基于实例及规则推理的数控自动编程方法

摘要

本发明涉及一种基于实例及规则推理的数控自动编程方法，属于机械加工技术领域，该数控自动编程方法通过对同类零件的加工方法进行分析，将每个零件加工所需的操作以及加工参数、加工刀具以实例的形式分别存储到各自的加工工艺模板中，形成加工工艺模板库，对加工工艺模板中每一个加工操作制定加工规则，形成加工规则库，再以边界盒技术为基础，导入待加工零件模型之后直接实现对模型零件类型的判断，再根据零件的类型，从零件的加工规则库中选取到零件对应的加工规则，最后根据加工规则从加工工艺模板库中自动抓取加工该类零件所需的加工操作以及加工参数，自动生成编程所需要的操作，实现零件的数控自动编程，有效地提高零件编程效率。

说明书

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其是涉及一种基于实例及规则推理的数控自动编程方法。

背景技术

在数控加工的过程中，生产效率往往与数控机床控制装置的编程效率息息相关，目前手工编程由于存在效率低、人工强度大等缺点，已经逐渐被计算机辅助制造（ComputerAided Manufacturing，CAM）技术取代，CAM技术已经成为了当今数控编程的主流方法之一，目前应用较为广泛的CAM软件有Unigraphics NX、PowerMill、Solidworks等。

虽然CAM技术能完美解决手工编程所存在的问题，但是在目前的编程过程中，当前CAM软件仍存在人为干预较高、同类零件重复编程浪费时间等问题，存在的具体问题主要有：（1）当前使用CAM软件对同类加工零件进行数控编程时，即使同类零件在形状和加工工艺上有很多相似之处，但是大部分CAM软件无法将过去的加工经验进行保存并再次利用，当再次对同类零件进行加工时只能人为再次输入；（2）即使当前部分企业已经拥有自己的加工工艺模板，但是内部参数过多，往往需要花费大量时间去查询相关工艺参数，造成时间大量浪费；（3）在加工同类零件时，可能出现相同特征变换到零件其他面的情况，但是现有的自动编程系统部分只能针对单一加工坐标系或者加工坐标系不变的情况下，当坐标系变化时往往不适用。

发明内容

针对当前CAM软件存在的人为干预较高、同类零件重复编程浪费时间、编程效率较低等问题，本发明提供一种基于实例及规则推理的数控自动编程方法。

为解决上述问题，本发明采取以下技术方案：

基于实例及规则推理的数控自动编程方法，包括以下步骤：

步骤1：对同类零件的加工工艺进行详细分析，将每个零件加工所需的加工操作、加工参数以及加工刀具以实例的形式存储到各自的加工工艺模板中，并将全部加工工艺模板存储在一起形成加工工艺模板库；

步骤2：对每一个加工工艺模板中的加工操作制定加工规则，加工规则包括注释、模板操作、刀具、加工类型、颜色编号以及坐标系六种参数，并将加工规则存储到加工规则库中，且加工规则中的模板操作、刀具的名称分别与加工工艺模板中的加工操作、加工刀具的名称相同；

步骤3：将加工工艺模板库和加工规则库集成到编程软件中，并在编程软件中导入待加工零件模型；

步骤4：利用边界盒技术识别待加工零件模型的零件类型；

步骤5：根据零件类型从加工规则库中匹配对应的加工规则；

步骤6：根据匹配的加工规则从加工工艺模板库自动抓取对应的加工工艺模板的内部参数；

步骤7：根据抓取的内部参数自动生成数控刀路；

步骤8：判断数控刀路是否符合加工要求，若是，则完成对待加工零件模型的自动编程；否则，修改匹配的加工规则或者加工工艺模板的内部参数后重新生成数控刀路，直至数控刀路符合加工要求。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明应用三维CAD/CAM二次开发技术、数据库技术以及实例和规则的推理技术，通过对过去加工的同类零件的加工工艺进行分析，将每个零件的加工操作、加工参数以及加工刀具以实例的形式保存到各自的加工工艺模板中，通过重复利用过去同类零件的加工经验进行编程，可以提高数控机床控制装置的编程效率，进而提高产品的生产效率，缩短生产周期，并降低对编程软件操作者的要求，解决了人工编程效率低下以及易出错等问题，节约了人工成本以及时间成本；

（2）通过加工规则库中的加工规则可以快速准确调用加工工艺模板中的实例，并且通过修改加工规则库中的内容，可快速修改实例中的参数，使编程过程更加简单化与自由化，并可以适应零件加工过程中的加工坐标系的变换。

附图说明

图1为本发明基于实例及规则推理的数控自动编程方法的流程图；

图2为本发明实施例中加工工艺模板内部框架示意图；

图3为本发明实施例中基于边界盒技术对零件类型的推理流程图；

图4为本发明实施例中基于颜色编号抓取加工区域的流程图；

图5为矩形体中空类待编程零件的结构示意图；

图6为某舱体类待编程零件的结构示意图；

图7为零件1的部分加工规则表；

图8为零件2的部分加工规则表。

具体实施方式

为更加清晰的表述本发明要解决的技术问题、技术方案和优点，下面结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对在当前数控编程过程中，往往需要对零件特征变化不大的同一类零件进行反复加工，如果不利用之前的加工经验，往往对同类零件进行反复编程，浪费时间、拉长整体加工进度，同时还可能需要具有一定加工经验的师傅进行指导，造成工时的延长及成本的上升等问题，提供一种基于实例及规则推理的数控自动编程方法，该方法通过分析同类零件的加工工艺，建立对应的加工工艺模板以及加工规则库，通过解析加工规则库中的信息的内容，在加工工艺模板中抓取相应的实例，从而实现零件的自动编程。

在其中一个实施例中，如图1所示，本发明提供一种基于实例及规则推理的数控自动编程方法，该方法包括以下步骤1~步骤8。

步骤1：搭建加工工艺模板库，即对同类零件的加工工艺进行详细分析，将每个零件加工所需的加工操作、加工参数以及加工刀具以实例的形式存储到各自的加工工艺模板中，并将全部加工工艺模板存储在一起形成加工工艺模板库。

本实施例中的同类零件是指零件特征变化不大、在形状和加工工艺上有很多相似之处的不同类型的零件，同类零件至少包括两种不同类型的零件。

加工工艺模板是包含了某种零件所有加工操作、加工参数以及加工刀具等信息，其中所有参数可以作为实例进行调用，通过对每种类型零件的分析，每种零件都有各自的工艺模板，当以后进行加工时，碰到和模板类型相似的零件时，不需要重复设置加工参数和重新设计加工工艺方案，直接调用对应的模板即可。

工艺模板内主要包含以下信息：

（1）加工工艺

保存该零件所有的加工操作，对于模板中的每条操作，都按统一的命名规则命名，以便在以后通过规则库调用模板时自动调用；

（2）刀具

在模板中将加工某种零件常用的刀具逐一输入并命名，相当于刀具库。在以后的加工中，判断零件类型后，可以直接从模板中选用刀具；

（3）加工参数

将加工余量、切削用量、进给率等切削参数和走刀方式，进刀、退刀方式等非切削参数保存在模板，下次进行加工时直接应用这些参数。

每个加工工艺模板用于存放某类加工零件的各种参数，每种零件都要有其指定的加工工艺模板来存放操作。

加工工艺模板的内部框架如图2所示，加工工艺模板内部主要由四个结构树构成，分别为程序树、刀具树、几何体树、方法树。以四个树为节点，每个操作都放在这四个树下面，并继承它的参数。

各个结构树的具体作用如下：

（1）程序树

所有加工所需要的操作都放在程序书树下，通过该树可直接对所有操作进行管理，如果有新的操作添加进加工工艺模板时，可直接在该界面操作；

（2）刀具树

刀具树用于存放及管理加工零件所需要的全部加工刀具及刀具参数。将所有加工所需要的刀具都存放至该结构树下，刀具根据参数设置好名称，需要时可直接进行调用；

（3）几何体树

在几何体树下，主要用来存放加工某类零件所需要用到的全部坐标系，当加工过程中需要同类零件，可将坐标系一键载入并可进行手动调整；

（4）方法树

在方法树下根据加工部位和粗精加工建立多个加工方法节点，把相应的操作放置在该节点下，并且每条操作可以根据设置继承父节点的参数。

步骤2：搭建加工规则库，即对每一个加工工艺模板中的加工操作制定加工规则，加工规则包括注释、模板操作、刀具、加工类型、颜色编号以及坐标系六种参数，并将加工规则存储到加工规则库中，且加工规则中的模板操作、刀具的名称分别与加工工艺模板中的加工操作、加工刀具的名称相同。

在本步骤中，对每一个加工工艺模板中的每一个加工操作制定加工规则，并将加工规则以数据库的形式进行存储，例如MySQL数据库、Excel表格以及txt文件等，从而建立加工规则库，并且加工规则库的内部信息要与加工工艺模板中的信息相对应。每种零件的每一个工步即操作都有其固定的加工规则，在加工规则库中，包括操作名称（即模板操作）以及操作对应的坐标系名称、刀具名称、加工区域颜色编号以及加工类型等，其中刀具名称以及操作名称等参数需要与加工工艺模板中的名称相对应，通过加工规则库即可直接调用加工工艺模板中的内容。

每一个加工规则库包含注释、模板操作、刀具、加工类型、颜色编号以及坐标系六种参数，其中：

注释代表操作人员对该对操作的自定义命名方式；

模板操作代表操作在加工工艺模板中的名称，可通过相同名称的方式对加工工艺模板内相同名称的操作直接进行调用；

刀具代表该加工操作所需刀具，刀具也存放于加工工艺模板之中，可通过名称进行直接调用；

加工类型分为A、B、C、D四种，分别代表不同的加工方式，其中：

A类型代表加工操作无需通过颜色抓取加工区域，直接进行开粗；

B类型代表加工操作需要通过对颜色的判断抓取加工区域；

C类型代表加工操作对线颜色进行抓取，进行走线操作；

D类型代表加工操作为打孔操作，需通过抓取颜色面并找到圆心为加工点进行加工。

颜色编号代表三维CAM软件中每种颜色对应的编号，通过颜色区分不同的加工区域，当操作生成时，会直接抓取对应的颜色区域作为该加工操作的加工区域。在使用颜色编号抓取加工区域时，当前方对应的加工类型为A类型时，说明该操作不需要抓取颜色作为加工区域，如开粗等操作，所以需要设置颜色编号为0，即当加工规则的加工类型为A时，该加工规则对应的颜色编号设置为零；当前方对应的加工类型不为A类型、为其他三种类型时，则需要设置不为0的颜色编号，其中颜色编号根据编程人员需要根据三维软件自定义设置即可。

坐标系为加工操作对应的加工坐标系，名称与加工工艺模板中坐标系的名称相对应，可在加工规则库内对加工坐标系进行直接更改。

步骤3：将加工工艺模板库和加工规则库集成到编程软件中，并在编程软件中导入待加工零件模型。其中，编程软件为CAM软件，例如Unigraphics NX软件等。

步骤4：利用边界盒技术识别待加工零件模型的零件类型。

边界盒是指能刚好包围待加工零件模型边界的长方体，通过边界盒可以对固定类型的零件进行区分。

进一步地，如图3所示，本步骤中利用边界盒技术识别待加工零件模型的零件类型具体包括以下步骤：

步骤41：通过NX二次开发函数遍历待加工零件模型后，得到待加工零件模型的边界盒；

步骤42：确定边界盒在编程软件的绝对坐标系下x、y、z三个轴正负方向上的极限坐标值；

步骤43：通过减法运算计算出待加工零件模型分别在x轴方向、y轴方向以及z轴方向的长度；

步骤44：比较x轴方向、y轴方向以及z轴方向上的长度大小，根据比较结果确定待加工零件模型的零件类型。

步骤5：根据步骤4识别得到的零件类型，从加工规则库中匹配对应的加工规则。

步骤6：根据匹配的加工规则从加工工艺模板库自动抓取对应的加工工艺模板的内部参数。

步骤6中根据匹配的加工规则自动抓取对应的加工工艺模板的内部参数时，首先通过颜色抓取待加工零件模型的加工区域，确定每一个加工区域调用的模板操作，然后根据加工规则库中的模板操作顺序，从上至下依次提取加工工艺模板的内部参数，其中通过颜色抓取加工区域的过程包括以下步骤，如图4所示：

将待加工零件模型的加工区域根据加工规则库中的加工操作对应的颜色编号赋予指定的颜色；

遍历待加工零件模型，得到该待加工零件模型的所有面并得到这些面的颜色属性以及颜色编号；

得到每个面的颜色编号后，在加工规则库中找到颜色编号列所有非零的颜色编号，如果面的颜色编号与加工规则库中某个模板操作对应的颜色编号一致，则确定该模板操作用于对指定颜色的加工区域进行加工。

步骤7：根据抓取的内部参数自动生成数控刀路。

步骤8：判断数控刀路是否符合加工要求，若是，则完成对待加工零件模型的自动编程；若不符合加工要求，则修改匹配的加工规则或者加工工艺模板中不符合要求的加工参数后重新再次生成数控刀路，直至所生成的数控刀路符合加工要求，其中加工要求是指所生成的数控刀路不出现撞刀、过切或者其他问题。

本实施例所提出的基于实例及规则推理的数控自动编程方法，首先通过对同类零件的加工方法进行分析，将每个零件加工所需的操作以及加工参数、加工刀具以实例的形式分别存储到各自的加工工艺模板中，并将加工工艺模板存储在一起形成加工工艺模板库，然后对加工工艺模板中每一个加工操作制定加工规则，并将加工规则存储到加工规则库中，再以边界盒技术为基础，导入待加工零件模型之后直接实现对待加工零件模型的零件类型的判断，再根据零件的类型，从零件的加工规则库中选取到零件对应的加工规则，最后根据加工规则，从加工工艺模板库中自动抓取加工该类零件所需的加工操作以及加工参数，自动生成编程所需要的操作，实现零件的自动编程，有效地提高了零件编程效率。

下面结合具体实例对本发明进行进一步解释说明。

在本实例中，以如图5所示的矩形体中空类待编程零件（记作零件1）和图6所示的某舱体类待编程零件（记作零件2）这两种不同类型的同类零件为例，针对这两种类型完全不同的零件进行数控自动编程，本发明可实现对与该两种零件特征变化不大的同类零件进行自动编程。

本实例首先以加工工艺模板的方式存储了零件1和零件2的各种加工实例参数，并以加工工艺模板为基础制定了加工规则，搭建加工规则库，然后通过确定零件类型，最终通过加工规则库调用加工工艺模板中实例，实现零件1和零件2的同类零件的自动编程。

在对本发明进行实例验证时，可以采用NXOpen C/C++开发工具，基于UG（Unigraphics NX）软件平台开发数控自动编程方法，对相关技术进行实例验证。

基于UG平台进行二次开发，首先建立自动编程系统Block UI对话框，再建立对应零件的加工工艺模板库以及加工规则库，手动导入零件模型后，在UG内部绝对坐标系下得到模型边界盒进行零件类型识别，再以零件类型为基础推理出该类型模型所需加工工艺模板以及加工规则，再基于加工规则在相应加工工艺模板中拿到相应的操作以及相应的加工参数，最后以加工规则库中名称为顺序，使用刀路生成引擎自动生成数控刀路，实现自动编程。

具体过程如下：

第一，制作两类零件的加工工艺模板，并以prt格式存储到后台，加工工艺模板中的加工参数的准确性直接关系到编程结果的准确度；

第二，通过加工工艺模板以及模型本身建立同类零件的加工规则库，并且以txt文件的格式存储到后台；

第三，将加工工艺模板库以及加工规则库中的内容以二次开发的方式集成到UG中自己创建的自动编程系统内，其中加工规则以树列表的方式显示，可以根据需要随时进行编辑，加工工艺模板以prt文件保存，也可在软件内部直接索引到工艺模板库目录下直接进行编辑与修改，零件1和零件2的部分加工规则分别如图7和图8所示；

第四，在UG中导入零件模型，并通过边界盒技术判断出零件模型所属类型；

具体地，若x轴方向上的长度大于z轴方向上的长度，则判断该零件的类型为零件1；若x轴方向上的长度小于z轴方向上的长度，则判断该零件的类型为零件2；

第五，根据模型类型推理出对应的加工规则以及加工工艺模板，最后通过加工规则调用加工工艺模板中的内容实现针对这两类零件的数控自动编程。

对与该两类零件特征变化不大的同类零件进行编程时，可直接借鉴以及调整原有加工规则以及加工工艺模板，实现自动编程，显著提高数控编程效率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。