(fù)使用，使得用戶(hù)能夠?qū)ζ湫碌娜蝿?wù)快速、容易地創(chuàng)建新的操作和組對(duì)象，避免了大量重復(fù)定義參數(shù)的工作。在NX加工應(yīng)用中可以有各種加工模板可供使用，分別是：操作模板、加工方式模板、刀具模板、加工幾何模板和環(huán)境設(shè)置模板，各種模板包含了不同的數(shù)據(jù)。

（1）操作模板。操作模板用來(lái)設(shè)定加工操作中的所有選項(xiàng)的值，如點(diǎn)位操作中鉆孔操作的所有缺省參數(shù)，這些數(shù)據(jù)作為操作被保存，當(dāng)創(chuàng)建新的操作時(shí)，可以提取并利用。

（2）加工方式模板。加工方式模板主要定義一些通用的選項(xiàng)數(shù)據(jù)，如加工余量、加工擬合精度、切削速度以及刀具軌跡顯示參數(shù)。

（3）刀具模板。控制在創(chuàng)建加工刀具軌跡的過(guò)程中能夠采用的加工刀具及其具體參數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是可以幫助用戶(hù)采用標(biāo)準(zhǔn)的刀具庫(kù)。

（4）加工幾何模板。加工幾何模板中定義了在加工環(huán)境中可選用的加工幾何種類(lèi)，以及針對(duì)該加工幾何所需的加工操作，例如加工一孔加工幾何，可以包括中心鉆、鉆和鉸孔操作。NX加工幾何模板可以定義的加工幾何種類(lèi)包括：孔幾何、邊界幾何、面和體幾何以及車(chē)削邊界幾何等。

（5）環(huán)境設(shè)置模板。將操作模板、加工方式模板、刀具模板和加工幾何模板組合在一起，提供一個(gè)整體的加工應(yīng)用環(huán)境。

NX的每一個(gè)版本都包含有已經(jīng)定義好的加工模板和加工設(shè)置文件，如果用戶(hù)希望根據(jù)自己企業(yè)和產(chǎn)品的特點(diǎn)，創(chuàng)建有針對(duì)性的加工模板，則可以采用圖3所示的基于客戶(hù)化模板的數(shù)控加工程序的編制流程來(lái)完成其工作，實(shí)現(xiàn)加工程序編制的快速、自動(dòng)化。在該流程中實(shí)際上包括兩部分內(nèi)容：第一部分為客戶(hù)化模板的創(chuàng)建；第二部分為客戶(hù)化模板的使用。

圖3 基于客戶(hù)化模板的自動(dòng)化編程

2.基于過(guò)程向?qū)О淖詣?dòng)化編程

加工向?qū)О窃趯?duì)特定行業(yè)或特定產(chǎn)品進(jìn)行深入研究后，針對(duì)該特定行業(yè)或特定產(chǎn)品的數(shù)控程序的編制而開(kāi)發(fā)出的專(zhuān)業(yè)過(guò)程向?qū)В谠撨^(guò)程向?qū)е屑闪撕芏喑墒斓慕?jīng)驗(yàn)（如加工工序的設(shè)定、加工刀具的選取以及加工參數(shù)的采用等），它通過(guò)一步步的引導(dǎo)來(lái)控制編程操作順序，從而極大地提高編程效率和質(zhì)量。圖4所示為一典型的利用加工向?qū)нM(jìn)行編程的過(guò)程。

圖4 基于過(guò)程向?qū)У淖詣?dòng)化編程

針對(duì)加工過(guò)程向?qū)У拈_(kāi)發(fā)，NX軟件提供了流程工作室工具（圖5），使用戶(hù)能夠通過(guò)拖拽的方式，非常容易地定義自己的加工向?qū)О?/span>

圖5 流程工作室

3.基于特征加工的自動(dòng)化編程

NX的基于特征的加工編程提供了數(shù)控加工程序編制的新的方法，它通過(guò)特征管理器識(shí)別零件的幾何特征，然后采用加工規(guī)則識(shí)別加工特征的物理特性和屬性，進(jìn)行特征分組，并基于特征分組選取合適的刀具、切削方式和加工參數(shù)，創(chuàng)建相應(yīng)的加工程序。利用NX的基于特征的編程技術(shù)（圖6），與標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)相比，可以縮短超過(guò)90%的編程時(shí)間。

圖6 基于特征加工的自動(dòng)化編程

基于特征的自動(dòng)化編程過(guò)程包括以下幾個(gè)方面。

（1）特征識(shí)別

針對(duì)任意來(lái)源的被加工幾何對(duì)象，讀取其幾何特性，識(shí)別被加工的特征形狀。

識(shí)別特征的方式可以有多種：①CAD特征和用戶(hù)自定義特征可直接識(shí)別為加工特征；②基于零件的幾何拓布結(jié)構(gòu)來(lái)識(shí)別加工特征，可以處理通過(guò)IGES或STEP接口接收的來(lái)自其他系統(tǒng)的CAD模型；③通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)單幾何賦予標(biāo)記來(lái)識(shí)別為加工特征，例如對(duì)一個(gè)點(diǎn)賦予標(biāo)記來(lái)定義一個(gè)臺(tái)階孔，并描述孔的深度、直徑等，可對(duì)特征、點(diǎn)、圓弧、面和特征賦予標(biāo)記，使它們成為加工特征。

（2）加工推理

根據(jù)識(shí)別的特征，系統(tǒng)自動(dòng)利用內(nèi)置的基于知識(shí)的推理機(jī)制，對(duì)加工特征進(jìn)行分類(lèi)，如按孔的直徑分類(lèi)，或按面的法向分類(lèi)等，并決定加工的操作類(lèi)型與參數(shù)，選取合適的刀具，創(chuàng)建加工程序。

（3）刀具軌跡優(yōu)化

對(duì)加工程序應(yīng)用知識(shí)規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化，提高加工效率。可以按照最少刀具數(shù)量、最少換刀次數(shù)以及最小刀具移動(dòng)距離等方式進(jìn)行加工程序的優(yōu)化。

4.基于PMI驅(qū)動(dòng)的智能加工編程

基于PMI驅(qū)動(dòng)的智能化加工編程是基于特征加工的自動(dòng)化編程技術(shù)的深度應(yīng)用，其工作過(guò)程如圖7所示，它直接讀取MBD模型的幾何特征和產(chǎn)品制造信息，然后根據(jù)特征和產(chǎn)品制造信息自動(dòng)選取適合的加工工藝，自動(dòng)創(chuàng)建相應(yīng)的加工刀具軌跡。

四、結(jié)語(yǔ)

基于NX CAM的智能化編程解決方案采用了領(lǐng)先的CAM快速編程技術(shù)和自動(dòng)化編程技術(shù)，能有效提高知識(shí)和資源重用率，縮短工藝準(zhǔn)備時(shí)間。對(duì)編程者而言，則大幅降低了非工藝設(shè)計(jì)流程環(huán)節(jié)的工作量，使數(shù)控加工編程的效率達(dá)到最佳狀態(tài)，滿(mǎn)足數(shù)控加工的各種要求。