基於特徵的複雜零件數控加工製造方法

2023-05-06 13:52:41

專利名稱：基於特徵的複雜零件數控加工製造方法
技術領域：
本發明涉及一種集成製造方法,尤其是一種以CAD (Computer Aided Design) /CAPP (Computer Aided Process Planning)/CAM (Computer Aided Manufacturing)/CNC(Computer Numerical Control) /CAI (Computer Aided Inspection)為基礎能自動生成複雜零件數控加工程序的製造方法，具體地說是一種基於飛機構件特徵的複雜零件數控加工製造方法。
背景技術：
高精度、高效率、高可靠性是製造技術不懈追求的目標。航空、航天、汽車、船舶、能源微電子等領域高、精、尖複雜產品的加工過程向現代製造工藝、裝備和系統的極限性能不斷提出新的挑戰，迫切需要能夠解決製造過程本質的方法。數位化製造將先進的製造技術與數位化技術相結合，在製造工藝、裝備和系統的描述、規劃、操作和控制方面發生了深刻的變革。數位化製造通過製造過程數位化仿真與優化，以及製造知識、信息的數位化表達、組織和存儲等，實現數位化建模與信息集成、製造過程和製造系統之間的協同、虛擬仿真等。但是目前為止，還沒有一種方法或者手段能夠實現上述數位化製造知識的集成與表達，以便實現整個製造過程的集成。特徵技術作為一種數位化製造的一種手段，在信息集成方面發揮了重要作用，在傳統的研究與商業軟體的應用中，特徵技術廣泛應用在CAD/CAM領域，但是在集成方面都處於研究階段，基本上都是處於CAD或者CAM的獨立應用。近年來特徵技術在STEP-NC方面有很多學者在研究，並且提出了一系列的國際標準，但是都處於探索階段，與目前的工業實際的裝備接口性差，難以推廣應用。檢索已經發表或公開的文獻資料，基本都是CAD/CAM集成或者CAM/CNC集成方面，或者是單個的應用領域研究。同時，在信息表達與方法方面不能應用於複雜零件且不能有效表達整個製造過程的信息。綜上所述，鑑於數位化製造在整個製造領域的重要作用及其挑戰，但是整個製造系統相對鬆散；而特徵技術作為一種數位化的實現手段，還沒有實現製造系統的集成
發明內容
:本發明的目的是針對現有的整個製造系統相對鬆散，難以實現數位化集成製造的問題，以特徵作為製造知識和經驗的載體，實現信息的有效集成，自動生成整個零件的數控加工程序的基於特徵的複雜零件數控加工製造方法。本發明的技術方案是:一種基於特徵的複雜零件數控加工製造方法，其特徵是首先讀入待加工零件的三維數字模型，其次，進行自動特徵識別，從讀入的三維數字模型中提取待加工零件的幾何信息與工藝信息，三維數字模型中不包含的信息通過與數模配套的相關工藝文件獲取，並將所提取的幾何與工藝信息進行特徵化標記，所有特徵都按照特徵類別與序號進行唯一標識，即特徵標識=特徵類別+序號，以此標識作為不同應用間特徵關聯的工具；若在製造過程中特徵被分解，則特徵標識=分解標識+特徵類別+序號+分解子序號，從而實現以特徵作為製造知識和經驗的載體，實現信息的有效集成；第三，為了在整個製造過程中保持特徵的有效性以及特徵衍變的連貫性，採用面向對象以及基於本體的方法表示特徵即定義特徵的本體以及各應用領域特徵的類，採用全息屬性面邊圖的方法進行特徵識別；最後，經過工藝優化自動生成複雜零件的數控加工程序，驅動數控加工設備完成整個加工過程。在進行自動特徵識別完成後再基於特徵構建加工工藝優化模型、基於特徵進行自動工藝決策、基於特徵進行自動數控編程、基於特徵進行後置處理、基於特徵進行加工過程控制、基於特徵進行在線檢測、基於特徵構建已加工零件的工時樣本庫和構建特徵幾何信息與工藝信息向工具機性能參數的映射模型；(I)所述的基於特徵構建加工工藝優化模型時應包含特徵的幾何信息、刀具的信息、工具機信息和工件的材料信息，優化模型的約束為切削力和振動，優化模型的優化目標為加工效率、加工質量和加工成本，優化的項目為切深、切寬和進給速度，建立基於特徵的切削參數庫；面向應用領域構建基於特徵的切削試驗試件三維模型，包含典型特徵及其典型組合，作為驗證加工工藝的標準樣件；(2)所述的基於特徵進行自動工藝決策是為自動工藝決策提供完整的信息支撐，基於特徵表達工藝規則及工藝方案，進而基於特徵進行自動工藝決策，基於特徵表達自動工藝決策的結果；(3)所述的基於特徵進行自動數控編程是指將自動工藝決策的結果也作為自動編程的依據，進而基於特徵自動生成加工刀軌，基於特徵表達自動編程的結果；(4)所述的基於特徵進行後置處理是以自動編程的結果為依據，考慮數控系統的動態特性，進行基於特徵的後置處理，基於特徵表達後置處理的結果，形成數控加工程序；(5)所述的基於特徵進行加工過程控制是為表達加工過程中出現的問題的處理策略，包括基於特徵進行加工過程的狀態監測，加工過程中進行智能自適應調整，基於特徵記錄加工過程中的數據，供工藝優化使用；(6)所述的基於特徵進行在線檢測是指基於特徵的幾何信息和工藝信息形成檢測點生成規範，基於特徵的幾何信息優化在線檢測時測頭姿態矢量以及檢測軌跡，基於特徵形成檢測分析結果，作為優化加工工藝的依據；(7)所述的基於特徵構建已加工零件的工時樣本庫中包含與工時相關的特徵的幾何信息以及零件工時，以特徵幾何信息與工藝信息作為輸入，構建神經網絡，在沒有零件數控程序的前提下預測待加工零件的工時，作為零件加工對外報價以及生產計劃安排的依據；在基於特徵的數控程序中加入特徵的幾何信息與工藝信息，結合數控工具機的動態特性以及切削過程中的切削力，精確預測每一個工序的數控加工工時，作為工具機調度的依據；(9)所述的構建特徵幾何信息與工藝信息向工具機性能參數的映射模型是基於特徵分析滿足加工零件所需工具機的性能參數，提供面向應用的工具機相關參數設計參考。所述的基於特徵進行自動工藝決策的步驟為:(I)基於特徵表達與工藝決策相關的幾何信息與工藝信息，其中幾何信息為:特徵的幾何尺寸、位置、 幾何結構、特徵所允許的最大刀具直徑，工藝信息為:材料、毛坯形式、力口工餘量和加工精度；
(2)基於特徵的工藝決策按照工具機決策、加工順序決策、加工方法決策及切削參數決策的順序進行，依據工藝規則和工藝方案形成自動工藝決策結果；(3)基於特徵表達工藝決策結果形式為:每道工序包含若干工步，每個工步下包含若干操作，每個操作與一個加工特徵相對應，特徵裡含有特徵的操作類型、加工策略及切削參數。所述的基於特徵的自動數控編程方法為:(I)基於特徵表達與自動編程相關的幾何信息與工藝信息，其中幾何信息為:特徵的幾何尺寸、生成刀軌所需的驅動幾何、刀軌起始點與終止點和刀軌避讓幾何，工藝信息包括:加工特徵的刀具信息、特徵的加工精度和刀軌策略；(2)通過特徵識別提取加工特徵，輸出包含幾何信息與工藝信息的特徵識別結果;(3)基於特徵識別結果的幾何信息以及工藝決策結果的工藝信息，自動生成每個加工特徵的刀軌；(4)以特徵為單位生成每個特徵的加工刀軌的刀位文件，根據不同的應用需求，標記相應的信息。所述的基於特徵的後置處理步驟包括:(I)在數控程序中基於特徵表達與後置處理相關的幾何信息與工藝信息，其中幾何信息指:特徵的幾何中的線的類型:直線、圓弧、圓錐曲線、自由曲線，以及面的類型:平面，直紋面，自由曲面，工藝信息中指加工對應特徵時的數控加工操作類型；(2)後置處理中所考慮的數 控系統的特性，包含了加速度特性、插補精度特性和刀柄補償控制參數類型；(3)基於特徵幾何與工藝信息，結合數控系統的動態特性，對刀位點進行擬合形成數控系統支持的多項式插補方法，並優化進給速度以適應複雜的數控加工工況。所述的基於特徵的加工過程控制的步驟包括:(I)基於特徵表達與加工過程控制相關的幾何信息與工藝信息，其中幾何信息為:轉角信息和驅動幾何信息，工藝信息為:加工刀具、切削參數、監測策略和檢測策略；(2)根據特徵的幾何信息與工藝信息以及處理策略，進行在線監測，並基於人工智慧方法實現監測結果的處理；(3)記錄加工過程中的數據指加工過程中實際的切削參數、工具機的運行功率、加工過程中出現的刀具磨損及顫振；以特徵為單元組織以上數據。所述的基於特徵的在線檢測包括以下步驟:(I)基於特徵表達與檢測相關的幾何信息與工藝信息，其中幾何信息為:檢測特徵的面類型、曲率變化、面積、法向和中間加工狀態的理論幾何模型；工藝信息為:加工精度；(2)基於特徵的幾何信息與工藝信息構建檢測特徵的檢測點的生成規則，基於特徵生成檢測特徵的檢測點，並考慮檢測特徵的中間狀態優化檢測軌跡，生成檢測文件；(3)安裝探頭進行在線檢測，記錄檢測結果及分析結果，並基於特徵進行組織，反饋給工藝部門，作為工藝優化的依據。所述的基於特徵的加工工藝優化模型考慮特徵的幾何信息與工藝信息，其中，幾何信息指:作為剛性重要考量的特徵的幾何尺寸、特徵構成幾何元素的厚度以及高度。
所述的基於特徵構建已加工零件的工時樣本庫時所依據的幾何信息包括轉角位置、轉角大小等；工藝信息包括切削餘量、切深、切寬主進給速度；工具機的動態特性包括工具機的加速度、加加速度和轉彎性能，基於幾何信息、工藝信息與工具機的動態特性，預測工具機運動過程中的實際進給速度，並結合切削力預測由於切削力的變化造成的進給速度的變化，進而精確預測進給速度，然後基於刀具軌跡算出加工工時。所述面向對象以及基於本體的特徵表示方法為:(I)首先定義特徵本體，特徵本體包含特徵的唯一標識、標識面以及可能成為標識面的種子標識面，定義種子標識面是由於在製造過程中特徵的衍變，特徵有可能會被分解；(2)基於特徵的本體衍生出各個應用領域的特徵類，類繼承了本體的屬性，類中包含幾何信息和工藝信息，針對不同應用領域的需求，定義不同的幾何信息和工藝信息，從而實現整個製造過程的信息集成及傳遞。本發明的有益效果:
(I)基於本體和面向對象的方法表達特徵不同階段不同應用視圖下的信息，使不同階段不同應用視圖的信息有效集成。(2)本發明有效地集成了製造知識和經驗，減少了製造過程對人的經驗的依賴性。(3)本發明能夠使製造過程的信息進行有效地數位化表達，加工過程的信息能夠有效集成，整個製造過程形成了閉環控制。(4)本發明有利於生產信息的管理，為企業開展知識工程提供了信息保障。(5)本發明有利於生產過程的自動化和智能性，提高了生產效率，降低生產成本。


圖1.基於特徵的製造方法流程圖。圖2.Ca)典型雙面飛機結構件正面；(b)典型雙面飛機結構件反面。圖3.槽特徵工藝決策所需信息文件截圖。圖4.槽特徵工藝決策結果信息文件截圖。圖5.槽特徵自動編程所需信息文件截圖。圖中，I表示槽、2表示筋、3表示孔、4表示輪廓。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。一種基於特徵的複雜零件數控加工製造方法，通過基於特徵來表達整個製造過程中零件的幾何與工藝信息，以特徵作為製造知識和經驗的載體，實現信息的有效集成，為了在整個製造過程中保持特徵的有效性以及特徵衍變的連貫性，採用面向對象以及基於本體的方法表示特徵:(I)定義特徵的本體以及各應用領域特徵的類；(2)基於全息屬性面邊圖的方法進行特徵識別，從三維數字模型中提取零件的幾何信息與工藝信息，三維數字模型中不包含的信息通過相關文件獲取，所有特徵都按照特徵類別與序號進行唯一標識，即特徵標識=特徵類別+序號，以此標識作為不同應用間特徵關聯的工具；若在製造過程中特徵被分解，則特徵標識=分解標識+特徵類別+序號+分解
子序號。本發明基於特徵表達整個製造過程中零件的幾何與工藝信息，為了適應不同應用領域且在整個製造過程中保持特徵的有效性以及特徵衍變的連貫性，採用面向對象以及基於本體的方法表示特徵，以此為基礎，基於特徵進行自動工藝決策、自動數控編程、後置處理、加工過程控制、在線檢測、工藝優化及工時預測，該方法通過以下步驟實現:(I)定義特徵的本體以及各應用領域特徵的類；(2)基於全息屬性面邊圖的方法進行特徵識別，從三維數字模型中提取零件的幾何信息與工藝信息，三維數字模型中不包含的信息通過相關文件獲取，所有特徵都按照特徵類別與序號進行唯一標識，即特徵標識=特徵類別+序號，以此標識作為不同應用間特徵關聯的工具；若在製造過程中特徵被分解，則特徵標識=分解標識+特徵類別+序號+分解子序號；(3)基於特徵構建加工工藝優化模型，優化模型的因素包含特徵的幾何信息、刀具的信息、工具機信息和工件的材料信息，優化模型的約束為切削力和振動，優化模型的優化目標為加工效率、加工質量和加工成本，優化的項目為切深、切寬和進給速度，建立基於特徵的切削參數庫；面向應用領域構建基於特徵的切削試驗試件三維模型，包含典型特徵及其典型組合，作為驗證加工工藝的標準樣件；(4)基於特徵表達與工藝決策相關的幾何信息與工藝信息，為自動工藝決策提供完整的信息支撐，基於特徵表達工藝規則及工藝方案，進而基於特徵進行自動工藝決策，基於特徵表達自動工藝決策的結果；(5)基於特徵表達與數控編程相關的幾何信息與工藝信息，同時將自動工藝決策的結果也作為自動編程的依據，進而基於特徵自動生成加工刀軌，基於特徵表達自動編程的結果；·(6)基於特徵表達與後置處理相關的幾何與工藝信息，以自動編程的結果為依據，考慮數控系統的動態特性，進行基於特徵的後置處理，基於特徵表達後置處理的結果，形成數控程序；(7)基於特徵表達加工過程控制相關的幾何信息與工藝信息，表達加工過程中各種問題的處理策略，基於特徵進行加工過程的狀態監測，加工過程中進行智能自適應調整，基於特徵記錄加工過程中的數據，供工藝優化使用；(8)基於特徵的幾何信息和工藝信息形成檢測點生成規範，基於特徵的幾何信息優化在線檢測的檢測點的測頭姿態矢量以及檢測軌跡，基於特徵形成檢測分析結果，作為優化加工工藝的依據；(9)基於特徵構建已加工零件的工時樣本庫，工時樣本庫中包含與工時相關的特徵的幾何信息以及零件工時，以特徵幾何信息與工藝信息作為輸入，構建神經網絡，在沒有零件數控程序的前提下預測待加工零件的工時，作為零件加工對外報價以及生產計劃安排的依據；( 10)在基於特徵的數控程序中加入特徵的幾何信息與工藝信息，結合數控工具機的動態特性以及切削過程中的切削力，精確預測每一個工序的數控加工工時，作為工具機調度的依據；
(11)構建特徵幾何信息與工藝信息向工具機性能參數的映射模型，基於特徵分析滿足加工零件所需工具機的性能參數，提供面向應用的工具機設計；所述面向對象以及基於本體的特徵表示方法為:(I)首先定義特徵本體，特徵本體包含特徵的唯一標識、標識面以及可能成為標識面的種子標識面，定義種子標識面是由於在製造過程中特徵的衍變，特徵有可能會被分解；(2)基於特徵的本體衍生出各個應用領域的特徵類，類繼承了本體的屬性，類中包含幾何信息和工藝信息，針對不同應用領域的需求，定義不同的幾何信息和工藝信息，從而實現整個製造過程的信息集成及傳遞。所述基於特徵的工藝決策步驟為:(I)基於特徵表達與工藝決策相關的幾何信息與工藝信息，其中幾何信息為:特徵的幾何尺寸、位置、幾何結構、特徵所允許的最大刀具直徑，工藝信息為:材料、毛坯形式、力口工餘量、加工精度等；(2)基於特徵的工藝決策按照工具機決策、加工順序決策、加工方法決策及切削參數決策的順序進行，依據工藝規則和工藝方案形成自動工藝決策結果；(3)基於特徵表達工藝決策結果形式為:每道工序包含若干工步，每個工步下包含若干操作，每個操作與一個加工特徵相對應，特徵裡含有特徵的操作類型、加工策略及切削參數。所述基於特徵的自動編程方法為:(I)基於特徵 表 達與自動編程相關的幾何信息與工藝信息，其中幾何信息為:特徵的幾何尺寸、生成刀軌所需的驅動幾何、刀軌起始點與終止點、刀軌避讓幾何等，工藝信息包括:加工特徵的刀具信息、特徵的加工精度、刀軌策略等；(2)通過特徵識別提取加工特徵，輸出包含幾何信息與工藝信息的特徵識別結果;(3)基於特徵識別結果的幾何信息以及工藝決策結果的工藝信息，自動生成每個加工特徵的刀軌；(4)以特徵為單位生成每個特徵的加工刀軌的刀位文件，根據不同的應用需求，標記相應的信息。所述基於特徵的後置處理步驟為:(I)在數控程序中基於特徵表達與後置處理相關的幾何信息與工藝信息，其中幾何信息指:特徵的幾何中的線的類型:直線、圓弧、圓錐曲線、自由曲線，以及面的類型:平面，直紋面，自由曲面，工藝信息中指加工對應特徵時的數控加工操作類型；(2)後置處理中所考慮的數控系統的特性，包含了加速度特性、插補精度特性、刀柄補償控制等參數類型；(3)基於特徵幾何與工藝信息，結合數控系統的動態特性，對刀位點進行擬合形成數控系統支持的多項式插補方法，並優化進給速度以適應複雜的數控加工工況。所述基於特徵的加工過程控制的步驟為:(I)基於特徵表達與加工過程控制相關的幾何信息與工藝信息，其中幾何信息為:轉角信息、驅動幾何信息等，工藝信息為:加工刀具、切削參數、監測策略、檢測策略等；
(2)根據特徵的幾何信息與工藝信息以及處理策略，進行在線監測，並基於人工智慧方法實現監測結果的處理；(3)記錄加工過程中的數據指加工過程中實際的切削參數、工具機的運行功率、加工過程中出現的各種問題如刀具磨損、顫振等；以特徵為單元組織以上數據。所述基於特徵的在線檢測包括以下步驟:(I)基於特徵表達與檢測相關的幾何信息與工藝信息，其中幾何信息為:檢測特徵的面類型、曲率變化、面積、法向、中間加工狀態的理論幾何模型等；工藝信息為:加工精度；(2)基於特徵的幾何信息與工藝信息構建檢測特徵的檢測點的生成規則，基於特徵生成檢測特徵的檢測點，並考慮檢測特徵的中間狀態優化檢測軌跡，生成檢測文件；(3)安裝探頭進行在線檢測，記錄檢測結果及分析結果，並基於特徵進行組織，反饋給工藝部門，作為工藝優化的依據。所述基於特徵 的加工工藝優化模型考慮特徵的幾何信息與工藝信息，其中，幾何信息指:特徵的幾何尺寸、特徵構成幾何元素的厚度以及高度，這些因素是剛性的重要考量。所述基於特徵的精確加工工時預測方法中，幾何信息指特徵的轉角位置、轉角大小；工藝信息指切削餘量、切深、切寬、進給速度；工具機的動態特性包括工具機的加速度、加加速度、轉彎性能，基於幾何信息、工藝信息與工具機的動態特性，預測工具機運動過程中的實際進給速度，並結合切削力預測由於切削力的的變化造成的進給速度的變化，進而精確預測進給速度，然後幾何刀具軌跡算出加工工時。詳述如下:如圖1-5所示。一種基於特徵的複雜零件數控加工製造方法及系統，其總體流程如圖1所示，以一個典型的雙面飛機結構件為例，說明基於特徵的製造方法的具體實施過程。如圖2所示，飛機結構件的特徵可分為槽1、筋2、孔3、輪廓4，槽特徵的標識為P0001，筋特徵的標識為R0001，孔特徵的標識為H0001，輪廓特徵的標識為R)001，字母後面的數字按照每一個特徵在所在特徵類別的序號確定。各特徵分解後的子特徵標識為:槽分解特徵的標識為ZP0001-001，筋分解特徵的標識為ZR0001-001，孔分解特徵的標識為ZH0001-001，輪廓分解特徵的標識為ZF0001-001 ;槽特徵的標識面為腹板面，種子標識面為側面，筋特徵的標識面為筋頂面，種子標識面為筋側面，孔特徵的標識面為孔壁面，種子標識面為孔上下頂面，對於輪廓特徵，標記最大的輪廓面為標識面，其餘面均作為種子標識面。下面主要以槽特徵為例說明整個過程，其餘特徵都類似。定義特徵的本體以及各應用領域特徵的類:首先定義特徵本體，特徵本體包含特徵的唯一標識、標識面以及可能成為標識面的種子標識面，定義種子標識面是由於在製造過程中特徵的衍變，特徵有可能會被分解；所有特徵都按照特徵類別與序號進行唯一標識，即特徵標識=特徵類別+序號，以此標識作為不同應用間特徵關聯的工具；若在製造過程中特徵被分解，則特徵標識=分解標識+特徵類別+序號+分解子序號；例如圖2中典型雙面飛機結構件的槽I的標識為P0001，該槽特徵的標識面為槽特徵的腹板面；
基於特徵的本體衍生出各個應用領域的特徵類，類繼承了本體的屬性，類中包含幾何信息和工藝信息，針對不同應用領域的需求，定義不同的幾何信息和工藝信息，從而實現整個製造過程的信息集成及傳遞。主要的幾種應用領域特徵定義如下:與工藝決策相關的槽特徵的幾何信息為:槽腹板的中心位置、槽的面積、深度、轉角半徑、所允許的最大刀具直徑、加工面的最大傾角；工藝信息為:材料、毛坯形式為精鍛件、粗加工餘量、加工精度；與自動編程相關的槽特徵的幾何信息為:槽特徵的深度，槽特徵加工操作的驅動面，比如側壁加工的一周側壁面，刀軌起始點與終止點，中間的凸臺避讓幾何等，工藝信息包括:槽特徵的加工刀具、精度、刀軌的進退刀策略、切削策略等；基於全息屬性面邊圖的方法進行特徵識別，從三維數字模型中提取零件的幾何信息與工藝信息，三維數字模型中不包含的信息通過相關文件獲取；特徵識別結果以XML(extensible Markup Language,可擴展的標記語言)文件形式進行保存,方便後續步驟的調用。以圖2典型飛機結構件槽特徵I為例，識別結果如圖5的XML文件所示，其中包括槽的序號，槽的軸向，槽的轉角半徑，底角半徑，槽特徵的所有層，各個層的頂點，層高，層的轉角和底角半徑，腹板面、側面、頂面和底角面在CAD模型中的唯一標識值等信息；基於特徵表達與工藝決策相關的幾何信息與工藝信息，為自動工藝決策提供完整的信息支撐。由於從零件模型中提取的加工特徵僅是特定幾何形狀與加工信息之間的靜態對應關聯，而各加工階段之間存在動態關聯。為避免僅採用靜態的加工特徵，影響工藝決策結果的準確性，對特徵加工過程的狀態進行構造，運用了基於特徵加工過程狀態的工藝決策方法，實現工藝方案的動態和整體優化。最後，基於特徵表達自動工藝決策的結果。a、特徵加工過程的 狀態構造方法以自動識別的特徵結果文件為基礎，由三個步驟組成:構造特徵加工工藝方案結構，提取狀態監測位置和計算特徵加工過程狀態。構造特徵加工工藝方案結構是指從典型的零件級工藝方案中提取出與該特徵相關的工藝規程結構及典型工藝參數。提取狀態監測位置信息是指按照特徵加工工藝方案結構，提取相應加工區域，並進行幾何分析，得到能夠反映在工藝方案下特徵切削狀態的關鍵切削位置點，作為IPS(Interim Process State,中間加工狀態)的加工狀態計算輸入。計算特徵加工過程狀態是在確定計算位置之後，結合工藝參數信息，對關鍵切削位置點的切削狀態進行計算，最終完成特徵加工過程狀態的構造。b、基於特徵加工過程狀態的工藝決策按照工具機決策、加工特徵排序決策、加工方法決策及切削參數決策的順序進行。在特徵加工過程狀態的基礎上，首先對信息結構進行了分層，歸納縱向約束、橫向兩種關係類型，從屬、對應、引用、順序、傳遞、制約共六種約束關係來描述加工過程狀態內部的複雜工藝關係。建立加工過程狀態工藝約束關係分析方法，將工藝方案的決策與優化轉化為六種關係的分析與處理。基於加工過程狀態的工藝決策方法能夠以實際的加工過程狀態為推理依據，並在追求局部優化的同時，兼顧了特徵加工的整體優化性。工藝決策中加工特徵排序決策分為工具機級排序、裝夾級排序和操作級排序。通過將加工知識及經驗以規則的形式融入排序過程中，很好地解決了包含自由形狀曲面的相交特徵引起的加工特徵排序難題。C、基於特徵表達工藝決策結果形式為:每道工序包含若干工步，每個工步下包含若干操作，每個操作與一個加工特徵相對應，特徵裡含有特徵的操作類型、加工策略及切削參數。以圖2所示典型飛機結構件正面精加工為例來說明工藝決策結果。精加工共包含四個工步:精銑筋頂、槽腹板、內型，精銑轉角，鑽孔，銑外輪廓。由於使用同一把刀具精銑筋頂、槽腹板和內型，所以將它們放在同一工步中，每一工步對應相應的加工特徵。特徵間的加工順序按照筋、槽腹板、槽內型、轉角、孔、輪廓的順序進行排列。同一特徵的排序按照空刀路徑最短原則進行排序。槽I在所有槽特徵中第四個加工。以槽I為例說明操作類型和切削參數決策結果，該操作類型為Pocketing，位於工步I中，第4個Pocketing操作，該槽的加工策略為由內向外加工，切深2mm，切寬10mm，高速圓角0.5mm,進給速度2500mm/min,主軸轉速9000r/min,切削層數為2層。基於特徵構建加工工藝優化模型，實現多切削參數組的優化。工藝優化模型包括特徵的幾何信息、刀具信息、工具機信息和工件的材料信息。在切削加工中，將切削速度、切削深度、進給速度定為切削用量 三要素。因此工藝優化主要是指求出最優的切削速度、切削深度和進給速度。除此之外，還包括刀具的選擇等。工藝優化的目標為加工效率、加工質量和加工成本。根據優化目標建立相應的目標函數，即最高生產效率目標函數、加工質量最高目標函數和最低加工成本目標函數。最高生產效率目標函數的主要影響因素有:工序切削時間、換刀時間、裝夾時間和其他輔助時間。其中影響工序切削時間的主要因素為:切削深度、切削寬度、切削速度、進給速度等；影響換刀時間的因素為一次換刀時間和換刀次數，刀具耐用度又影響了換刀次數。對這些因素建立相應的影響係數，通過將所有因素整合統一，建立最高生產效率目標函數；加工質量最高目標函數的影響因素有:零件材料性能、切削速度、進給速度等。同樣為影響因素建立影響係數，建立目標函數。最低加工成本目標函數的影響因素有:毛坯費用、在切削時間內所需費用、刀具成本、在裝夾時間內所需費用和在輔助時間內所需費用。為影響因素建立影響係數，最終建立最低成本目標函數。按照三個優化目標函數對切削參數和刀具進行優化。在優化過程中需要考慮的約束條件為:①安全約束，即切削力、切削扭矩等不能超過工具機、刀具、夾具和工件的允許範圍；②能力約束，即主軸轉速、進給速度、主軸加速度、進給加速度等不能超過工具機的性能指標；③質量約束，工藝優化後，工件必須滿足給定的加工精度和表面質量；④振動約束，加工過程中，刀具、工件、工具機不能出現明顯的振動。建立基於特徵的切削參數庫，存儲基於特徵工藝優化模型優化的切削參數，供自動工藝決策參考使用。最後，面向應用領域構建基於特徵的切削試驗試件三維模型，作為驗證加工工藝的標準樣件。其中三位模型包括典型特徵及其典型組合。基於特徵表達與數控編程相關的幾何信息與工藝信息，同時將自動工藝決策的結果也作為自動編程的依據，進而基於特徵自動生成加工刀軌，基於特徵表達自動編程的結果；基於特徵的自動數控編程算法主要包括驅動信息獲取、刀軌生成、加工仿真和後置處理。驅動信息包括驅動幾何信息、加工方式及參數信息、進給方式及參數信息三類。其中，加工方式及參數、進給方式及參數通過數字、字母等數據形式直接給出，而驅動幾何則隱含在加工特徵的幾何信息中，需經處理轉換為刀軌生成算法可直接使用的數據形式。不同特徵加工刀軌生成算法所需驅動幾何不同。在此以典型槽腹板加工為例，闡述加工特徵重構的過程。加工方式及參數主要包括:刀軌類型(Tool Path Style),切削方向(DirectionOf Cut)，加工精度(Machining Tolerance)，刀具(Tool)，刀具直徑D，刀具底齒半徑Re，刃長 Lc,刀具工作長度 L,切寬(Radial Distance Between Path),切深(Axial MaximumDepth Of Cut),圓角半徑(Corner Radius),圓角圓弧圓心角(Limit Angle),圓角切向延伸長度(Extra Segment overlap),過渡圓弧半徑(Transition Radius),過渡角(Transition Angle),過渡線長(Transition Length),圓角減速率(Reduction Rate),圓角角最小圓心角(Minimum Angle),圓角減速最大半徑(Maximum Radius),圓角減速預置距離(Distance Before Corner)，圓角減速撤銷距離(Distance After Corner)。進給方式及參數主要包括:進刀方式(Approach),螺旋直徑(Horizontal SafetyDistance),螺旋高度(Vertical Safety Distance),螺旋角(Ramping Angle),進刀速度(Approach Feed Speed),退刀方式(Retract),退刀圓弧圓心角(Angular Sector),退刀圓弧朝向(Orientation),退刀圓弧半徑(Radius),退刀速度(Retract Feed Speed),加工速度(Machining Feed Speed),主軸轉速(Spindle Speed)。採用基於環分析的方法生成驅動幾何。該方法解決了腹板精加工區域創建中曲線裁剪的分類情況多、裁剪後線段取捨判斷複雜且易出錯的問題；能夠對閉角、開閉角並存及共側面等類型的槽特徵腹板加工區域創建進行統一計算，算法通用性好，有效地提高了腹板精加工編程的效率。該方法具體步驟如下:①將槽特徵的廣義側面和廣義底面的外環邊界向腹板面投影；②通過投影得到包含直線、圓弧和樣條曲線的平面封閉輪廓；③用直線段逼近投影曲線段，對所有直線段求交分割；④為了環分析矢量旋轉的需要，將平面封閉輪廓離散成一系列直線段，並對其求交分割生成只包含直線段的平面封閉輪廓；⑤採用直線段旋轉法對只包含直線段的平面封閉輪廓進行分析，得到所有封閉的環；⑥從所有環中搜索處目標環；⑦根據目標環計算腹板精加工區域，得到驅動幾何。通過以上的驅動信息，利用成熟的刀軌算法生成數控程序。在數控程序中給不同的刀位點分段插入線的類型，即直線、圓弧、圓錐曲線、自由曲線，以及面的類型，即平面，直紋面，自由曲面等幾何信息，同時插入加工對應特徵時的數控加工操作類型等工藝信息；後置處理中所考慮的數控系統的特性，包含了加速度特性、插補精度特性、刀柄補償控制等參數類型；基於特徵幾何與工藝信息，結合數控系統的動態特性，對刀位點進行擬合形成數控系統支持的多項式插補方法，並優化進給速度以適應複雜的數控加工工況。基於特徵的後置處理包含以下步驟:步驟一、基於特徵表達與後置處理相關的幾何和工藝信息。在CAM軟體的刀軌生成過程中，得到並標識刀軌所在特徵的ID (IDentification)，依據刀軌所對應的驅動幾何信息，標識刀軌語句段屬於直線刀軌或者曲線刀軌，在刀軌語句段中添加原始加工操作類
型信息。步驟二、在後置處理中輸入離散刀軌點位，依據上述信息判定刀軌點位屬於刀軌段的幾何類型，對於屬於直線刀軌的離散刀軌點位直接輸出直線插補的NC (NumericalControl)程序，對於屬於圓弧刀軌的離散刀軌點位直接輸出圓弧插補的NC程序。步驟三、針對屬於曲線的刀軌點位(需至少採用五個點位進行擬合)通過代入圓錐曲線方程的常規表達方程Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+1=0進行擬合，式中x、y為參數，係數A、B、
C、D、E均為實數且A、B、C均不為零。步驟四、將擬合的曲線和原來的點位進行比較，算出擬合誤差，若擬合誤差超出規定值，則擬合的曲線段結束，可直接代入預先編制好的對應的標準曲線程序中產生相應的NC程序，然後重新輸入離散刀軌點位進行擬合，即重複第二步到第四步，直至整個曲線段均有對應的NC程序輸出為止。步驟二、點位文件中都是離散的刀軌點位，算法依次讀取點位，不斷生成NC程序。每讀取一個離散點位系 統都會進行判定，設當前輸入點位為Pi，系統會根據Pi所處的驅動幾何關鍵詞來判斷Pi點位所處刀軌是直線或者曲線。步驟三、經過判斷之後如果Pi處在直線或者圓弧刀軌，並且Pi之前的點位處在曲線(非圓弧)刀軌，則輸出Pi之前的曲線插補NC程序，然後輸出Pi所對應的直線或者圓弧插補NC程序，然後轉步驟二。NC程序中直線和圓弧插補的程序示例如下:步驟四、若點位屬於曲線刀軌的部分，需繼續輸入點位Pi，直到待擬合的點位多於5個，針對屬於曲線段的離散刀軌點位進行擬合，得到圓錐曲線的常規形式方程。圓錐曲線方程的常規表達方式為Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+1=0，x、y為參數且A、B、C、
D、E均為實數，且A、B、C均不為零。此形式下包含了橢圓，雙曲線和拋物線三種形式。利用此方程對點位進行最小二乘擬合，以得到方程中的各係數。步驟五、由於不同數控系統NC程序輸入的要求不同，需要對方程進行參數轉換。步驟六、對擬合曲線進行誤差判定。當擬合點位增多時，擬合曲線與點位間的誤差可能增大，這時需要以新的點位開始擬合曲線。誤差判定採用離散刀軌點位到所擬合曲線的最小距離表示。若擬合的誤差大於所設定的誤差，則輸出最後生成的誤差以內的擬合曲線相應的圓錐曲線插補NC程序，並返回步驟二。步驟七、若擬合的誤差小於所設定的誤差，則返回步驟二，重新添加新的點位。若新的點位屬於直線刀軌，轉入步驟三，判斷是否已輸出最後擬合的圓錐曲線NC程序，並輸出直線插補NC程序；若新的點位屬於曲線刀軌，則轉入步驟四，繼續擬合曲線。生成基於特徵表達的加工過程控制文件，包括幾何信息:轉角信息、驅動幾何信息等，以及工藝信息:加工刀具、切削參數、監測策略、檢測策略等；根據特徵的幾何信息與工藝信息以及處理策略，進行在線監測，並基於人工智慧方法實現監測結果的處理；記錄加工過程中的數據指加工過程中實際的切削參數、工具機的運行功率、加工過程中出現的各種問題如刀具磨損、顫振等；以特徵為單元組織以上數據。步驟一、基於特徵組織與加工過程相關的幾何工藝信息，形成加工過程控制信息。基於特徵組織幾何工藝信息包括特徵類型、使用的刀具、走刀策略、切寬、切深、主軸轉速、步驟二、根據加工過程控制信息對加工過程進行在線監測，並基於人工智慧方法實現監測結果的處理。步驟三、記錄加工過程中的數據，包括加工過程中實際的切削參數、工具機的運行功率、加工過程中出現的各種問題如刀具磨損、顫振等；最後過程監測見過需要以特徵為單元進行信息的組織，加工的實際進給速度、切深、切寬、運行功率等均進行曲線表示，以特徵為單元進行劃分。最後將組織好的加工過程數據進行反饋，以進行工藝優化。基於特徵表達與檢測相關的幾何信息與工藝信息，其中幾何信息為:檢測特徵的面類型、曲率變化、面積、法向、中間加工狀態的理論幾何模型等；工藝信息為:加工精度；基於特徵的幾何信息與工藝信息構建檢測特徵的檢測點的生成規則，基於特徵生成檢測特徵的檢測點，並考慮檢測特徵的中間狀態優化檢測軌跡，生成檢測文件；安裝探頭進行在線檢測，記錄檢測結果及分析結果，並基於特徵進行組織，反饋給工藝部門，作為工藝優化的依據。所述基於特徵表達的在線檢測方法，該方法包括以下步驟:步驟一、輸入總體信息，定義從零件三維模型中無法獲取的一些信息，包括零件的名稱以及屬性信息，以及每一類檢測特徵的默認公差信息等，以支持檢測特徵識別和檢測數據的生成,並以XML中性文件的形式輸出保存；步驟二、根據定義的檢測特徵，對零件進行特徵識別，所獲得的特徵信息以鍊表的形式存儲，而對於不同的特徵其數據結構不同，但其有共同的屬性信息，如公差、特徵編號、特徵方位等；步驟三、讀入檢測特徵信息，可以讀入特徵識別保存的特徵列表文件，也可以讀入已有的檢測數據列表文件，繼續上一次檢測點編輯結果繼續編輯；所讀入的特徵應包括完整特徵信息，為檢測數據的生成提供特徵信息；步驟四、根據輸入的特徵的幾何信息與工藝信息，在在線檢測檢測點創建規範框架下，判斷檢測特徵的類型，若是「軸」或平面規則形體，按照等間距檢測點數與分布的確定方法；若是曲面，則利用基於曲率變化矩陣的曲面檢測點自動創建方法，自動生成在線檢測檢測點；對有特殊的檢測要求的檢測特徵，需要人工對自動生成的檢測數據點進行幹預處理，以獲得滿意的檢測點數據；步驟五、基於檢測狀態，按檢測操作級、檢測特徵級、特徵自身級三級，進行以特徵為單位的在線檢測路徑規劃；步驟六、對上一步規劃的檢測路徑進行後置處理，將得到檢測特徵檢測數據，通過坐標變換使在設計坐標系下的檢測點數據坐標變換到檢測坐標系下，同時根據路徑信息和工具機配置信息生成檢測NC代碼和檢測工藝文件，傳輸至數控工具機進行在線檢測；步驟七、利用接觸式電觸式測頭測量檢測點的實際坐標，對所獲得實際坐標進行誤差補償，得到最終所需要的校正數據；

步驟八、將經過誤差補償的數據和在線檢測指導文件中的理論值進行比較，根據在線檢測指導文件中的要求進行分析、處理，得出完整的檢測結果和最終的質量評價結論，進而評估加工零件是否滿足要求以及調整策略，檢測結果也可作為工藝優化的依據。基於特徵的神經網絡工時預測方法中，幾何信息與工藝信息分別為:幾何信息指整體面積、零件高度、槽、筋、孔、輪廓特徵的數量；工藝信息指零件的材料、加工所需工具機。基於特徵的神經網絡工時預測方法包括以下步驟:步驟一、讀取圖2所示飛機結構件的自動特徵識別結果；步驟二、提煉典型加工特徵參數，典型加工特徵參數包括:a.關於筋特徵:對於水平筋頂，影響其加工時間的特徵參數為水平筋頂的加工驅動線的程度；對於斜筋頂，影響其加工時間的特徵參數為斜筋頂的加工驅動線長度和斜筋頂的傾斜角度；對於弧筋頂，影響其加工時間的特徵參數為弧筋頂的加工驅動線長度；圖2所示為典型筋頂特徵示意圖；b.關於槽特徵:對於槽腹板特徵，影響其加工時間的特徵參數是腹板的面積，其中若槽中含有凸臺也當作腹板面處理；對於槽內型，影響其加工時間的特徵參數是內型驅動線長度以及槽高度；對於槽轉角，影響其加工時間的特徵參數為轉角半徑、轉角角度、轉角深度； c.關於輪廓:影響其加工時間的特徵參數為零件輪廓的周長和輪廓的高度；d.關於圓孔:影響其加工時間的特徵參數為圓孔的半徑和圓孔的深度；e.關於非圓孔:影響其加工時間的特徵參數為非圓孔的周長和非圓孔的深度；以上特徵及其參數使用特徵識別實現並保存為特徵信息。步驟三、提煉影響工時的切削參數，當工件、刀具、工具機等加工資源都確定後，影響生產效率的主要因素為:切削速度、進給量、切削深度和切削寬度，對於不同的特徵影響的切削參數如下:對於筋頂特徵、槽內型特徵、孔特徵，影響其加工時間的切削參數為:轉速、進給速度、切深；對於槽腹板特徵、槽轉角特徵、輪廓特徵、非圓孔特徵，影響其加工時間的切削參數為:轉速、進給速度、切寬、切深；步驟四、進行切削仿真實驗，以特徵為研究對象，基於典型的零件加工工藝和提煉的切削參數，通過不斷的變換特徵的尺寸特徵，試驗過程中記錄不同尺寸的特徵的加工時間，形成基於特徵的加工時間庫。特徵參數的選取原則如下:a、筋頂:1)對於水平筋頂，它的加工驅動線長度範圍定為10 1500mm，從實驗結果中選取的水平筋頂樣本的加工驅動線長度處在上述範圍，企鵝選取的數據滿足正態分布的要求；2)對於斜筋頂，它的加工驅動線長度範圍定為10 200mm，傾角範圍定為10 80°，從實驗結果中選取斜筋頂樣本的加工驅動線長度和傾角範圍處在上述範圍，且選取的數據滿足正態分布的要求；3)對於弧筋頂，它的加工驅動線長度範圍定為10 IOOmm從實驗結果中選取的弧筋頂樣本的加工驅動線長度處在上述範圍，且選取的數據滿足正態分布的要求；每一類筋頂特徵取50組樣本數據；b、槽:1)對於槽腹板，它的面積範圍定位為0.001 0.lm2，選取的槽腹板樣本面積參數參照正態分布分布在該範圍；2)對於槽內型，槽內型驅動線長度範圍定為100 1200mm，槽內型深度定為3 100mm，選取的槽內型特徵的驅動線長度和深度按照正態分布分布在所述範圍，共取60組數據；3)對於槽轉角，轉角半徑數據定為6mm、10mm、12mm、16mm、20mm，夾角數據定為30°、45°、60°、75°、90°、120°，轉角深度範圍定為3 100mm，深度數據滿足正態分布要求，共取160組槽轉角樣本數據；C、輪廓:周長範圍為1000 6000mm，輪廓高度定為20 180mm，選取的輪廓的周長和輪廓高度數據按照正態分布分布在上述範圍，選取40組樣本數據；d、圓孔:孔徑範圍定為8 80mm,孔深範圍定為3 50mm,選取的孔的直徑數據定為:8mm、10mm、20mm、30mm、60mm、80mm,深度數據按正態分布在上述範圍,在不同的加工精度情況下各取50組數據；e、非圓孔:非圓孔的周長範圍定為10 1000mm,非圓孔深度定為3 50mm,選取的非圓孔的周長和深度數據按照正態分布分布在該範圍，選取50組樣本數據；步驟五、建立特徵與特徵加工時間對應關係，每一類特徵均建立一定數量的特徵實例。形成典型特徵樣本庫。步驟六、基於建立的典型特徵樣本庫，以特徵為對象建立與之對應的BP網絡。BP網絡的輸入節點是每一類特徵的幾何特徵參數、相關切削參數以及其他可能的影響因素，BP網絡的輸出即是每一類特徵的加工工時。通過特徵樣本庫的樣本訓練出每一類特徵的BP網絡並進行標記保存。為預測新的零件實例的加工時間，首先獲取該零件的特徵，以上述特徵幾何參數和切削參數作為相應已訓練好的BP神經網絡的輸入，進行預測，BP網絡的輸出即是特徵的加工時間，最後通過累加零件所有特徵的加工時間得到零件的總加工時間。基於特徵的精確加工工時預測方法中，幾何信息指特徵的轉角位置、轉角大小；工藝信息指切削餘量 、切深、切寬、進給速度；工具機的動態特性包括工具機的加速度、加加速度、轉彎性能，基於幾何信息、工藝信息與工具機的動態特性，預測工具機運動過程中的實際進給速度，並結合切削力預測由於切削力的的變化造成的進給速度的變化，進而精確預測進給速度，然後幾何刀具軌跡算出加工工時。基於特徵的精確加工工時預測方法包括以下步驟:步驟一、讀取對加工零件進行自動數控編程得到的數控程序；步驟二、組織NC程序以及工具機特性信息。NC程序中以特徵為單元組織數據，並為每個特徵編碼，每個特徵包含特徵編碼以及加工該特徵的NC數據。通過特徵編碼，可以訪問並調用NC程序信息。特徵編碼下對應該特徵的加工數據，加工數據維持現有的NC程序的數據格式。每個NC程序文件都有完成該程序所需的工具機。工具機特性信息是以知識庫的形式存儲，分為三個組成部分:工具機庫、數控系統庫和速度控制方式庫。工具機庫包括工具機名稱、工具機所使用的數控系統、工具機的性能參數如最大功率、最大速度、最大加速度等。步驟三、基於特徵進行幾何工藝信息的組織。幾何工藝信息是以工藝決策的結果組織數據的，即按照工序、工步和操作三級結構組織數據。工具機和刀具信息分別存儲在工序和工步下，這裡的工具機信息只包含工具機的簡單描述，包括工具機的名稱、類別等。刀具信息主要描述刀具的代號、材料、結構參數等。操作信息中包含了特徵編碼、進退刀速度、加工速度、特徵的位置、加工餘量、切深和切寬。特徵編碼是包含了特徵ID (Identification,標識)以及執行的操作ID，通過進退刀速度以及加工速度可以用來區分加工刀軌和進退刀刀軌，加工餘量、切深和切寬是確定切削狀態的依據。
步驟四、由於數控編程中切削速度局部值設置的複雜性，目前的數控編程只在關鍵位置如轉角處等設置了局部切削速度，其他位置則使用全局切削速度，由於實際加工中切深切寬的不均勻，現代工具機的智能調節模塊如Artis會在加工過程中優化切削速度。切削所需功率由切削力以及切削速度決定，SP:p=fv式中P為切削所需功率，f為切削力，V為切削速度。切削力跟切削速度、切深、切寬、切削材料、刀具材料和加工方式相關，其計算可指數切削力計算模型。在預測的過程中，切削速度為按照工具機的運動特性計算所得的速度，切深需要從特徵信息中提取，在實際切削過程中實際切寬跟特徵中設定值會有差別，需要根據零件的加工狀態計算。為了提高計算效率，切削功率的計算只在有可能出現問題的地方才計算，根據特徵加工的特點，由於筋特徵頂面和槽特徵腹板的加工是在粗加工之後，餘量較大，出現所需功率大的概率比較高，作為計算對象。求出切削過程的切削功率，用計算功率與工具機能夠提供的功率比較，如果計算的功率比工具機能夠提供的功率小，則可以按照NC程序設定的值運行，否則，需要調整，調整方法為:根據功率的計算公式，逐漸減小速度，直到滿足要求。步驟五、基於特徵進行精確工序級工時計算，數控工序的加工時間由各個工步的加工時間組成。特徵的刀軌包含快速定位刀軌、進退刀刀軌和切削刀軌，所以特徵的加工時間也由快速定位時間、進退刀時 間和切削時間組成。特徵的刀軌由快速定位刀軌、進退刀刀軌和切削刀軌組成，快速定位刀軌簡單，計算理論時間即可。進退刀變化較為複雜，若利用工具機特性的分析函數計算，效率較低，由於進退刀是特徵刀軌策略的一部分，屬於特徵承載的知識和經驗，每種特徵都有相應的進退刀策略，通過實驗分析，得出每種特徵進退刀的實際加工時間與理論時間的比例係數，即可得出進退刀部分的時間。本發明未涉及部分與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。
權利要求
1.一種基於特徵的複雜零件數控加工製造方法，其特徵是首先讀入待加工零件的三維數字模型，其次，進行自動特徵識別，從讀入的三維數字模型中提取待加工零件的幾何信息與工藝信息，三維數字模型中不包含的信息通過與數模配套的相關工藝文件獲取，並將所提取的幾何與工藝信息進行特徵化標記，所有特徵都按照特徵類別與序號進行唯一標識，即特徵標識=特徵類別+序號，以此標識作為不同應用間特徵關聯的工具；若在製造過程中特徵被分解，則特徵標識=分解標識+特徵類別+序號+分解子序號，從而實現以特徵作為製造知識和經驗的載體，實現信息的有效集成；第三，為了在整個製造過程中保持特徵的有效性以及特徵衍變的連貫性，採用面向對象以及基於本體的方法表示特徵即定義特徵的本體以及各應用領域特徵的類，採用全息屬性面邊圖的方法進行特徵識別；最後，經過工藝優化自動生成複雜零件的數控加工程序,驅動數控加工設備完成整個加工過程。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵是在進行自動特徵識別完成後再基於特徵構建加工工藝優化模型、基於特徵進行自動工藝決策、基於特徵進行自動數控編程、基於特徵進行後置處理、基於特徵進行加工過程控制、基於特徵進行在線檢測、基於特徵構建已加工零件的工時樣本庫和構建特徵幾何信息與工藝信息向工具機性能參數的映射模型； (1)所述的基於特徵構建加工工藝優化模型時應包含特徵的幾何信息、刀具的信息、工具機信息和工件的材料信息 ，優化模型的約束為切削力和振動，優化模型的優化目標為加工效率、加工質量和加工成本，優化的項目為切深、切寬和進給速度，建立基於特徵的切削參數庫；面向應用領域構建基於特徵的切削試驗試件三維模型，包含典型特徵及其典型組合，作為驗證加工工藝的標準樣件； (2)所述的基於特徵進行自動工藝決策是為自動工藝決策提供完整的信息支撐，基於特徵表達工藝規則及工藝方案，進而基於特徵進行自動工藝決策，基於特徵表達自動工藝決策的結果； (3)所述的基於特徵進行自動數控編程是指將自動工藝決策的結果也作為自動編程的依據，進而基於特徵自動生成加工刀軌，基於特徵表達自動編程的結果； (4)所述的基於特徵進行後置處理是以自動編程的結果為依據，考慮數控系統的動態特性，進行基於特徵的後置處理，基於特徵表達後置處理的結果，形成數控加工程序； (5)所述的基於特徵進行加工過程控制是為表達加工過程中出現的問題的處理策略，包括基於特徵進行加工過程的狀態監測，加工過程中進行智能自適應調整，基於特徵記錄加工過程中的數據，供工藝優化使用； (6)所述的基於特徵進行在線檢測是指基於特徵的幾何信息和工藝信息形成檢測點生成規範，基於特徵的幾何信息優化在線檢測時測頭姿態矢量以及檢測軌跡，基於特徵形成檢測分析結果，作為優化加工工藝的依據； (7)所述的基於特徵構建已加工零件的工時樣本庫中包含與工時相關的特徵的幾何信息以及零件工時，以特徵幾何信息與工藝信息作為輸入，構建神經網絡，在沒有零件數控程序的前提下預測待加工零件的工時，作為零件加工對外報價以及生產計劃安排的依據；在基於特徵的數控程序中加入特徵的幾何信息與工藝信息，結合數控工具機的動態特性以及切削過程中的切削力，精確預測每一個工序的數控加工工時，作為工具機調度的依據； (9)所述的構建特徵幾何信息與工藝信息向工具機性能參數的映射模型是基於特徵分析滿足加工零件所需工具機的性能參數，提供面向應用的工具機相關參數設計參考。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵是所述的基於特徵進行自動工藝決策的步驟為: (1)基於特徵表達與工藝決策相關的幾何信息與工藝信息，其中幾何信息為:特徵的幾何尺寸、位置、幾何結構、特徵所允許的最大刀具直徑，工藝信息為:材料、毛坯形式、加工餘量和加工精度； (2)基於特徵的工藝決策按照工具機決策、加工順序決策、加工方法決策及切削參數決策的順序進行，依據工藝規則和工藝方案形成自動工藝決策結果； (3)基於特徵表達工藝決策結果形式為:每道工序包含若干工步，每個工步下包含若干操作，每個操作與一個加工特徵相對應，特徵裡含有特徵的操作類型、加工策略及切削參數。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵是所述的基於特徵的自動數控編程方法為: (1)基於特徵表達與自動編程相關的幾何信息與工藝信息，其中幾何信息為:特徵的幾何尺寸、生成刀軌所需的驅動幾何、刀軌起始點與終止點和刀軌避讓幾何，工藝信息包括:加工特徵的刀具信息、特徵的加工精度和刀軌策略； (2)通過特徵識別提取加工特徵，輸出包含幾何信息與工藝信息的特徵識別結果； (3)基於特徵識別結果的幾何信息以及工藝決策結果的工藝信息，自動生成每個加工特徵的刀軌； (4)以特徵為單位生成每個特徵的加工刀軌的刀位文件，根據不同的應用需求，標記相應的信息。
5.根據權利要求2所述的方法，其特徵是所述的基於特徵的後置處理步驟包括: (1)在數控程序中基於特徵表達與後置處理相關的幾何信息與工藝信息，其中幾何信息指:特徵的幾何中的線的類型:直線、圓弧、圓錐曲線、自由曲線，以及面的類型:平面，直紋面，自由曲面,工藝信息中指加工對應特徵時的數控加工操作類型； (2)後置處理中所考慮的數控系統的特性，包含了加速度特性、插補精度特性和刀柄補償控制參數類型； (3)基於特徵幾何與工藝信息，結合數控系統的動態特性，對刀位點進行擬合形成數控系統支持的多項式插補方法，並優化進給速度以適應複雜的數控加工工況。
6.根據權利要求2所述的方法，其特徵是所述的基於特徵的加工過程控制的步驟包括: (1)基於特徵表達與加工過程控制相關的幾何信息與工藝信息，其中幾何信息為:轉角信息和驅動幾何信息，工藝信息為:加工刀具、切削參數、監測策略和檢測策略； (2)根據特徵的幾何信息與工藝信息以及處理策略，進行在線監測，並基於人工智慧方法實現監測結果的處理； (3)記錄加工過程中的數據指加工過程中實際的切削參數、工具機的運行功率、加工過程中出現的刀具磨損及顫振；以特徵為單元組織以上數據。
7.根據權利要求2所述的方法，其特徵是所述的基於特徵的在線檢測包括以下步驟: (1)基於特徵表達與檢測相關的幾何信息與工藝信息，其中幾何信息為:檢測特徵的面類型、曲率變化、面積、法向和中間加工狀態的理論幾何模型；工藝信息為:加工精度； (2)基於特徵的幾何信息與工藝信息構建檢測特徵的檢測點的生成規則，基於特徵生成檢測特徵的檢測點，並考慮檢測特徵的中間狀態優化檢測軌跡，生成檢測文件； (3)安裝探頭進行在線檢測，記錄檢測結果及分析結果，並基於特徵進行組織，反饋給工藝部門，作為工藝優化的依據。
8.根據權利要求2所述的方法，其特徵是所述的基於特徵的加工工藝優化模型考慮特徵的幾何信息與工藝信息，其中，幾何信息指:作為剛性重要考量的特徵的幾何尺寸、特徵構成幾何元素的厚度以及高度。
9.根據權利要求2所述的方法，其特徵是所述的基於特徵構建已加工零件的工時樣本庫時所依據的幾何信息包括轉角位置、轉角大小等；工藝信息包括切削餘量、切深、切寬主進給速度；工具機的動態特性包括工具機的加速度、加加速度和轉彎性能，基於幾何信息、工藝信息與工具機的動態特性，預測工具機運動過程中的實際進給速度，並結合切削力預測由於切削力的變化造成的進給速度的變化，進而精確預測進給速度，然後基於刀具軌跡算出加工工時。
10.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述面向對象以及基於本體的特徵表示方法為: (1)首先定義特徵本體，特徵本體包含特徵的唯一標識、標識面以及可能成為標識面的種子標識面，定義種子標識面是由於在製造過程中特徵的衍變，特徵有可能會被分解； (2)基於特徵的本體衍生出各個應用領域的特徵類，類繼承了本體的屬性，類中包含幾何信息和工藝信息，針對不同應用領域的需求，定義不同的幾何信息和工藝信息，從而實現整個製造過程的信息集成及傳遞。
全文摘要
一種基於特徵的複雜零件數控加工製造方法，它基於本體與面向對象的方法表達特徵，進而基於特徵表達整個製造過程中零件的幾何與工藝信息，以特徵作為製造知識和經驗的載體，實現從設計-加工-檢測等製造階段信息的有效集成以及閉環控制，以自動特徵識別為基礎，基於特徵進行自動工藝決策、自動數控編程、後置處理、加工過程控制、在線檢測、工藝優化及工時預測。基於特徵的製造方法實現了加工過程中信息鏈的有效貫通，使製造過程能夠自動化及智能化，減少了製造過程對人的經驗的依賴性，同時便於製造過程的生產管理，提高了製造效率，降低了生產成本。
文檔編號G05B19/4097GK103235556SQ20131010313
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月27日 優先權日2013年3月27日
發明者李迎光, 劉長青, 王偉, 劉旭, 李海, 郝小忠, 李強, 高鑫 申請人:南京航空航天大學