圖形化交互式數控車削自動編程方法及系統的製作方法

2023-05-07 15:27:06 1

專利名稱：圖形化交互式數控車削自動編程方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及數控車削控制系統領域，尤其涉及有靈活制訂數控加工工藝和切 削軌跡能力的圖形化交互式數控車削自動編程方法及系統。
背景技術：
數控車削自動編程構建於兩條成熟的技術路徑之上，即自動編程工具APT 與計算機輔助設計和製造即CAD/CAM技術。目前基於APT基礎上開發的面向加工，具有一定適用範圍的小型編程系統 包括如美國的用於輪廓控制的ADATP和用於點位控制的AUTOSPOT系統。德 國的分別面向點位加工、車削加工和銑削加工研製出EXAPT(Extended Automatically Programmed Tools)-l 、 EXAPT-2和EXAPT-3系列小型自動編程系 統，以及日本的FAPT語言系統以及我國研製的ZCK和SKG等編程系統。由 APT衍生出的各種小型專用數控語言編程系統，被用於數控車削或銑削編程時 有以下三類缺點(l)編程人員需要學習和掌握數控語言，(2)需要將被加工零件 信息轉換成文字或數字信息，不僅不直觀，而且在轉換過程中出錯率高，(3)數 控語言編程目前還是採用批處理形式，即用數控語言編寫的零件源程序，輸入計 算機後只進行一次處理，且在處理過程中無法進行人工幹預，從而無法對指令代 碼的運行結果進行修改。計算機輔助編程是CAD/CAM領域的重要技術分支，也是設計和實現數控車 削自動編程的另一技術路徑。80年代由德國開發的01(^ 自動編程系統屬於早期 典型的圖形化交互式自動編程系統，具備初步的圖像編輯和代碼生成功能；90 年代瑞士 Cimalog公司研製的Multi CAD/CAM⑧軟體系統則具備了進行三維產品 設計功能，根據設計出的實體造型，可以生成刀具路徑，配合工藝參數即可生成 數控指令，然後直接或通過穿孔帶將加工程序輸入數控工具機。目前採用圖形化交 互式自動編程概念進行開發、具備數控編程功能的CAD/CAM —體化軟體主要 有美國CNC Software公司研製的MASTER CAM⑧軟體，以及由EDS公司開發 的UG⑧系統。這些軟體都集成了數控加工功能模塊，能進行線框造型設計及基於非均勻有理B樣條曲面造型設計、自動尺寸標註、NC代碼校核與修正，以及 過切幹涉檢測，通過建立統一的加工工藝信息管理模型及生成工具機控制系統代碼 的通用後置處理，藉助數控編程技術實現了無紙化高效自動加工。我國在70年代末參照APT的結構開發出相應的數控語言系統。比如南京 航天航空大學研製的SKG語言系統，太原重型機器廠研製的8八 1@系統等，都 屬於APT衍生物。近年來，在個人微機(PC)及工業計算機(IPC)上開發的、基於 APT的各種專用編程系統也已初具規模，並正在發展成為一個大型、集成化計 算機軟體CADEMAS(Computer Aided Development, Engineering Manufacturing and Support),其中一個重要部分是計算機自動數控編程系統(NCG APTX, APTX-GI)。另一方面，隨著CAD/CAM技術的不斷推進，我國也在引進國外先 進CAD/CAM技術的基礎上，對如何實現數控加工程序的自動化編程及仿真進 行了初步研究和探討，其中包括圖形化數控車床輔助/半自動編程系統開發，但 無論是國外或者國內開發的數控編程系統，對於諸如跨平臺特性、CAD圖形數 據優化、數控加工工藝及刀具軌跡自動規劃、以及基於虛擬實境的三維加工過程 仿真的研究仍停留在理論分析與方法論層面。針對國產高檔數控系統這一快速發展的產業集群，在車削編程中的圖形化交互式、計算機輔助或自動工藝課題解算 及工藝規程制訂等配套技術領域未見具體技術和軟體系統的實現。發明內容鑑於本發明基於上述環境；因此本發明主要目標是提供可以靈活、系統的制 訂數控加工工藝或由系統根據零件製造特徵自動生成加工工藝；或由系統自動 生成加工工藝後向工藝人員輸出工藝鍊表，由工藝人員結合自身工藝經驗進行修 改；或完全由工藝人員指定加工工藝；最終由系統根據形成的工藝鍊表計算刀具 路徑，並生成數控指令代碼，實現簡單零件或複雜零件的高效率編程，能夠提高 編程效率及NC代碼質量、促進快速產品過程實現(RPPR)和集成化產品開發 (IPPD)過程。本發明的技術方案是圖形化交互式數控車削自動控制方法，其特徵是包括 下列步驟…-讀入毛坯和零件圖，去除冗餘信息，並判斷圖形是否準確；——使圖形具有實時交互功能，能夠修正零件加工表面的信息，包括加工表面類型，準確的幾何信息，表面粗糙度；-…一根據用戶選擇確定是進行自動編程、輔助編程還是混合編程；--…如果用戶選擇自動編程，則系統進入自動工序規劃、軌跡生成及編程程 序，進入自動工序規劃、軌跡生成及編程程序後，首先分別設置好工件坐標系、 退刀面和安全距離；由用戶選擇進行粗，精還是完整加工，如果選擇進行粗加工， 則通過用戶接口分別設置一組組合加工刀具，通用餘量，通用切深，通用進給量 和切削速度；如果是只進行精加工，則通過用戶接口分別設置精加工組合刀具， 切深，進給量和切削速度；若用戶選擇包含粗、精的完整加工，那麼需要分別設 置粗精加工信息；當這些信息都設置完成以後，進入進行軌跡規劃程序；…-當進入輔助/半自動工序規劃、軌跡生成及編程程序，通過用戶接口設置 工件坐標系，退刀面和安全距離；用戶設定所需工步，在設定每一個工步時，需 要選取當前工步對應的加工表面，刀具，進退刀方式設置，主軸轉向；對加工表 面同時或分別設置加工餘量，切削深度，進給量，切削速度，在所有工步設定完 畢後，進入進行軌跡規劃程序；—-當進入混合編程程序後，首先進入自動工序規劃、軌跡生成及編程程序， 在完成自動工序規劃、軌跡生成及編程程序後，系統輸出工序列表至輔助/半自 動工序規劃、軌跡生成及編程程序，系統可根據工藝人員的修改結果直接由生成 刀具路徑程序實施軌跡規劃，軌跡規劃成功後，顯示規劃的軌跡；根據規劃出來 的軌跡生成符合工具機配置要求的NC代碼，對代碼進行編輯，對NC代碼進行加 工仿真。所述自動工序規劃、軌跡生成及編程程序具體包括下列步驟通過加載CAD 數據，識別、抽取、記錄和分析零件製造特徵，在獲取完整零件加工輪廓後，根 據用戶選擇的加工方式即粗車、精車或粗精車，分別生成對應加工工序；(O粗 車加工工序的步驟是，首先確定零件外表面粗車輪廓，然後分別確定粗車輪廓中 端面切削範圍、最外層外圓切削輪廓、以及凹陷輪廓；在加工順序上，首先車端 面，既而對外圓切削輪廓進行刀具幹涉檢査，確定可實施粗車的單調遞增外圓輪 廓，然後對可實施粗車的單調遞增外圓輪廓實施粗車，然後車凹陷部分，再對凹 陷輪廓中的未加工完部分實施區域及清根補粗車，然後粗車外輪廓槽及螺紋、鑽 孔、鏜孔，最後加工內輪廓中的槽和螺紋；(2)精車加工工序的工作步驟是，首 先得到外表面精車輪廓，進行刀具幹涉檢查後，按序進行外輪廓精車、內輪廓精 車、精車槽、精車螺紋；(3)完整加工工序的工作步驟是，確定零件外表面粗車 輪廓，然後分別確定粗車輪廓中的端面切削範圍、最外層外圓切削輪廓、以及凹 陷輪廓；在加工順序上，首先車端面，既而對外圓切削輪廓進行刀具幹涉檢査， 確定可實施粗車的單調遞增外圓輪廓，然後對可實施粗車的單調遞增外圓輪廓實 施粗車，先車凹陷部分，再對凹陷輪廓未加工完的部分實施區域及清根補粗車，並精車外輪廓，然後實施清根精車；再按序進行粗車外輪廓槽、精車外輪廓槽、 粗車螺紋、精車螺紋、鑽孔、鏜孔、車內輪廓槽、車內輪廓螺紋；在獲取輪廓， 按照某種順序，生成對應工序時，將生成的各工序以鍊表形式存儲在系統內存中； 該工藝鍊表中的各個可輸出鍊表項記錄了對應被加工表面、實施加工類型、工藝 裝備，以及包括加工方法、加工餘量、切削行距、主軸轉速及轉向等在內的主要 工藝信息。所述輔助/半自動工序規劃、軌跡生成及編程程序具體包括下列歩驟首先 獲取用戶指定加工輪廓的起點，即首個加工面的右端點，並補全該起點前的加工 輪廓，然後將該部分加工輪廓，包括首個加工面，存儲在鍊表當中；如果用戶所 指定加工輪廓，包括首個加工面、最後一個加工面和這兩者之間的其它加工面均 為連續表面，則直接存儲加工面信息；若存在下列三種情況中的任意一種即(1) 首個加工面與下一個加工面不連續；(2)最後一個加工面與前一個加工面不連續； (3)首個加工面與最後一個加工面之間(不包括首個加工面、最後一個加工面) 存在非連續加工面，則算法首先獲取前後加工面之間的零件輪廓特徵，然後根據 "局部最高點"一次性生成新的、完整的加工輪廓，最後將新的補全後的加工輪 廓及其加工面信息存儲在鍊表中，新的連續加工輪廓生成後系統將針對新輪廓實 施冗餘點、局部重複線去除並得到一個不但是連續的、與毛坯之間呈閉合關係且 系統能夠進行識別、處理，並以此為基礎實施自動軌跡規劃的完整加工輪廓。所述自動-輔助相結合的混合編程程序具體包括下列步驟主要判別零件當 前內、外輪廓是否與系統初始化後輸入的最終零件的輪廓一致，如果不一致，則 自動獲取未加工區域輪廓，並生成該區域補加工或清根補加工工序，確定零件加 工完全後，系統將結合用戶輸入刀具和切削參數以及系統決策結果，形成完整的 工序鍊表，並將其導入輔助編輯程序。圖形化交互式數控車削自動編程系統，其特徵是包括CAD數據讀入模塊， 它為用戶提供工程圖文數據接口 ，所述CAD數據讀入模塊包括負責加載和解析 CAD數據的CAD數據解析模塊，用戶可以通過信息錄入和圖形修正模塊錄入零 件尺寸、表面粗糙度、修改零件幾何信息，CAD數據被負責CAD數據可視化的 用戶顯示模塊接受；所述CAD數據讀入模塊分別與自動編程模塊、輔助編程模 塊和混合編程模塊相連，所述自動編程模塊包括加工參數訂製模塊和切削參數訂 制模塊，加工參數訂製模塊為用戶提供制訂數控加工工藝方案的用戶接口和多種 制訂模式，用戶可使用該模塊定義包括工件坐標系、進退刀面等參數在內的加工 參數，切削參數訂製模塊為粗、精車加工工藝定義包括切削用量在內的切削參數; 所述輔助編程模塊包括工步方案排定模塊和工步方案編輯模塊，所述工步方案排定模塊為用戶編排數控加工工藝提供用戶接口，工步方案編輯模塊提供用戶用於 修改上述加工工藝的用戶接口；所述混合編程模塊包括加工參數訂製模塊、切削 參數訂製模塊和工步方案編輯模塊，用戶藉助加工參數訂製模塊設置加工參數， 根據切削參數訂製模塊提供的接口，為粗、精車工序定義切削參數，系統自動輸 出按加工順序排列的各工步即完整工步列表，工步方案編輯模塊提供用於修改上 述工步列表的用戶接口；自動編程模塊、輔助編程模塊和混合編程模塊分別與自 動軌跡模塊相連，自動軌跡規劃模塊為技術實現的核心功能模塊，根據擬訂工藝 方案生成帶進退刀軌跡的優化刀具進給路線，所述自動軌跡規劃模塊包括軌跡解 算和優化模塊、軌跡顯示模塊，所述軌跡解算和優化模塊根據零件製造特徵或用 戶排定的工步方案自動實施軌跡規劃，軌跡規劃的結果由軌跡顯示模塊輸出至圖 象顯示區域；自動軌跡規劃模塊與NC代碼生成模塊相連，NC代碼生成模塊包 括G、 M代碼生成模塊和後置處理模塊，所述G、 M代碼生成模塊根據軌跡規 劃的結果即輸出的軌跡鍊表，結合用戶指定的切削參數自動生成符合IS06983 的G、 M代碼，生成的代碼送入後置處理模塊將其轉換為工具機控制器可以識別、 符合指定工具機配置的代碼；NC代碼生成模塊與車削過程仿真模塊相連，車削過 程仿真模塊包括環境構建模塊和虛擬仿真模塊，車削仿真模塊對生成的NC代碼進行仿真校驗，環境構建模塊渲染環境搭建，虛擬仿真模塊提供用戶以2D或3D 模式對加工過程進行可視化的接口 。本發明的效果是本發明的第一部分是跨平臺圖形化交互式數控車削自動編 程系統的所使用的開發技術。它支持並可以將圖形化交互式數控車削自動編程系 統集成到在不同平臺上運行的數控系統中去，也可以使其作為獨立運行的離線數 控編程系統。基於QT, OpenGL， ANSI 0++開發的主程序及動態連結庫可以在 Window 98/2000/NT/XP， Linux， RT Linux上運行。本發明的第二部分是圖形化、交互式快速數控加工工藝規劃的支持方法。它 用於支持包含多種模式的數控加工工藝制訂，並給用戶提供數據接口，通過在屏 幕上顯示CAD圖紙，採用熱區響應支持用戶選擇加工面和加工順序，採用表格 方式記載並支持用戶對工藝鍊表進行修改，形成一整套創新的數控加工工藝制訂流程。本方法包括的步驟由用戶選擇模式，該模式決定了數控加工工藝制訂及 編程的方式；系統根據用戶提供的模式選擇信息，提供給用戶相應的圖形用戶接 口、參數設置選項和輸入界面，再由用戶根據系統提示、以及提供的接口實施數 控加工工藝規劃。本發明的第三部分是根據所述本發明第二部分的配套軌跡規劃方法。該方法 包括對零件幾何位置信息的處理，粗加工輪廓計算，最外層切削輪廓的計算以及系統軌跡規劃方法等。零件幾何位置信息的處理可進行有用CAD數據識別，包 括能夠識別帶有完整信息的迴轉體類圖形，完整信息指在零件圖上包括中心線， 標註，基準面，公差，粗糙度，輪廓，剖面線等。能夠去除幹擾，識別完整圖形 中的輪廓，並且進一步識別實際標註和粗糙度，最終研究提取出各個面對應的尺 寸和粗糙度；目前，零件幾何位置信息的處理採用"逆時針最小夾角法"識別零 件的外輪廓，在使用該方法前，零件幾何位置信息的處理還包括對讀入零件數據 的預處理，即清除輪廓外的其它信息，並識別各個圖元是否屬於零件輪廓圖的一 部分，剔除粗糙度和其它幹擾線；此外，零件幾何位置信息的處理還包括對提取 出的零件輪廓所包含的各圖元的排序。粗加工輪廓計算所採用的主要方法是在加 工面上留出一定餘量，在具體求解粗加工輪廓時，通過每兩個零件輪廓實體求出 其交點，把這些交點按照一定規則連接起來形成連續加工輪廓。粗加工輪廓計算 得到的是整個零件的最終粗加工軌跡，它通常是經過多個粗加工工序得到的最終 軌跡。對於最常見的加工形式，往往先進行大餘量外圓切削。所以，在粗加工外 輪廓的基礎上，還需要由最外層切削輪廓的計算方法求出最外層切削輪廓，該方 法針對大餘量切削中無法加工的零件外緣凹陷部分進行識別並跳過凹陷部分，對 於跳過的凹陷部分，系統將記錄下來以待後續自動實施區域補加工。軌跡規劃方 法適用於粗、精加工，該方法主要解算各切削位置和上述切削輪廓的交點，系統 確定哪個實體和切削位置有交點後，求出所需各對交點，各對交點的連線即為切 削軌跡。下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。


圖1是本發明工作流程圖，表示本發明的圖形化交互式數控車削自動編程方 法的設計工作流程；圖2是圖1中所示自動工序規劃、軌跡生成及編程方法的算法說明；圖3是圖1中所示輔助/半自動工序規劃、軌跡生成及編程方法的算法說明；圖4是圖1中所示自動-輔助相結合的混合編程方法的算法說明；圖5是本發明結構框圖；圖6是一張系統功能圖，示出了本發明的圖形化交互式數控車削自動編程系 統的實施例；圖7示出了包含在圖5中所示CAD直接數據接口的例子；圖8示出了包含在圖5中所示定義加工模式、加工參數和切削參數的例子；圖9示出了應用自動工序規劃、軌跡生成及編程方法生成加工軌跡的例子；圖IO示出了包含在圖5中所示制訂數控加工工藝方案的例子； 圖11示出了包含在圖9中所示定義加工工步的例子；圖12示出了應用輔助工序規劃、軌跡生成及編程方法生成加工軌跡的例子； 圖13示出了自動-輔助相結合的混合編程方法中，系統自動提取並向用戶顯 示工步列表的例子；圖14示出了由用戶修改包含在圖12中工步列表，規劃新加工工藝的例子；圖15示出了應用自動-輔助相結合的混合編程方法生成加工軌跡的例子；圖16示出了編輯NC代碼的例子；圖17示出了代碼仿真的例子；圖18示出了系統的外部硬體環境的運行機理。
具體實施方式
具體實施方式
部分分成兩個部分，第一部分示出本發明設計的系統結構示意 圖及工作流程、自動工序規劃、軌跡生成及編程方法、輔助/半自動工序規劃、 軌跡生成及編程方法以及自動-輔助相結合的混合編程方法實施時系統採用的具 體算法。第二部分為本發明的具體界面介紹。第一部分圖1示出了本發明的圖形化交互式數控車削自動控制方法的總體流程圖。如 圖1所表示，首先進入系統，在步驟1中對工具機和刀具參數進行初始化設置，由步驟2讀入毛坯和零件圖，通過(1) CAD數據存儲規範；(2) CAD圖文的幾 何對稱及封閉性原則判斷並去除包括尺寸標註信息、粗糙度等與輪廓無關的各類 冗餘信息，並通過CAD圖文數據中各圖元之間的幾何拓撲關係判斷圖文是否準 確在CAD零件圖文中，任意兩圖元間存在交集，則該兩圖元間存在斷點；若 任意兩個圖元之間不存在交集，則CAD零件圖形中不存在斷點；在CAD零件 圖文中，若相鄰兩圖元間相交但不連續，則兩圖元間存在越界；若任意兩個相鄰 圖元間不存在上述非連續情形，則CAD零件圖形中不存在越界；若CAD零件 圖文中無上述斷點和越界情形，則CAD零件圖文正確。步驟3通過採用圖形熱 區響應技術，使圖形具有實時交互功能，能夠修正零件加工表面的信息，包括加 工表面類型，準確的幾何信息，表面粗糙度等。自動程序4、輔助程序5及混合 編程單元6共享以上部分設置。接下來，由用戶根據應用場合及加工要求確定是 進行自動編程、輔助編程還是混合編程。如果用戶選擇自動編程，則系統進入自 動工序規劃、軌跡生成及編程單元4。當然用戶也可以選擇進入輔助/半自動工序規劃、軌跡生成及編程單元5。進入自動工序規劃、軌跡生成及編程單元4後， 首先在7、 8、 9單元中分別設置好工件坐標系、退刀面和安全距離。由用戶通過 IO選擇進行粗，精還是完整加工。如果選擇進行粗加工，則通過用戶接口 11， 12， 13， 14， 15分別設置一組組合加工刀具，通用餘量，通用切深，通用進給 量和切削速度。如果是只進行精加工，則通過用戶接口 16， 17， 18， 19分別設 置精加工組合刀具，切深，進給量和切削速度。若用戶選擇包含粗、精的完整加 工，那麼需要分別設置粗精加工信息。當這些信息都設置完成以後，進入20進 行軌跡規劃。當進入輔助/半自動工序規劃、軌跡生成及編程單元5，也需要通 過用戶接口7， 8， 9設置工件坐標系，退刀面和安全距離。與自動工序規劃、軌 跡生成及編程單元4不同，這裡的加工順序、加工方法都由工藝人員藉助用戶接 口21決定，能夠加工形狀更加複雜，類型更加豐富的零件。用戶設定所需工步， 在設定每一個工步時，需要選取當前工步對應的加工表面，刀具，進退刀方式設 置，主軸轉向；對加工表面同時或分別設置加工餘量，切削深度，進給量，切削 速度等。在所有工步設定完畢後，進入20進行軌跡規劃。在混合編程模式6下， 系統用戶首先進入自動工序規劃、軌跡生成及編程單元4，在完成單元4的工作 後，系統輸出工序列表至輔助/半自動工序規劃、軌跡生成及編程單元5，用戶 可以此為模版進行輔助工藝規劃即針對工步列表中各工步及加工工藝信息進行 修改，系統可根據工藝人員的修改結果直接由單元20實施軌跡規劃。單元20 及以下部分為自動單元4和輔助單元5共享，具體內容為單元20為生成刀具 路徑、單元22為NC編程、單元23為軌跡顯示、單元24為代碼編輯、單元25 為單元仿真。軌跡規劃成功後，由單元23顯示出規劃的軌跡。在此以前，單元 22已根據規劃出來的軌跡生成符合工具機配置要求的NC代碼，用戶可藉助單元 24對代碼進行編輯。最後由25對NC代碼進行加工仿真。圖2示出了圖1中單元4所採用的自動工序規劃、軌跡生成及編程方法的 算法說明。在圖示算法中，系統通過加載CAD數據，識別、抽取、記錄和分析 零件製造特徵，在獲取完整零件加工輪廓後，根據用戶選擇的加工方式即粗車、 精車或粗精車，分別生成對應加工工序第一，粗車加工工序訂製算法的主要思 想是，首先確定零件外表面粗車輪廓，然後分別確定粗車輪廓中端面切削範圍、 最外層外圓切削輪廓、以及凹陷輪廓；在加工順序上，首先車端面，既而對外圓 切削輪廓進行刀具幹涉檢查，確定可實施粗車的單調遞增外圓輪廓，然後對可實 施粗車的單調遞增外圓輪廓實施粗車，然後車凹陷部分，再對凹陷輪廓中的未加工完部分實施區域及清根補粗車，然後粗車外輪廓槽及螺紋、鑽孔、鏜孔，最後 加工內輪廓中的槽和螺紋；第二，精車加工工序訂製算法的主要思想是，首先得到外表面精車輪廓，進行刀具幹涉檢查後，按序進行外輪廓精車、內輪廓精車、 精車槽、精車螺紋；第三，完整加工工序訂製算法的主要思想是，確定零件外表 面粗車輪廓，然後分別確定粗車輪廓中的端面切削範圍、最外層外圓切削輪廓、 以及凹陷輪廓；在加工順序上，首先車端面，既而對外圓切削輪廓進行刀具幹涉 檢查，確定可實施粗車的單調遞增外圓輪廓，然後對可實施粗車的單調遞增外圓 輪廓實施粗車，先車凹陷部分，再對凹陷輪廓未加工完的部分實施區域及清根補 粗車，並精車外輪廓，然後實施清根精車；再按序進行粗車外輪廓槽、精車外輪 廓槽、粗車螺紋、精車螺紋、鑽孔、鏜孔、車內輪廓槽、車內輪廓螺紋。在"獲 取輪廓，按照數控車削典型加工工藝順序，生成對應工序"時，系統已將生成的 各工序以鍊表形式存儲在系統內存中；該工藝鍊表中的各個可輸出鍊表項記錄了 對應被加工表面、實施加工類型、工藝裝備，以及包括加工方法、加工餘量、切 削行距、主軸轉速及轉向等在內的主要工藝信息。圖2所示自動工序規劃、軌跡 生成及編程方案可實現對應工步切換的自動換刀。創新的"刀具組合"的概念是 實施上述自動換刀的前提，即系統初始化並加載CAD數據後，由用戶使用系統 內建刀具表(刀具表由數據行組成，記錄刀具類型，刀具幾何參數以及刀座號等 信息)確定加工所需所有刀具並填寫刀座號；完成"獲取輪廓，按照某種順序， 生成對應工序"後，生成加工軌跡和NC代碼前，系統以刀座號為主鍵遍歷系統 內建刀具表，通過比較刀具表中各數據行所記錄的刀具類型、刀具幾何參數等信 息，以及各鍊表項對應工序或工步中加工面的加工類型、加工方式及幾何信息， 為工藝鍊表中各鍊表項對應工序或工步確定合適的刀具，並將決策結果記錄到對 應鍊表項中。圖3示出了圖1中單元5所釆用的輔助工序規劃、軌跡生成及編程方法的 算法說明。該算法首先獲取加工輪廓起點，即首個加工面的右端點，並通過首個 加工面與右端面求交來解算起點前的輪廓，或通過先求取首個加工面右端點與右 端面之間區域(含首個加工面右端點)的局部最高點，然後通過半矩形橋式跨越 線連接首個加工面延長線與零件右端面交點、局部最高點，以及局部最高點、首 個加工面右端點，形成起點前加工輪廓，然後將起點前加工輪廓(包括首個加工 面)存儲在鍊表當中。然後進一步分析用戶所選擇的最後一個加工面右端點、首 個加工面左端點之間的零件輪廓(注零件右端面編號為1,編號以逆時針方向為 序)，並判斷該輪廓中各相鄰實體的位置關係，如果相鄰實體均連續，則直接存 儲最後一個加工面右端點之前的零件輪廓信息；若不連續，則針對不連續的加工 面，尋找中間空白區域對應的當前零件輪廓，並通過對該部分零件輪廓幾何位置 信息的分析，求解對應局部最高點，通過半矩形橋式跨越線分別連接不連續加工面中右側加工面的終點、最高點，以及最高點、左側加工面的起點，從而構建最 後一個加工面右端點之前的所有加工輪廓。，此時，新的加工輪廓範圍跨越指定 加工輪廓中首個加工面右端點前的零件輪廓、指定加工輪廓中首個加工面左端點 與最後一個加工面右端點之間的連續表面或非連續面(當然包括首末加工面)，因 此，根據圖示算法循環，系統進入左支即獲取整個加工輪廓終點後，即用戶選擇 的最後一個加工面的左端點，並補全最後一個加工面的左端點至毛坯之間的加 工輪廓，最後與前述起點前加工輪廓、最後一個加工面右端點之前的所有加工輪 廓共同組成新的、完整的加工輪廓，該加工輪廓及所有加工面將以鍊表形式存儲 在系統內存中。如圖3，新的連續加工輪廓生成後系統將針對新輪廓實施冗餘點、 局部重複線去除並得到一個不但是連續的、與毛坯之間呈閉合關係且系統能夠進 行識別、處理，並以此為基礎實施自動軌跡規劃的完整的、正確的加工輪廓。圖4示出了圖1中單元6所採用的自動-輔助相結合的混合編程方法的算法 說明。該算法中，"是否加工完全"主要通過遍歷、比較零件當前內、外輪廓及 最終零件的CAD圖文數據即各圖元的幾何信息，判別零件當前內、外輪廓是否 與系統初始化後輸入的最終零件的輪廓一致如果零件當前內、外輪廓的各個圖 元與最終零件中各對應圖元的類型(直線、圓弧還是其它方程曲線)、以及幾何 參數(起點、終點、弧度等)均一致，則輪廓一致；反之則說明不一致，如果不 一致，則根據上述比對結果可自動獲取未加工區域輪廓和形態，並生成相應的該 區域補加工或清根補加工工序。確定零件加工完全後，系統將結合用戶輸入(刀 具和切削參數)以及系統決策結果(自動選刀)，形成完整的工序鍊表，並將其導入 輔助編輯模塊。第二部分為本發明的具體實施例，參照隨後的副圖6-18進行解釋，圖中數 字標號均屬圖6-18:圖6給出了本發明的一個優選實施例，如圖6所示，根據該優選例圖形化交 互式車削自動編程系統包括圖形顯示部分1，它為CAD數據、工藝規劃及軌跡 規劃提供可視化用戶接口。圖形化交互式車削自動編程系統也包括編程工具部分 2， 2中提供直接CAD數據接口 5，它負責讀取零件毛坯和最終形狀圖紙；工藝 規劃用戶接口6，用於實現自動工序規劃、軌跡生成及編程方法中的加工和切削 參數設置；自動軌跡規劃接口7，負責實現自動工序規劃、軌跡生成及編程方法 中的刀具路徑規劃；工步編輯用戶接口8，負責實現輔助工序規劃、軌跡生成及 編程方法中的數控加工工藝規劃，包括工步制訂和排序，切削參數訂製等；代碼 生成用戶接口9，負責根據刀位數據源文件以及工具機配置信息生成NC代碼；編 輯工件程序接口 IO則提供用戶以修改指定NC代碼的功能；軌跡仿真接口 11則負責將知指定NC代碼段解析後送入渲染通道，進行代碼的仿真和校驗。圖形化 交互式車削自動編程系統也包括笛卡爾坐標系部分3，信息提示窗口部分4。接 口 12則負責結束當前進程，並釋放佔用的系統內存，退回至作業系統主界面。 在圖7的系統工具欄17上，顯示了 CAD零件中某加工面(以紅線標註) 的具體位置信息。圖形顯示部分l中所示外框為毛坯圖，該毛坯圖由讀取毛坯接 口13加載；圖形顯示部分l中標註了表面順序號的內框為零件圖，由讀取零件 接口 14加載；輸入欄18及其他類似輸入欄負責用戶事件響應並記錄用戶輸入， 系統根據用戶輸入刷新圖形顯示部分1中所顯示圖形；數據修正部分15則負責 修改零件中的直線、圓弧段、表面粗糙度等信息，並對螺紋等項進行設置。向後 18則負責將當前用戶界面回退至圖6所示界面。圖6中工藝規劃用戶接口 6的啟用將使系統進入圖8.a示出的界面。圖8.a 中提供了全局參數用戶接口 19，粗車設置用戶接口 20，精車設置用戶接口 21 以及系統工具欄23。退出22則負責將當前用戶界面回退至圖6所示界面。其中 系統工具欄23根據用戶在19、 20、 21之間切換情況，更新工具欄自身內容，提 供不同的下一級用戶接口切換到19時，見圖8.b編程工具部分2轉至包括工 件坐標系24、進退刀面25、安全距離26、組合刀具27在內界面。系統工具欄 29當前顯示為工件坐標系24接口被啟用時的狀態，系統工具欄29的內容即提 供的用戶接口根據用戶在24、 25、 26、 27之間切換情況，自動更新系統工具欄 29能夠提供的下一級用戶接口。退出28負責將當前用戶界面回退至圖8.a所示 界面；切換到20時上述內容中，系統工具欄17又被標註為23、 29、 38、 46，代表系統工具欄 在不同情形下所能夠提供的不同的加工參數設置接口。圖9示出了自動工序規劃、軌跡生成及編程方法生成加工軌跡的例子。完整 的刀具路徑顯示在圖形顯示部分1中。圖形顯示部分1中的圖像內容在用戶啟用 讀取毛坯13、讀取零件14後被系統清除。圖6中CAD數據接口 5的啟用加載了毛坯和最終零件圖，在加載完CAD數 據後，啟用工步編輯用戶接口8，系統將提供用於實現輔助工序規劃、軌跡生成 及編程方法中工藝規劃的用戶接口。如圖10，圖形顯示部分1被工藝鍊表表單 47所取代，該表單被系統初始化後已包含一個默認列表項，該默認列表項以高 亮(藍色區域)顯示，增加工序接口48將向表單47插入新的默認列表項，刪除 工序接口49將刪除表單47中用戶通過滑鼠點選的、以高亮顯示的列表項；編輯 工序接口 50則調入圖11所顯示界面；軌跡預覽接口 51負責實現輔助工序規劃、 軌跡生成及編程方法中加工軌跡的生成、顯示。退出52負責將當前用戶界面回退至圖ll.C示出的界面。圖ll.a示出了包含在圖10中所示定義加工工步的例子。被定義的加工工步 為圖10中表單47被初始化後已有的默認列表項。除非車加工中心不支持滑鼠點 選否則用戶可以通過滑鼠為當前工步點選加工面，如圖11中圖形顯示部分l， 被選中的加工面序號為2、 3、 4，以紅色高亮顯示；若車加工中心不支持滑鼠等 外部設備，則加工面和方式用戶接口 54的啟用將刷新系統工具欄62並提供用於 輸入加工面序號的輸入框；輸入框的形式與圖11中系統工具欄62顯示內容中用 於輸入切削餘量和切削行距的輸入框一致；圖11中當前系統工具欄62為用戶啟 用餘量和切深接口 55後的內容；系統工具欄62的內容即提供的接口隨用戶在加 工面和方式接口54、餘量和切深接口55、進給量接口56、可編程進給倍率57、 主軸轉向接口 58、切削速度接口 59、快速進退刀接口 60之間切換而提供不同的 下一級用戶接口。向後61則負責將當前用戶界面回退至圖ll.b示出的界面。圖 形顯示部分1著重顯示了輔助工序規劃、軌跡生成及編程方法中系統針對已有工 步實施軌跡規劃的結果，為了便於區分，可將該顯示方式定義為顯示方式A;定義 一個零件的完整加工工藝通常需要定義多個工步，然後實施軌跡規劃。不同於圖 11，圖12中表單47是一個包含了 5個表單項即相同數目工步的表單，該表單是 通過用戶多次啟用增加工序接口 48、編輯工序接口 50後生成的完整工藝鍊表表 單；不同於方式A，用戶通過啟用軌跡軌跡預覽接口 51激活並跳出一個用於顯 示軌跡的活動窗口63，該窗口可通過確定64關閉。圖12中，活動窗口63顯示 的加工軌跡並未加工完全部零件，這是由於用戶選擇的刀具類型不能滿足加工完 整零件的要求-系統根據用戶選擇的刀具及其參數進行刀具幹涉檢查，決定加工 區域；對於未加工部分，類似的，用戶可通過啟用增加工序接口 48，選擇未加 工區域對應的加工面，通過啟用編輯工序接口 50向表單47中添加並定義新的針 對未加工區域的表單項，最終實現零件的完整加工。圖9示出了應用自動工序規劃、軌跡生成及編程方法生成的加工軌跡。啟用 工步編輯接口 8，該加工軌跡對應加工工藝輸出至工藝鍊表表單64。用戶可啟用 刪除工序接口 49刪除圖13中以高亮顯示的列表項，而後啟用添加工序接口 48 添加新工步並形成新的工藝鍊表表單65。新工步即新的表單項以高亮顯示。啟 用編輯工序接口 50定義以高亮顯示的表單項並形成最終的工藝鍊表表單66。啟 用軌跡預覽接口 51，可激活活動窗口 63並顯示新的加工軌跡，如圖15。圖16示出了編輯NC代碼的例子。代碼顯示區域67顯示NC代碼內容，所 顯示的代碼段通過文件接口 68選擇，編輯接口 69、査找接口 70、查找下一個接口71、語法檢測並重新編號藉口 72提供用戶編輯代碼、定位地址字及語法檢測 等功能；退出73負責退出當前用戶界面。圖17示出了代碼仿真的例子。仿真區74顯示仿真過程，文字欄85則示出 了當前仿真的代碼段名稱。啟用連續方式接口 75或單段方式接口 76決定代碼仿 真為多段連續方式或單段方式。測試開始接口 77和測試停止接口 78負責仿真起 停。G00進給速度接口 79調節仿真過程中虛擬刀具的進給速度。持續時間接口 81顯示當前仿真時間，位置接口顯示仿真中三坐標位置信息，NC程序段接口 84則顯示當前仿真程序段和後兩行程序段內容，進給接口 86以進度條形式給出 當前進給速度，圖像內容控制欄83集成了控制仿真區74顯示內容的工具。在上述實施例中，圖形化交互式車削自動控制系統的硬體環境，如圖18所 示，包括外部設備滑鼠87、外部設備鍵盤88、軟盤驅動器89、光碟驅動器90、 處理器91、內存緩衝區92、硬碟93、 CNC控制器94，它們均連接到系統總線 95上。直接從CAD數據接口 5讀取的CAD數據由軟盤驅動器89或光碟驅動器 90提供；用戶和系統的所有交互行為通過外部設備滑鼠87或外部設備鍵盤88 完成；CAD數據、用戶輸入數據及用戶決策通過處理器生成的NC程序段被記 錄介質比如硬碟93保存；數控系統可實時的將NC程序段從硬碟93中調入內存 緩衝區92，程序段再通過系統總線95被發送到CNC控制器94，實施多坐標的 插補和運動控制。
權利要求
1、圖形化交互式數控車削自動編程方法，其特徵是包括下列步驟----讀入毛坯和零件圖，去除冗餘信息，並判斷圖形是否準確；-----使圖形具有實時交互功能，能夠修正零件加工表面的信息，包括加工表面類型，準確的幾何信息，表面粗糙度；------根據用戶選擇確定是進行自動編程、輔助編程還是混合編程；------如果用戶選擇自動編程，則系統進入自動工序規劃、軌跡生成及編程程序，進入自動工序規劃、軌跡生成及編程程序後，首先分別設置好工件坐標系、退刀面和安全距離；由用戶選擇進行粗，精還是完整加工，如果選擇進行粗加工，則通過用戶接口分別設置一組組合加工刀具，通用餘量，通用切深，通用進給量和切削速度；如果是只進行精加工，則通過用戶接口分別設置精加工組合刀具，切深，進給量和切削速度；若用戶選擇包含粗、精的完整加工，那麼需要分別設置粗精加工信息；當這些信息都設置完成以後，進入進行軌跡規劃程序；----當進入輔助/半自動工序規劃、軌跡生成及編程程序，通過用戶接口設置工件坐標系，退刀面和安全距離；用戶設定所需工步，在設定每一個工步時，需要選取當前工步對應的加工表面，刀具，進退刀方式設置，主軸轉向；對加工表面同時或分別設置加工餘量，切削深度，進給量，切削速度，在所有工步設定完畢後，進入進行軌跡規劃程序；-----當進入混合編程程序後，首先進入自動工序規劃、軌跡生成及編程程序，在完成自動工序規劃、軌跡生成及編程程序後，系統輸出工序列表至輔助/半自動工序規劃、軌跡生成及編程程序，系統可根據工藝人員的修改結果直接由生成刀具路徑程序實施軌跡規劃，軌跡規劃成功後，顯示規劃的軌跡；根據規劃出來的軌跡生成符合工具機配置要求的NC代碼，對代碼進行編輯，對NC代碼進行加工仿真。
2、根據權利要求l所述的圖形化交互式數控車削自動編程方法，其特徵是 所述自動工序規劃、軌跡生成及編程程序具體包括下列步驟通過加載CAD數據，識別、抽取、記錄和分析零件製造特徵，在獲取完整零件加工輪廓後，根據用戶選擇的加工方式即粗車、精車或粗精車，分別生成對應加工工序；(l)粗車 加工工序的步驟是，首先確定零件外表面粗車輪廓，然後分別確定粗車輪廓中端 面切削範圍、最外層外圓切削輪廓、以及凹陷輪廓；在加工順序上，首先車端面， 既而對外圓切削輪廓進行刀具幹涉檢査，確定可實施粗車的單調遞增外圓輪廓， 然後對可實施粗車的單調遞增外圓輪廓實施粗車，然後車凹陷部分，再對凹陷輪廓中的未加工完部分實施區域及清根補粗車，然後粗車外輪廓槽及螺紋、鑽孔、 鏜孔，最後加工內輪廓中的槽和螺紋；(2)精車加工工序的工作步驟是，首先得 到外表面精車輪廓，進行刀具幹涉檢查後，按序進行外輪廓精車、內輪廓精車、 精車槽、精車螺紋；G)完整加工工序的工作步驟是，確定零件外表面粗車輪廓， 然後分別確定粗車輪廓中的端面切削範圍、最外層外圓切削輪廓、以及凹陷輪廓； 在加工順序上，首先車端面，既而對外圓切削輪廓進行刀具幹涉檢査，確定可實 施粗車的單調遞增外圓輪廓，然後對可實施粗車的單調遞增外圓輪廓實施粗車， 先車凹陷部分，再對凹陷輪廓未加工完的部分實施區域及清根補粗車，並精車外 輪廓，然後實施清根精車；再按序進行粗車外輪廓槽、精車外輪廓槽、粗車螺紋、 精車螺紋、鑽孔、鏜孔、車內輪廓槽、車內輪廓螺紋；在獲取輪廓，按照某種順 序，生成對應工序時，將生成的各工序以鍊表形式存儲在系統內存中；該工藝鏈 表中的各個可輸出鍊表項記錄了對應被加工表面、實施加工類型、工藝裝備，以 及包括加工方法、加工餘量、切削行距、主軸轉速及轉向等在內的主要工藝信息。
3、 根據權利要求1或2所述的圖形化交互式數控車削自動編程方法，其特 徵是所述輔助/半自動工序規劃、軌跡生成及編程程序具體包括下列步驟首先 獲取用戶所選擇的加工輪廓的起點，即首個加工面的右端點，並補全該起點前的 加工輪廓，然後將該部分加工輪廓，包括首個加工面，存儲在鍊表當中；如果用 戶所選擇的加工輪廓，包括首個加工面、最後一個加工面和兩者之間的其它加工 面是連續表面，則直接存儲加工面信息；若存在下列三種情況中的任意一種即(1)首個加工面與下一個加工面不連續；(2)最後一個加工面與前一個加工面 不連續；(3)首個加工面與最後一個加工面之間(不包括首個加工面、最後一個 加工面)存在非連續加工面，則算法首先獲取前後加工面之間的零件輪廓特徵， 然後根據局部最高點一次性生成新的、完整的加工輪廓，最後將新的補全後的加 工輪廓及其加工面信息存儲在鍊表中，新的連續加工輪廓生成後系統將針對新輪 廓實施冗餘點、局部重複線去除並得到一個不但是連續的、與毛坯之間呈閉合關 系且系統能夠進行識別、處理，並以此為基礎實施自動軌跡規劃的完整加工輪廓。
4、 根據權利要求l所述的圖形化交互式數控車削自動編程方法，其特徵是 所述自動-輔助相結合的混合編程程序具體包括下列步驟主要判別零件當前內、 外輪廓是否與系統初始化後輸入的最終零件的輪廓一致，如果不一致，則自動獲 取未加工區域輪廓，並生成該區域補加工或清根補加工工序，確定零件加工完全 後，系統將結合用戶輸入刀具和切削參數以及系統決策結果，形成完整的工序鏈 表，並將其導入輔助編輯程序。
5、 圖形化交互式數控車削自動控制系統，其特徵是包括CAD數據讀入模塊，它為用戶提供工程圖文數據接口，所述CAD數據讀入模塊包括負責加載和 解析CAD數據的CAD數據解析模塊，用戶可以通過信息錄入和圖形修正模塊 錄入零件尺寸、表面粗糙度、修改零件幾何信息，CAD數據被負責CAD數據可 視化的用戶顯示模塊接受；所述CAD數據讀入模塊分別與自動編程模塊、輔助 編程模塊和混合編程模塊相連，所述自動編程模塊包括加工參數訂製模塊和切削 參數訂製模塊，加工參數訂製模塊為用戶提供制訂數控加工工藝方案的用戶接口 和多種制訂模式，用戶可使用該模塊定義包括工件坐標系、進退刀面等參數在內 的加工參數，切削參數訂製模塊為粗、精車加工工藝定義包括切削用量在內的切 削參數；所述輔助編程模塊包括工步方案排定模塊和工步方案編輯模塊，所述工 步方案排定模塊為用戶初步編排數控加工工藝提供用戶接口 ，工步方案編輯模塊 提供用戶用於修改上述加工工藝的用戶接口；所述混合編程模塊包括加工參數訂 制模塊、切削參數訂製模塊和工步方案編輯模塊，用戶藉助加工參數訂製模塊設 置加工參數，根據切削參數訂製模塊提供的接口，為粗、精車工序定義切削參數， 系統自動輸出按加工順序排列的各工步即完整工步列表，工步方案編輯模塊提供 用於修改上述工步列表的用戶接口；自動編程模塊、輔助編程模塊和混合編程模 塊分別與自動軌跡模塊相連，自動軌跡規劃模塊為技術實現的核心功能模塊，根 據擬訂工藝方案生成帶進退刀軌跡的優化刀具進給路線，所述自動軌跡規劃模塊 包括軌跡解算和優化模塊、軌跡顯示模塊，所述軌跡解算和優化模塊根據零件制 造特徵或用戶排定的工步方案自動實施軌跡規劃，軌跡規劃的結果由軌跡顯示模 塊輸出至圖象顯示區域；自動軌跡規劃模塊與NC代碼生成模塊相連，NC代碼 生成模塊包括G、 M代碼生成模塊和後置處理模塊，所述G、 M代碼生成模塊 根據軌跡規劃的結果即輸出的軌跡鍊表，結合用戶指定的切削參數自動生成符合 IS06983的G、 M代碼，生成的代碼送入後置處理模塊將其轉換為工具機控制器可 以識別、符合指定工具機配置的代碼；NC代碼生成模塊與車削過程仿真模塊相連， 車削過程仿真模塊包括環境構建模塊和虛擬仿真模塊，車削仿真模塊對生成的 NC代碼進行仿真校驗，環境構建模塊渲染環境搭建，虛擬仿真模塊提供用戶以 2D或3D模式對加工過程進行可視化的接口 。
全文摘要
能夠提高編程效率及NC代碼質量、促進快速產品過程實現(RPPR)和集成化產品開發(IPPD)過程的圖形化交互式數控車削自動編程方法及系統。技術方案是圖形化交互式數控車削自動編程方法，其特徵是包括下列步驟讀入毛坯和零件圖，去除冗餘信息，並判斷圖形是否準確；使圖形具有實時交互功能，能夠修正零件加工表面的信息，包括加工表面類型，準確的幾何信息，表面粗糙度；根據用戶選擇確定是進行自動編程、輔助編程還是混合編程來執行相應的系統功能模塊。圖形化交互式數控車削自動控制系統，其特徵是包括CAD數據讀入模塊，CAD數據讀入模塊分別與自動編程模塊、輔助編程模塊和混合編程模塊相連，自動編程模塊、輔助編程模塊和混合編程模塊分別與自動軌跡規劃模塊相連，自動軌跡規劃模塊與NC代碼生成模塊相連。
文檔編號G05B19/4097GK101334657SQ20071017997
公開日2008年12月31日 申請日期2007年12月20日 優先權日2007年12月20日
發明者葉佩青, 輝 張, 王沛慶, 亮 謝, 彤 趙, 錢學雷 申請人:清華大學